SPP 1676: Nachhaltige Produktion durch Trockenbearbeitung in der Umformtechnik
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die Produktionstechnik steht in der Pflicht, die nachhaltige Nutzung von Rohstoffen und Ressourcen in allen Bereichen der Herstellung umzusetzen. Deshalb ist das übergeordnete Ziel des Schwerpunktprogramms 1676 die Etablierung einer nachhaltigen Umformtechnik und es gilt, Wege aufzuzeigen zur Realisierung einer „schmierstofffreien Fabrik“ mit einer Verringerung von Abfallprodukten, dem Verzicht auf umweltgefährdende Stoffe sowie dem effizienten Einsatz von Ressourcen. Der zentrale Beitrag des Schwerpunktprogramms besteht in der Schaffung von neuen schmierstofffreien Umformverfahren sowie der Adaption relevanter Technologien mit dem Ziel, der schmierstofffreien Fabrik näherzukommen. Beim schmierstofffreien Umformprozess kommt es zu einer intensiven Wechselwirkung zwischen Werkstück- und Werkzeugoberflächen. Diese Wechselwirkungsprozesse, die zum Werkzeugversagen oder der Verkleinerung der Prozessfenster führen, müssen verstanden werden und eine Reduktion der Beanspruchung durch prozesstechnische Maßnahmen oder eine Erhöhung der Beanspruchbarkeit der Werkzeuge beispielsweise durch Oberflächenmodifikation herbeigeführt werden. Das Schwerpunktprogramm widmet sich deshalb der Schaffung neuartiger Werkzeuge, Umformprozesse und Methoden, um den tribologischen Herausforderungen gerecht zu werden. Beleuchtet wurden dabei die zwei großen Themen Blechumformung und Massivumformung. Inhaltlich wurden ganz unterschiedliche Ansätze verfolgt: Makro- und Mikrostrukturierung der Werkzeuge, erstmals aber auch eine Mikrostrukturierung der Werkstücke selbst. Dünne Schichten und funktionale Beschichtungen wurden als Verschleißschutz und Schmierstoffersatz beforscht, flüchtige Schmiermedien eingesetzt und thermoelektrische Ströme genutzt. Mit diesen Ansätzen konnte der Verkleinerung der Prozessfenster erfolgreich entgegengewirkt werden. In einigen Fällen wurden diese sogar deutlich erweitert, was keineswegs erwartbar war. Einen eher überraschenden Weg zur Trockenumformung eröffnete beispielsweise die Strukturierung der Werkzeug- und Werkstückoberflächen. Damit konnte in mehreren Projekten gezeigt werden, dass eine intermittierende Berührung von Werkzeug und Werkstück oftmals zu besseren tribologischem Verhalten im Vergleich zu glatten Oberflächen führt. Die im Bereich der Massivumformung erreichten Ergebnisse waren aufgrund der im Vergleich zur Blechumformung höheren Belastungen bei der Massivumformung ebenfalls nicht erwartbar. Die Ergebnisse des Schwerpunktprogramms 1676 belegen eindrucksvoll, dass eine Trockenbearbeitung in der Umformtechnik vielfach möglich ist. Dazu müssen jedoch abhängig von der lokalen Beanspruchung und der Werkstoffpaarung unterschiedliche Maßnahmen ergriffen werden. Für beispielhafte Prozesse und Werkstoffpaarungen liegen diese grundlegenden Erkenntnisse jetzt vor. Es ergeben sich Anwendungsperspektiven in verschiedenen Bereichen, so dass die Umformtechnik der Vision einer schmierstofffreien Fabrik näherkommt.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- DE102013115005.3: Verfahren zum Erzeugen einer oxidierten Oberfläche einer Metalllegierung, insbesondere Bauteilen, und solche Bauteile
Holländer, Möhwald, Maier, Neumann, Behrens
- A compression-torsion-wear test achieving contact pressures of up to eight times the initial flow stress of soft aluminium, in: CIRP Annals 64, Vol. 1, 2015
Teller, M.; Bambach, M; Hirt, G.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.cirp.2015.04.086) - DE102016114450.9: Verfahren zum Oberflächenbeschichten eines Bauteils sowie Beschichtungseinrichtung zur Durchführung des Verfahrens
Maier, Holländer, Wulff, Behrens, Yilkiran
- In situ incorporation of silicon into a CVD diamond layer deposited under atmospheric conditions. Diamond and Related Materials 65 (2016) S. 47‑52
Prieske, M.; Vollertsen, F.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.diamond.2016.01.021) - Lubricant free deep drawing process by macro structured tools, CIRP Annals Manufacturing Technology 65, 253–256, 2016
Brosius, A. Mousavi, A.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.cirp.2016.04.060) - Incremental dry forging - Interaction of W-DLC coatings and surface structures for rotary swaging tools, Procedia Manufacturing, Vol. 8, 541-548, 2017
Hasselbruch, H.; Herrmann, M.; Mehner, A.; Zoch, H.-W.; Kuhfuß, B.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.promfg.2017.02.069) - On the correlation between thermoelectricity and adhesive tool wear during blanking of aluminum sheets, International Journal of Machine Tools & Manufacture, Vol. 118-119, S. 91-97, 2017
Tröber, P.; Weiss, H.A.; Kopp, T.; Golle, R; Volk, W.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.ijmachtools.2017.03.005) - On the influence of Seebeck coefficients on adhesive tool wear during sheet metal processing, CIRP Annals - Manufacturing Technology, Vol. 66, 2017, S. 293-296
Tröber, P.; Demmel, P.; Hoffmann, H.; Golle, R.; Volk, W.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.cirp.2017.04.116) - Wear behaviour of thermally oxidised tool surfaces as low-friction separation layers for dry sheet metal forming, in: Wear Vol. 376 – 377 Part B S. 1789 – 1803, 2017
Yilkiran, D.; Wulff, D.; Almohallami, A.; Özkaya, F.; Bouguecha, A.; Hübner, S.; Möhwald, K.; Maier, H. J.; Behrens, B.-A.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.wear.2017.01.084) - Effect of contact area on friction force in sheet metal forming operations, 8th ICTMP in Elsinore, Denmark, 2018. https://www.scientific.net/KEM.767.77
Mousavi, A.; Sperk, T.; Gietzelt, T.; Kunze, T.; Lasagni, A.; Brosius, A.
(Siehe online unter https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/KEM.767.77) - Investigation of tribological behaviour of a-C:H coatings for dry deep drawing of aluminium alloys, in: Tribology International, Volume 118, February 2018, Pages 484-490, 2018
Zhao, R.; Steiner, J.; Andreas, K.; Merklein, M.; Tremmel S.
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Zahedi, E.; Woerz, C.; Reichardt, G.; Umlauf, G.; Liewald, M.; Barz, J.; Weber, R.; Foerster, D.J.; Graf, T.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1051/matecconf/201819014007) - Reducing Abrasive Particle Generation in Dry Rotary Swaging by Utilizing DLC Hard Coated Dies, MATEC Web of Conferences, Volume 190, 11/12, p. 14011, 2018
Böhmermann, F.; Herrmann, M.; Riemer, O.; Kuhfuß, B.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1051/matecconf/201819014011) - Tribological Behavior of Carbon Based Coatings Adapted to Lubricant-free Forming Conditions, in: International Journal of Precision Engineering and Manufacturing-Green Technology, Volume 5, 361–367, 2018
Tenner, J.; Zhao, R.; Tremmel, S.; Häfner, T; Schmidt, M.; Merklein M.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1007/s40684-018-0038-1) - Tribological studies on self-lubricating (Cr,Al)N+Mo:S coatings at elevated temperature, Surface & Coatings Technology 353 (2018) 282-291
Bobzin, K.; Brögelmann, T.; Kruppe, N.C; Hoffmann, D.C; Klocke, F.; Mattfeld, P.; Trauth, D.; Hild, R.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2018.06.067) - Analysis of wear phenomena during forward extrusion under dry friction conditions, Wear 426-427 (2019) 1362-1370
Hild, R.; Bergs, T.; Mattfeld, P.; Trauth, D.; Klocke, F.; Hoffmann, D.C.; Kruppe, N.C.; Brögelmann, T.; Bobzin, K.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.wear.2019.01.127) - Friction and wear performance of different carbon coatings for use in dry aluminium forming processes. Surface and Coatings Technology 357 (2019), S. 1048-1059
Prieske, M.; Hasselbruch, H.; Mehner, A.; Vollertsen, F.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2018.10.103) - Interaction of methane concentration and deposition temperature in atmospheric laser-based CVD diamond deposition on hard metal, in: Coatings 9, 537 (2019), S. 1-10
Prieske, M.; Müller, S.; Woizeschke, P.
(Siehe online unter https://doi.org/10.3390/coatings9090537) - Lubricant-free deep drawing using CO2 and N2 as volatile media injected through laser- drilled microholes, Manufacturing Review 6, 11 (2019) 1-11
Zahedi, E.; Woerz, C.; Reichardt, G.; Umlauf, G.; Liewald, M.; Barz, J.; Weber, R.; Foerster, D.J.; Graf, T.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1051/mfreview/2019011) - Reducing adhesive wear in dry deep drawing of high-alloy steels by using MMC tool, Manufacturing Review 6, 12 (2019) 1-12
Freiße, H; Ditsche, A; Seefeld, T.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1051/mfreview/2019004) - Surface structuring by laser remelting of 1.2379 (D2) for cold forging tools in automotive applications, in: Journal of Laser Application 31, 022017, 2019
Temmler, A.; Comiotto, M.; Roß, I.; Kuepper, M.; Liu, D. M.; Poprawe, R.
(Siehe online unter https://doi.org/10.2351/1.5070077) - Dry sheet metal forming of aluminum by smooth DLC coatings – a capable approach for an efficient production process with reduced environmental impact, in: Procedia Manufacturing Volume 43 (2020), S. 642-649
Abraham T., Bräuer G., Flegler F., Groche P., Demmler M.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.promfg.2020.02.140) - Influence of sheet metal texture on the adhesive wear and friction behaviour of EN AW-5083 aluminum under dry and starved lubrication, in: Tribology International Volume 141, January 2020, 105956
Flegler, F.; Neuhäuser, S. & Groche, P.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.triboint.2019.105956) - Local laser particle fusion: Fusing of hard particles for the reduction of high contact pressures in MMC tool surfaces in: JOM 2020
Ditsche, A; Seefeld, T.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1007/s11837-020-04190-9) - Numerical simulation of the abrasive wear behavior of selectively oxidized α- Fe2O3 oxide layers on tool steel surfaces, in: JOM 2020
Schöler, S.; Kock, C.; Özkaya, F.; Nowak, C.; Möhwald, K.; Behrens, B.-A.; Maier, H.J.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1007/s11837-020-04172-x) - Picosecond-laser polishing of CVD-diamond coatings with-out graphite formation, in: Materials Today: Proceedings (2020)
Prieske, M.; Vollertsen, F.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.matpr.2020.01.283)
