SFB/TR73: Einsatz nanostrukturierter Dünnschichten zur Verschleiß- und Reibungsminderung von Werkzeugen zur Feinblechverarbeitung (3. Förderperiode)

Sonderforschungsbereich Transregio 73: Umformtechnische Herstellung von komplexen Funktionsbauteilen mit Nebenformelementen aus Feinblechen - Blechmassivumformung

Der Sonderforschungsbereich/ Transregio 73 wurde eingerichtet um eine neue Fertigungstechnologie, die Blechmassivumformung (BMU), zu entwickeln. Diese neue Fertigungstechnologie vereint dabei die Vorzüge der Gestaltungsmöglichkeiten der Blech- als auch der Massivumformung um die umformtechnische Herstellung von komplexen Bauteilen mit funktionalen Nebenelementen zu ermöglichen.

Das Teilprojekts B5 befasst sich in diesem Zusammenhang damit die Umformprozesse der Blechmassivumformung durch werkzeugseitige Oberflächenmodifikationen in Form von bionischen Strukturen und Cr-basierten Hartstoffschichten gezielt zu beeinflussen und zu steuern. Dies geschieht durch eine Anpassung der tribologischen Bedingungen, um den werkstückseitigen dreidimensionalen Stofffluss des Blechwerkstoffs in die filigranen Funktionsnebenelemente zu begünstigen und eine hohe Formfüllung der Kavitäten des Umformwerkzeugs zu ermöglichen. Die dazu erforderlichen tierischen und pflanzlichen bionischen Strukturen wurden im Rahmen der ersten beiden Förderperioden entwickelt und deren Eigenschaftsprofile charakterisiert. Die zum Schutz der filigranen Elemente verwendeten Cr-basierten nitridischen und carbo-nitridischen Dünnschichten erwiesen sich dabei als geeignetes Instrument, wobei jedoch prozessimmanent geometrische Einschränkungen durch die Sichtliniencharakterisitk bei der Beschichtung komplex gestalteter Oberflächen der BMU-Werkzeuge bestehen.

Auf Basis der vorgestellten Ergebnisse wird für die dritte Förderperiode der Fokus der Forschungsaktivitäten auf die beschichtungsseitige Leistungssteigerung und Standzeiterhöhung der Werkzeugoberflächen gelegt. Dies soll auf der einen Seite durch die Entwicklung von CrAlN- und CrAlCN-Dünnschichten mittels HiPIMS-Technologie erfolgen, welche durch den hohen Ionisationsgrad eine nahezu geometrieunabhängige endkonturgetreue Beschichtung der bionischen Strukturen mit PVD-Schichten ermöglicht. Auf der anderen Seite sollen dabei die strukturellen Anpassungsmöglichkeiten, welche aus dem hohen Ionisationsgrad resultieren, genutzt werden, um Schichten mit einer höheren Härte bei gleichzeitig niedrigerem E-Modul im Vergleich zu konventionellen Magnetron-Sputtering-Schichten abscheiden zu können. Neben den verbesserten mechanischen Eigenschaften wird zusätzlich angestrebt, durch die HiPIMS-Schichten eine bessere Anbindung der Schicht an das Substrat sowie aus der dichten, nahezu defektfreien Morphologie ein resultierendes geringes Rauheitsprofil zu erreichen. Dieses Eigenschaftsprofil soll sowohl für die hochverschleißbeständigen CrAlN- als auch die reibungsarmen CrAlCN- Schichten eingestellt werden, um so die Leistungsfähigkeit der BMU-Prozesse zu steigern. Zusätzlich werden neben der anforderungsspezifischen Gestaltung der tribo-mechanischen Schichteigenschaften die Einflüsse und Wechselwirkungen der mechanischen Bearbeitungsschritte, welche aus vorgelagerten Prozessen resultieren, auf oberflächennahe Werkzeugbereiche mit einbezogen. Die aus der Fertigung resultierenden bidirektionalen Wechselwirkungen auf den Eigenspannungszustand des Schicht-Grundwerkstoffverbundes werden grundlegend untersucht. Dabei sollen die zur Verfügung stehenden unterschiedlichen Plasmaätzverfahren, welche dem Beschichtungsprozess vorgeschaltet sind, gezielt genutzt werden, um den Spannungszustand zu modifizieren und eine hohe Schichthaftung zu gewährleisten. Ergänzt werden diese Untersuchungen durch Schichtnachbehandlungen in Form von Nassstrahlspanen, welche zu einer geziel-ten Anpassung des Rauheitsprofils der Dünnschichten und zur Ausbildung eines Härte- und Eigenspannungsgradienten führen sollen. Diese werkzeugseitigen Oberflächenmodifikationen werden dazu genutzt, um den prozessangepassten tribologischen Anforderungen der Umformprojekte gerecht zu werden. Die Standzeit-Versuche sollen dabei unter praxisnahen Bedingungen in Verschleißprüfständen evaluiert werden, welche erstmalig eine Aussage über die Belastungs- und Leistungsfähigkeit von Dünnschichten in Langzeituntersuchungen für die BMU ermöglichen. Darüber hinaus werden die Wechselwirkungen verschiedener Struktur-Schichtkombinationen untersucht, um die limitierenden Einflussfaktoren auf die Standzeit identifizieren und analysieren zu können. Die dabei gewonnenen Er-kenntnisse werden auf reale Umformwerkzeuge übertragen und der Einfluss der entwickelten Oberflächenmodifikation auf die Prozessführung und die real ausge-formten Bauteile untersucht.

Weitere Informationen zur Projektbearbeitung in der zweiten Förderperiode

Weitere Informationen zur Projektbearbeitung in der ersten Förderperiode

1. P. Sieczkarek, S. Wernicke, S. Gies, A. E. Tekkaya, E. Krebs, P. Wiederkehr, D. Biermann, W. Tillmann, D. Stangier: Improvement strategies for the formfilling in incremental gear forming processes. Production Engineering 11 (2017), 623-631. doi: https://doi.org/10.1007/s11740-017-0764-1
2. W. Tillmann, D. Stangier, N.F. Lopes Dias: Influence of PVD-duplex-treated, Bionic Surface Structures on the Wetting Behavior for Sheet-Bulk Metal Forming Tools. Journal of Bionic Engineering 14 (2017), 520-531. doi: https://doi.org/10.1016/S1672-6529(16)60418-3
3. W. Tillmann, D. Stangier, N.F. Lopes Dias, D. Biermann, E. Krebs: Adjustment of Friction by Duplex-Treated, Bionic Structures for Sheet-Bulk Metal Forming. Tribology International 111 (2017), 9-17. doi: https://doi.org/10.1016/j.triboint.2017.02.037
4. W. Tillmann, D. Stangier, L. Hagen, P. Schröder, M. Krabiell: Influence of WC grain size on the properties of PVD/HVOF duplex coatings. Surface and Coatings Technology 328 (2017), 326-334. doi: https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2017.08.064
5. E. Krebs, M. Wolf, D. Biermann, W. Tillmann, D. Stangier: High-quality cutting edge preparation of micromilling tools using wet abrasive jet machining process. Production Engineering 12 (2018), 45-51. doi: https://doi.org/10.1007/s11740-017-0787-7
6. M. Löffler, R. Schulte, D. Freiburg, D. Biermann, D. Stangier, W. Tillmann, M. Merklein: Control of the material flow in sheet-bulk metal forming using modifications of the tool surface. International Journal of Material Forming 12 (2019), 17-26. doi: https://doi.org/10.1007/s12289-018-1399-2
7. W. Tillmann, L. Hagen, D. Stangier, M. Krabiell, P. Schröder, J. Tiller, C. Krumm, C. Sternemann, M. Paulus, M. Elbers: Influence of etching-pretreatment on nano-grained WC-Co surfaces and properties of PVD/HVOF duplex coatings. Surface and Coatings Technology 374 (2019), 32-43. doi: https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2019.05.054
8. W. Tillmann, D. Stangier, P. Roese, K. Shamout, U. Berges, C. Westphal, J. Debus: Structural and mechanical properties of carbon incorporation in DC/HiPIMS CrAlN coatings. Surface and Coatings Technology 374 (2019), 773-783. doi: https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2019.06.053
9. W. Tillmann, L. Hagen, D. Stangier, M. Paulus, M. Tolan, R. Sakarowski, D. Biermann, D. Freiburg: Microstructural characteristics of high-feed milled HVOF sprayed WC-Co coatings. Surface and Coatings Technology 374 (2019), 448-459. doi: https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2019.06.012
10. B. Behrens, D. Biermann, W. Tillmann, R. Krimm, A. Meijer, M. Schewe, D. Stangier, O. Commichau, P. Müller, D. Rosenbusch, A. Menzel: Untersuchungen strukturierter Werkzeugflächen und der Einfluss auf den Werkzeugverschleiß. In: M. Merklein, B.A. Behrens, A.E. Tekkaya (Hrsg.): 4. Industriekolloquium Blechmassivumformung 2019 - DFG Transregio 73, 2019, Erlangen, FAU, S. 7-30.
11. W. Tillmann, D. Stangier, L. Hagen, D. Biermann, D. Freiburg, A. Meijer: Tribological investigation of surface structures processed by high-feed milling in HVOF sprayed WC-12Co coatings. Surface and Coatings Technology 395 (2020), 125945. doi: https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2020.125945
12. T. Weikert, S. Tremmel, D. Stangier, W. Tillmann, E. Krebs, D. Biermann: Tribological Studies on Multi-Coated Forming Tools. IJournal of Manufacturing Processes 49 (2020), 141-152. doi: https://doi.org/10.1016/j.jmapro.2019.11.021
13. B. Denkena, B. Breidenstein, H. Lucas, M. Keitel, W. Tillmann, D. Stangier: Influence of Residual Stresses in heat-treated High-Speed Steels on the Adhesion of CrAlN Coatings. Journal of Heat Treatment and Materials 75 (2020), 163-176. doi: https://doi.org/10.3139/105.110413
14. B. Behrens, W. Tillmann, D. Biermann, S. Hübner, D. Stangier, D. Freiburg, A. Meijer, S. Koch, D. Rosenbusch, P. Müller: Influence of Tailored Surfaces and Superimposed-Oscillation on Sheet-Bulk Metal Forming Operations. Journal of Manufacturing Materials Processing 4 (2020), 41. doi: https://doi.org/10.3390/jmmp4020041
15. B. Behrens, A. Meijer, D. Stangier, S. Hübner, D. Biermann, W. Tillmann, D. Rosenbusch, P. Müller: Static and oscillation superimposed ring compression tests with structured and coated tools for Sheet-Bulk Metal Forming. Journal of Manufacturing Processes 55 (2020), 78-86. doi: https://doi.org/10.1016/j.jmapro.2020.04.007
16. S. Wernicke, M. Hahn, A. Detzel, W. Tillmann, D. Stangier, N.F. Lopes Dias, A.E. Tekkaya: Force Reduction by Electrical Assistance in Incremental Sheet-Bulk Metal Forming of Gears. Journal of Materials Processing Technology 296 (2021), 117194. doi: https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2021.117194
17. W. Tillmann, D. Stangier: Application of Nanostructured Bionic Thin Layers to Enhance the Wear and Friction Behavior of Tools for Sheet-Bulk Metal Forming. In: M. Merklein, A.E. Tekkaya, B.A. Behrens (Hrsg.): Sheet Bulk Metal Forming, 2021, Springer, S. 216-238. Doi: https://doi.org/10.1007/978-3-030-61902-2_10
18. D. Stangier: Maßgeschneiderte tribologische Werkzeugaktivflächen für die Blechmassivumformung, Dissertation, Technische Universität Dortmund, 2022.

1. D. Stangier: Strukturelle und mechanische Eigenschaften von kohlenstoffdotierten CrAlN Dünnschichten abgeschieden mittels DC/HiPIMS hybrid Prozessen. SurfCoat Korea, Incheon, 29.03.2018.
2. D. Stangier: Bionisch inspirierte Oberflächenstrukturen und nanostrukturierte PVD-Hartstoffschichten für die Blechmassivumformung. Sigmaringen, 5te BisOn Netzwerksitzung. 26.04.2018.
3. W. Tillmann: Moderne Beschichtungsverfahren für nachhaltige Anwendungen in der Fertigungstechnik und im Maschinenbau. Akademie der Wissenschaften, Düsseldorf, 15.09.2020.

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