Trockenumformen niedriglegierter Stahlwerkstoffe durch Vollvorwärtsfließpressen mit selbstschmierender Werkzeugbeschichtung und strukturierten Halbzeugen

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Thomas Bergs, seit 7/2019; Professorin Dr.-Ing. Kirsten Bobzin
• Fachliche Zuordnung: Ur- und Umformtechnik, Additive Fertigungsverfahren
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 282309791

Aus ökologischer und ökonomischer Sicht sowie aufgrund von legislativen Restriktionen wird der Ansatz verfolgt, auf Schmierstoffe während des Vollvorwärtsfließpressens (VVFP) zu verzichten. Dies führt zu einer erhöhten Reibung und damit verbunden zu einem erhöhten Verschleiß im Tribosystem. Daher muss das Tribosystem über Modifikationen von Werkstück und Werkzeug angepasst werden. Dies ist mithilfe von Oberflächenstrukturierungen des Werkstücks und einer Beschichtung des Werkzeuges, der sogenannten Matrize möglich. Vor diesem Hintergrund wurde in der ersten Förderperiode des Forschungsvorhabens der Einfluss von strukturierten Halbzeugoberflächen und selbstschmierenden Werkzeugbeschichtungen im System (Cr,Al)N+XS2 (X = Mo, W) auf die Reibschubspannung untersucht. Die Ergebnisse wurden in der zweiten Förderperiode auf den einschultrigen trocknen VVFP übertragen. Eine Übertragbarkeit der Erkenntnisse des einschultrigen VVFP auf das mehrschultrige VVFP ist bislang nicht erforscht, da die tribologischen Randbedingungen sowie mechanischen Lasten zum einen signifikant erhöht sind und zum anderen deutlich von denen deseinschultrigen VVFP abweichen. Darüber hinaus lassen sich entlang der Längsachse der Matrize Bereiche mit unterschiedlichen tribologischen Anforderungen identifizieren. Des Weiteren ist noch nicht untersucht worden, ob der bisherige Ansatz, Werkzeugmatrizenungeteilt zu beschichten, aufgrund der sich entlang der Längsachse zweischultriger Matrizen ändernden tribologischen Randbedingungen ausreichend ist. Das übergeordnete Ziel der dritten Förderphase ist daher die Erstellung eines Erklärungsmodells des trockenen mehrschultrigen VVFP, das die Verschleißentstehung unter Verwendung von strukturierten Halbzeugoberflächen in Wechselwirkung mit selbstschmierenden Werkzeugen in Abhängigkeit der zeitlichen und örtlichen tribologischen Randbedingungen abbildet. Hierfür werden die tribologischen Randbedingungen sowie der Werkzeugverschleiß beim mehrschultrigen, trockenen VVFP unter Berücksichtigung ausgewählter Oberflächenintegritäten am Werkzeugmaschinenlabor (WZL) durch experimentelle und simulative Untersuchungen beschrieben. Am Institut für Oberflächentechnik (IOT) erfolgt die Weiterentwicklung der bestehenden selbstschmierenden Hartstoffschicht (Cr,Al)N+XS2 (X = Mo oder W), hergestellt im Hybridverfahren dcMS/HPPMS (direct current- / High Power Pulsed Magnetron Sputtering), hin zu sich den Beanspruchungskollektiven entlang der Längsachse des Werkzeuges anpassenden Schichtsystemen. Zwei Beschichtungskonzepte werden verfolgt, einerseits die Beschichtung von ungeteilten und andererseits die Beschichtung von axial segmentierten Matrizen. Anschließend wird anhand von Praxistests das für das VVFP geeignetere Konzept identifiziert. Durch die enge Zusammenarbeit zwischen WZL und IOT wird zum Abschluss der dritten Förderperiode erstmalig eine wirtschaftliche Trockenumformung mittels des mehrschultrigen Fließpressens möglich sein.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 1676: Nachhaltige Produktion durch Trockenbearbeitung in der Umformtechnik
• Mitverantwortlich: Dr.-Ing. Patrick Mattfeld
• Ehemaliger Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Fritz Klocke, bis 6/2019