Entwicklung eines Reibmodells zur Charakterisierung des temperatur-, relativgeschwindigkeit- und kontaktnormalspannungsabhängigen Verhaltens an der Glas-Form-Grenzfläche beim Präzisionsblankpressen (FriPGM)

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Thomas Bergs
• Fachliche Zuordnung: Ur- und Umformtechnik, Additive Fertigungsverfahren
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 456107969

Präzisionsblankpressen (Precision Glass Molding, PGM) ist ein Fertigungsprozess, welcher traditionelle spanende Verfahren, wie das Schleifen und Polieren, bei der Herstellung von hochpräzisen optischen Komponenten ersetzt. Beim PGM wird eine Glaskugel erwärmt und anschließend in Hartmetallwerkzeugen unter inerter Atmosphäre gepresst. Thermische Schrumpfung während des Abkühlens führt zu geometrischen Abweichungen des gepressten Teils. Abweichungen werden derzeit in einem Trial-and-Error-Verfahren kompensiert, welches die Konstruktion, Fertigung und Erprobung mehrerer Werkzeuge erfordert. Finite-Elemente (FE)-Simulationen des PGM-Prozesses ermöglichen die Vorhersage der Formabweichung und damit eine Verringerung der Entwicklungskosten für Werkzeuge in der Prozessauslegungsphase. Ein bestimmender Faktor für die Formabweichung in PGM-Prozessen ist die Reibung. Nach Stand der Technik wird in der Modellierung von PGM-Prozessen Coulombsche Reibung angenommen. Diese lässt jedoch die Abhängigkeit des Reibungskoeffizienten von Kontaktnormalspannung, Relativgeschwindigkeit und Grenzflächentemperatur außer Acht. Kalibrierung und Implementierung eines Reibmodells, welches die genannten Parameter berücksichtigt, ermöglicht eine genauere Vorhersage der Form des Fertigteils und verringert somit die Notwendigkeit des Trial-and- Error-Verfahrens weiter. Das übergreifende Ziel dieses Antrags ist die Verbesserung der Formvorhersage bei FE-Simulationen des PGM-Prozesses durch ein umfassendes Reibmodell für den Glas-Form-Kontakt, welches Kontaktnormalspannung, Relativgeschwindigkeit und Grenzflächentemperatur berücksichtigt. Das Ziel der ersten Phase ist die Untersuchung der Ursache-Wirkung-Zusammenhänge zwischen den genannten Parametern und dem Reibungskoeffizienten an der Glas-Form-Kontaktfläche unter atmosphärischen Bedingungen. Es wird X15CrNiSi25-21 anstelle von Hartmetall als Formwerkstoff gewählt, um Oxidationseffekte bei hohen Temperaturen zu vermeiden. N-BK7 Borosilikat-Glas wird als gängige Glassorte beim PGM-Prozess ausgewählt. Auf Basis der Versuchsergebnisse wird ein Reibmodell für das Kontaktpaar Glas-Stahl aufgestellt. Das Ziel der zweiten Phase ist die Erweiterung des Reibmodells auf den Glas-Hartmetall-Kontakt unter Inertgas sowie die Validierung des Modells anhand eines realen PGM-Prozesses. Um das Ziel der ersten Phase zu erreichen, werden Reibungskoeffizienten bei verschiedenen Kontaktnormalspannungen, Relativgeschwindigkeiten und Grenzflächentemperaturen im Stift-Zylinder-Tribometer untersucht. Der Zylinder wird hierbei aus Warmarbeitsstahl, der Stift aus Glas gefertigt. Um die Kräfte aufgrund der Deformation des Zylinders zu kompensieren, wird ein FE-Modell des Tribometerversuchs aufgestellt. Mithilfe der kompensierten Reibungskoeffizienten wird dann ein Reibmodell in Abhängigkeit der genannten Parameter kalibriert. Das Modell wird abschließend anhand eines PGM-Prozesses mit Stahl-Werkzeugen und einer NBK7 Glaskugel validiert.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen