Laserimplantation an Presshärtewerkzeugen zur Beeinflussung der tribologischen und thermischen Eigenschaften im Prozesseinsatz

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Dr.-Ing. Kai Hilgenberg; Professorin Dr.-Ing. Marion Merklein
• Fachliche Zuordnung: Ur- und Umformtechnik, Additive Fertigungsverfahren ; Beschichtungs- und Oberflächentechnik
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 392669488

Wesentliche Entwicklungsziele der Automobilindustrie stellen sowohl die Einhaltung von Sicherheits- und Emissionsvorschriften als auch die stetige Reduzierung des Kraftstoffverbrauches dar. Im Zuge dessen hat sich das Presshärteverfahren zur ressourceneffizienten Verarbeitung von höchstfesten Stahlwerkstoffen im Karosserieleichtbau etabliert. Die fehlerfreie Produktion wird jedoch durch Reibung und Verschleiß aufgrund hoher thermo-mechanischer Werkzeugbelastungen und fehlender Schmierstoffsysteme limitiert. Als Lösungsansatz wird in diesem Forschungsvorhaben eine Modifikation der Werkzeugoberfläche mittels Laserimplantation angestrebt, um in hochbelasteten Umformbereichen die thermischen, mechanischen und tribologischen Wechselwirkungen in der Wirkfuge nachhaltig zu beeinflussen. In diesen Zusammenhang konnten innerhalb der ersten Projektphase sowohl tribologisch höchstbelastete Werkzeugbereiche identifiziert, als auch Anforderungsprofile an die Implantatgeometrie anhand von numerischen Modellen abgeleitet werden. Analog dazu wurden geeignete Hartstoffe ausgewählt, sowie deren Wechselwirkung zwischen Laserparametern und Implantateigenschaften analysiert. Experimentelle Versuchsdurchführungen belegten zudem, dass laserimplantierte Werkzeuge eine hohe Verschleißbeständigkeit aufweisen und zugleich verringerte Reibkräfte aufgrund der Limitierung der wahren Kontaktfläche sowie der reduzierten chemischen Affinität in der Wirkfuge generieren. Durch den Transfer des Verfahrens auf eine Werkzeuggeometrie im Labormaßstab wurde schließlich der Nachweis erbracht, dass eine Steigerung der Bauteilqualität und Verbesserung des Umformverhaltens erreicht wurde. Basierend auf den numerischen Ergebnissen zeigte sich jedoch, dass maximale tribologische Beanspruchungen an geometrisch anspruchsvollen Werkzeuggeometrien verzeichnet werden, die bis dato aufgrund fehlender Implantationsstrategien und mangelnder Kenntnisse der (Wirk-)zusammenhänge nicht anforderungsgerecht laserimplantiert werden können. Es wird erwartet, dass eine gezielte Strukturierung der höchstbeanspruchten Werkzeugbereiche eine weitere signifikante Verbesserung des tribologischen Einsatzverhaltens induziert. Hierzu müssen innerhalb einer zweiten Projektphase weiterführende Analysen hinsichtlich variierender Beanspruchungskollektive veranlasst werden, um funktionale Beziehungen zwischen Oberflächeneigenschaften, Reib- und Verschleißverhalten ableiten zu können. In diesem Zusammenhang werden Implantate aus verschleißreduzierenden Hartstoffkombinationen und daraus zusammengesetzte, für spezifische Belastungsfälle lokal maßgeschneiderte Strukturierungsmuster angestrebt, welche nachfolgend anhand anspruchsvoller Bauteilgeometrien im Labor- und industrienahen Maßstab qualifiziert werden. Durch diese Vorgehensweise wird ein vertiefendes Verständnis hinsichtlich des tribologischen Verhaltens unterschiedlicher Hartstoffmaterialien und Strukturanordnungen in höchstbelasteten Werkzeugbereichen geschaffen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen