Water as lubricant for high-speed forming by means of LIPSS
Final Report Abstract
Die Erkenntnisse aus den Untersuchungen zur Substituierbarkeit von konventionellen Schmierstoffen bei Mikroumformprozessen durch reines Wasser lassen sich wie folgt zusammenfassen: LIPSS auf den Kontaktflächen von Umformwerkzeugen sind Verschleiß ausgesetzt, welcher der Anwendung der LIPSS als oberflächenfunktionalisierende Struktur in der Umformung entgegenwirkt. Im Weiteren wurden daher vier Ansätze verfolgt, um LIPSS für die Umformung nutzbar zu machen. Beim Laserhärten von LIPSS verändert sich die Geometrie und chemische Zusammensetzung der LIPSS und deren zunächst superhydrophile Eigenschaft verschob sich mit zunehmender Laserleistung hin zu einem hydrophoben, welches einer polierten Oberfläche gleicht. Es muss daher zwischen der Härte der LIPSS und deren Benetzbarkeit abgewogen werden. Aufgrund auftretenden Verschleißes an den gehärteten LIPSS wurde im zweiten Ansatz die Kombination von LIPSS und Dimplen in der Kontaktfläche von Werkzeugen verfolgt. Mit derartig funktionalisierten Werkzeugkontaktflächen und unter Verwendung von reinem Wasser als Schmierstoff wurde in Streifenziehversuchen ohne Umlenkung eine Reduzierung der Reibzahl auf 0.11 bei einer Ziehgeschwindigkeit von 100 mm/s von initial 0.15 bei 1 mm/s erreicht. Der primäre Einfluss liegt dabei bei den Schmiertaschen und nicht den LIPSS. Dadurch ließen sich geringere Reibzahlen erreichen als durch die Kombination von funktionalisierten Werkzeugkontaktflächen und konventionellem Schmierstoff bei herkömmlichen Umformgeschwindigkeiten von 1 mm/s bis 10 mm/s. Im dritten Ansatz wurden LIPSS mit Hartstoffschichten aus DLC und TiN in unterschiedlichen Struktur-Beschichtungsvarianten untersucht. Auf diese Weise wurden die Vorteile beider (hydrophiles Verhalten der LIPSS und Härte der Hartstoffschichten) miteinander kombiniert. So konnten Varianten der Struktur-Beschichtung gleichzeitig die hydrophilen Eigenschaften der LIPSS erhalten und die Reibung und Verschleiß in Stift-Scheibe-Tests reduzieren. Im vierten Ansatz wurden LIPSS mit unterschiedlichen, warmfesten Legierungen kombiniert. Es bilden sich geometrisch und im Benetzungsverhalten den LIPSS auf 1.2379 ähnliche Strukturen aus, die die initiale Härte des Werkstoffs auch nach der Strukturierung mittels Laser aufweisen. Dennoch widerstehen die LIPSS auf den Superlegierungen den in diesem Vorhaben gewählten mechanischen Belastungen nicht und verschleißen. Gleichzeitig liegen hohe Reibzahlen unter Verwendung von Wasser als Schmierstoff vor.
Publications
-
Investigation on water as lubricant in combination with a structured tool surface in micro metal forming. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 967(1), 012005.
Rathmann, L.; Czotscher, T.; Radel, T. & Vollertsen, F.
-
Influence of laser hardening on laser induced periodic surface structures on steel substrates. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 1135(1), 012024.
Rathmann, Lewin & Radel, Tim
-
Laser based process chain to use LIPSS on forming tools. Surface and Coatings Technology, 426, 127761.
Rathmann, Lewin; Beste, Lucas-Hermann & Radel, Tim
-
LIPSS for metal forming tools. PhotonicsViews, 18(5), 14-15.
Rathmann, Lewin & Radel, Tim
-
Friction and wear characterization of LIPSS and TiN / DLC variants. Applied Surface Science, 584, 152654.
Rathmann, L.; Rusche, T.; Hasselbruch, H.; Mehner, A. & Radel, T.
-
On the Use of Water as Lubricant on Laser Structured Tool Surfaces. SSRN Electronic Journal.
Rathmann, Lewin & Radel, Tim
