Erforschung der Wechselwirkungen von einer inkrementellen Randzonenumformung und einer HPPMS-Beschichtung auf Feinschneidstempeln zur Ermöglichung einer belastungsgerechten Einstellung der Oberflächenintegrität (TEStOI)

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Thomas Bergs; Professorin Dr.-Ing. Kirsten Bobzin
• Fachliche Zuordnung: Ur- und Umformtechnik, Additive Fertigungsverfahren
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 423492562

Bei der Verarbeitung hochfester Blechwerkstoffe zur Herstellung von Funktionalbauteilen, wie Bremsbelagsträgern in der Automobilindustrie, mittels Feinschneiden steigt die Werkzeugbeanspruchung gegenüber konventionellen Blechwerkstoffen an. Inkrementelle Verfahren zur mechanischen Oberflächenbehandlung wie das Festwalzen eignen sich für die Steigerung der Werkzeugstandzeiten durch Erhöhung des Verschleißwiderstands. Ursächlich dafür ist eine Verbesserung der Oberflächenintegrität (OI) aufgrund der mechanischen Oberflächenbehandlung. Die OI beinhaltet hierbei Mikrostruktur, Härteverlauf, Eigenspannungszustand, Oberflächentopografie und Schädigungen der Werkzeugrandzone. Zur weiteren Verringerung des abrasiven und adhäsiven Verschleißes werden die Funktionsflächen von Werkzeugen mittels physikalischer Gasphasenabscheidung (physical, vapor deposition, PVD) beschichtet. Durch eine wissensbasierte Prozessführung beim Beschichten ist es möglich, die OI der Beschichtung gezielt zu beeinflussen. Diese wirkt sich weiterhin positiv auf die OI der Werkzeugrandzone und die Verbundhaftfestigkeit aus. Speziell die Eigenspannungen und die Mikrostruktur der Werkzeugrandzone werden allerdings durch die thermische Beanspruchung während des Beschichtungs¬prozesses sowie unter zyklischer elasto-mechanischer Beanspruchung der Randzone beim Feinschneiden sukzessive relaxiert. Die entsprechenden physikalischen Ursache-Wirkung-Zusammenhänge bei der thermischen und elastischen Stabilität der OI sind dabei weitgehend unbekannt. Zum einen ist unklar, wie der Wärmeeintrag im Beschichtungsprozess die OI des Werkzeugs verändert und welche Wechselwirkungen zwischen der OI der Beschichtung und der inkrementell eingestellten OI im Werkzeug auftreten. Zum anderen ist unbekannt, wie sich die zyklische, elasto-mechanische Dauerbelastung beim Feinschneiden auf die OI der Werkzeugrandzone auswirkt. Insgesamt liegt dem Vorhaben daher die Forschungshypothese zugrunde, dass die durch eine inkrementelle Randzonenumformung und durch die Beschichtung gezielt eingestellte OI des Werkzeugs derart ausgelegt werden kann, dass sie in einem Beschichtungsprozess bei Substrattemperaturen T < 300 °C und unter einer anschließenden reibungsinduzierten thermischen und zyklischen mechanischen Belastung stabil ist. Die thermische und elastische Stabilität der OI der Werkzeugrandzone sowie der Einfluss der OI der PVD-Beschichtung wird erforscht. Es wird zum einen die OI von Werkzeugrandzonen gezielt eingestellt und anschließend die Werkzeugoberfläche in Hochleistungsplasma-Prozessen beschichtet. Zum anderen erfolgen Untersuchungen der Werkzeugrandzone und Beschichtung, um die Einflüsse der Bearbeitungsprozesse zu analysieren und eine geeignete Verfahrenskombination abzuleiten. Zur Erweiterung der Erkenntnisse wird das Verhalten der OI in einer numerischen Simulation untersucht.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Dr.-Ing. Tobias Brögelmann