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

Fachliche Zuordnung Ur- und Umformtechnik, Additive Fertigungsverfahren
Beschichtungs- und Oberflächentechnik
Förderung Förderung von 2018 bis 2023
Projektkennung Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 392669488
 
Erstellungsjahr 2024

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Die Presshärtetechnologie hat sich als ressourceneffizientes Verfahren zur Verarbeitung höchstfester Stahlwerkstoffe etabliert, um geringere Blechdicken und -gewichte bei gleichbleibender oder erhöhter Bauteilsteifigkeit zu generieren. Aufgrund des kombinierten Umform- und Abschreckprozesses können geometrisch komplizierte Strukturen produziert werden, die Zugfestigkeiten von bis zu 2000 MPa aufweisen. Die hohen Prozesstemperaturen von > 800 °C lassen jedoch nur bedingt den Einsatz von Schmierstoffen zu, was zu erhöhten Reibungs- und Verschleißerscheinungen am Umformwerkzeug führt und folglich mit zeit- und kostenintensiven Wartungsintervallen verbunden ist. Etablierte Verschleißschutzmaßnahmen, wie beispielsweise die Beschichtung oder Strukturierung der Werkzeugtopographie, konnten keinen nachhaltigen ökonomischen und ökologischen Erfolg erzielen. Um die bestehenden Verfahrensgrenzen zu erweitern wurde im Rahmen des Forschungsvorhabens ein innovativer und vielversprechender Ansatz verfolgt, der die Modifikation der Werkzeugoberflächen mittels Laserimplantation vorsieht. Die Technologie der Laserimplantation basiert darin, keramische Hartstoffpartikel anhand gepulster Laserstrahlung in die Werkzeugoberfläche zu dispergieren, infolgedessen kuppelförmige, hochfeste sowie verschleißresistente Strukturen im Mikrometerbereich entstehen. Durch diese Technologie werden die Prinzipien der Randschichtmodifikation und der Oberflächenstrukturierung kombiniert. Um das proklamierte Potenzial systematisch zu analysieren, wurden das Einsatzverhalten unterschiedlicher Hartstoffmaterialien im Implantationsprozess analysiert, das thermo-mechanische und tribologische Verhalten der Strukturen unter Presshärtebedingungen untersucht und Ursache-Wirkzusammenhänge abgeleitet. In diesem Zusammenhang konnten maßgeschneiderte Oberflächenmodifikationen aus verschleißreduzierenden Hartstoffen generiert werden, die an geometrische anspruchsvollen Werkzeuggeometrien in lokal angepassten deterministischen Strukturierungsmuster applizierbar sind. Experimentelle Versuche belegten, das maßgeschneidert laserimplantierte Werkzeuge eine hohe Verschleißbeständigkeit aufweisen und zugleich verringerte Reibkräfte in der Wirkfuge gegenüber konventionelle Werkzeugsyteme hervorrufen. Durch den Transfer des Verfahrens auf ein Demonstratorwerkzeug wurde zudem der Nachweis erbracht, dass eine Steigerung der Bauteilqualität und Verbesserung des Umformverhaltens gegenüber konventionellen Werkzeugsystemen erzielt wird. Das erarbeitete Wissen leistet somit einen wesentlichen Beitrag zur ressourceneffizienten und beanspruchungsgerechten Herstellung pressgehärteter Bauteile, wodurch das Leichtbaupotenzial gesteigert sowie ökonomische respektive ökologische Vorteile in Form von niedrigen Ausschussquoten, höheren Qualitätsgüten und längeren Maschinenstandzeiten erreicht werden.

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