Trockenumformung mit lokal angepassten tribologischen Bedingungen

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professorin Dr.-Ing. Marion Merklein; Professor Dr.-Ing. Michael Schmidt; Professor Dr.-Ing. Stephan Tremmel
• Fachliche Zuordnung: Ur- und Umformtechnik, Additive Fertigungsverfahren ; Konstruktion, Maschinenelemente, Produktentwicklung
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 282248914

Die Ergebnisse der ersten beiden Projektphasen zeigen, dass durch den direkten Kontakt beim Trockentiefziehen intensive Wechselwirkungen zwischen der Werkzeugoberfläche und Werkstückoberfläche vorliegen. Ein schmierstofffreies Tiefziehen mit konventionellen Werkzeugen führt abhängig vom Blechwerkstoff zu deutlich höheren Umformkräften, lokalen Verschleißerscheinungen oder frühzeitigem Versagen durch Reißer. Dies motivierte die Entwicklung von reibungsreduzierenden und verschleißreduzierenden sowie stoffflusssteuernden Oberflächenmodifikationen. Als Lösungsansätze wurden in den ersten beiden Projektphasen amorphe Kohlenstoffschichten sowie laserbasierte Oberflächenmodifikationen entwickelt und auf ihr tribologisches Einsatzverhalten untersucht. Während der Einsatz von taC und aC:H Schichten primär der Reibungs- und Verschleißreduktion dient, bietet eine laserbasierte Wärmebehandlung und Mikrostrukturierung der Schichten Möglichkeiten den Materialfluss im Tiefziehprozess zu steuern. Vielversprechende Modifikationen wurden auf Niederhalter und Matrize eines Versuchswerkzeugs zur Umformung von Rechtecknäpfen appliziert. Der Einsatz von taC Schichten bewirkte unter trockenen Bedingungen für verzinkten Stahl und Aluminiumlegierungen eine deutliche Reduzierung der benötigten Umformkraft sowie eine erhöhte Oberflächenqualität der Näpfe im Vergleich zu unbeschichteten Werkzeugen. Somit wurde die prinzipielle Realisierbarkeit des Trockentiefziehens mit den in diesem Forschungsprojekt gewählten Maßnahmen nachgewiesen. Ungeklärt ist jedoch das langfristige, tribologische Einsatzverhalten der modifizierten Werkzeugoberfächen. Das primäre Ziel der dritten Projektphase ist daher, das Einlaufverhalten und das Verschleißverhalten der Oberflächenmodifikationen in Abhängigkeit vom Beanspruchungskollektiv zu analysieren und zu verstehen. Die gewonnenen Erkenntnisse werden genutzt, um die Verschleißbeständigkeit gezielt zu verbessern. Maßnahmen, um den Verschleißwiderstand der Modifikationen zu erhöhen, stehen beschichtungsseitig durch Anpassung des Schichtdesigns und der Beschichtungsparameter zur Verfügung. Ergänzend dazu werden die laserbasierten Maßnahmen in Form einer Wärmebehandlung, Mikrostrukturierung sowie Glättung entwickelt und analysiert. Die Wärmebehandlung der Schichten ermöglicht einen lokalen Abbau von versagenskritischen Eigenspannungen, während die Mikrostrukturen als Reservoir zum Auffangen von Verschleißpartikeln dienen. Durch die Berücksichtigung von anspruchsvollen Halbzeugeigenschaften, die zu erhöhten Prozesskräften sowie Kontakt- und Scherspannungen führen, wird untersucht, ob das Trockentiefziehen mit den vorhandenen Maßnahmen auch in einem breiten Anwendungsgebiet möglich ist.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 1676: Nachhaltige Produktion durch Trockenbearbeitung in der Umformtechnik
• Mitverantwortlich: Professor Dr.-Ing. Sandro Wartzack