Grundlagenuntersuchungen zur simulativen Auslegung und wissensbasierten Herstellung PVD-beschichteter Zerspanwerkzeuge für die Drehbearbeitung

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Dr.-Ing. Benjamin Bergmann, seit 11/2024; Professorin Dr.-Ing. Kirsten Bobzin
• Fachliche Zuordnung: Spanende und abtragende Fertigungstechnik
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 451388596

Wesentliche Treiber für die Entwicklung innovativer Werkzeug- und Technologiekonzepte sind der Einsatz neuer, hochfester Werkstoffe sowie das Bestreben nach höherer Wirtschaftlichkeit. Die Steigerung der Produktivität geht hierbei oftmals mit einer Erhöhung der thermomechanischen Werkzeugbeanspruchung einher. Zur Erhöhung der Leistungsfähigkeit von Zerspanwerkzeugen hat sich daher innerhalb der letzten Jahrzehnte der Einsatz von Beschichtungen etabliert und gehört zum Stand der Technik. Die Vielfalt der Prozesse hinsichtlich der Werkzeugbeanspruchung erfordert jedoch Werkzeugkonzepte mit anwendungsspezifischen Eigenschaftsprofilen. Der Stand der Forschung sowie eigene Vorarbeiten der Antragssteller belegen, dass die Leistungsfähigkeit beschichteter Zerspanwerkzeuge durch das gezielte prozess- und materialangepasste Einstellen der Schneidkantenmikrogeometrie und der Schichteigenschaften signifikant gesteigert werden kann. Sowohl Beschichtung als auch Schneidkantenmikrogeometrie beeinflussen hierbei die resultierende thermomechanische Werkzeugbeanspruchung, wodurch für eine belastungsangepasste Auslegung die Betrachtung des Gesamtsystems und die Identifizierung der auftretenden Wechselwirkungen erforderlich sind. Aktuell existieren keine Erkenntnisse, die eine Auslegung der Schichteigenschaften unter Berücksichtigung der Schneidkantenmikro-geometrie ermöglichen. In der Herstellung von PVD-Beschichtungen stellt insbesondere das wissensbasierte Einstellen spezifischer Eigenschaftsprofile weiterhin eine große Herausforderung seitens der Forschung und der Beschichtungsindustrie dar. Möglichkeiten zur gezielten Modifikation der Schichteigenschaften bieten hier entsprechende Vor- und Nachbehandlungen. Deren Einfluss auf den Eigenspannungstiefenverlauf in Wechselwirkung mit weiteren Schichteigenschaften, wie beispielsweise der Schichtdicke, ist bisher nicht hinreichend bekannt. Das Ziel des beantragten Vorhabens ist daher die Verfügbarkeit grundsätzlicher Erkenntnisse über den Wirkzusammenhang zwischen den Schichteigenschaften, wie Schichtmorphologie und -dicke, der Schneidkantenmikrogeometrie und den resultierenden Verschleiß- und Versagensphänomenen bei der Drehbearbeitung im kontinuierlichen und insbesondere im unterbrochenen Schnitt. Diese Erkenntnisse dienen der Entwicklung und Validierung einer simulationsbasierten Auslegungsmethode für PVD-beschichtete Hartmetallwerkzeuge mit angepasster Schneidkantenmikrogeometrie. Ferner werden im Rahmen der Schichtcharakterisierung Kenntnisse über den Einfluss der Prozesskette zur Herstellung beschichteter Zerspanwerkzeuge auf die resultierenden Eigenschaften Verbundes Beschichtung/Substrat generiert. Somit liegt die Originalität dieses Vorhabens in der Entwicklung eines Simulationsmodells zur Auslegung beschichteter Zerspanwerkzeuge mit angepasster Schneidkantenmikrogeometrie für den unterbrochenen Schnitt sowie die Herleitung von Wissen über deren Herstellung.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Großgeräte: High Temp. Sample Heating Stage
• Gerätegruppe: 8490 Sonstige Oefen und Wärmegeräte (außer 840-848)
• Mitverantwortlich: Dr.-Ing. Tobias Brögelmann
• Ehemaliger Antragsteller: Professor Dr. Bernd Breidenstein, bis 11/2024