Trockenumformung von Aluminiumlegierungen

Wege zur Trockenumformung von Aluminiumlegierungen

Reibverhalten von a-C:H-Schichten mit und ohne Einlaufschicht gegen Aluminiumbleche aus EN AW-5083.
© Fraunhofer IST
Reibverhalten von a-C:H-Schichten mit und ohne Einlaufschicht gegen Aluminiumbleche aus EN AW-5083.

Die Beherrschung schmierstofffreier Umformprozesse stellt einen Beitrag zur Etablierung von ökologisch und ökonomisch effizienteren Fertigungstechnologien dar. Ein Verzicht auf Schmierstoffe senkt z. B. die Betriebsmittelkosten, macht kostenintensive Anlagen zum Schmiermittelauftrag und zur Bauteilreinigung überflüssig und verkürzt die Produktionszeiten. Als eine der weltweit führenden Institutionen auf dem Forschungsgebiet kohlenstoffbasierter Dünnschichten entwickelt das Fraunhofer IST Schichtsysteme, mit denen sich Trockenumformprozesse von Aluminiumlegierungen realisieren lassen.

Aktuelle Herausforderungen bei der Aluminiumumformung

Aufgrund ihres hervorragenden Gewicht-Festigkeit-Verhältnisses eignen sich Aluminiumlegierungen besonders für die Fertigung gewichtsoptimierter Bauteile, die derzeit vor allem im Automobil- und Luftfahrtsektor sowie dem allgemeinen Maschinenbau gefragt sind. Die starke Adhäsionsneigung von Aluminium gegenüber gängigen Werkzeugwerkstoffen stellt jedoch hohe Anforderungen an Umformtechnologien. Zur Vermeidung eines rapiden Werkzeugverschleißes wird bei der Aluminiumumformung aktuell noch eine hohe Schmierstoffmenge verwendet. Dadurch sinken Wirtschaftlichkeit und Nachhaltigkeit des Fertigungsprozesses erheblich.

Schichtentwicklung

Im Rahmen des Schwerpunktprogramms SPP1676 der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) entwickelt das Fraunhofer IST in einem ersten Schritt antiadhäsive Werkzeugbeschichtungen zur Realisierung einer schmierstofffreien Aluminiumumformung. Amorphe Kohlenstoffschichten (a-C:H) weisen ein hohes tribologisches Eignungspotenzial für schmierstofffreie Gleitkontakte gegen Aluminium auf. Eingesetzt als Werkzeugbeschichtung ermöglichen aktuelle a-C:H-Schichtsysteme jedoch keine Trockenumformung von Aluminiumlegierungen. Ein Hinderungsgrund ist das Einlaufverhalten dieser Schichten, das durch eine hohe Adhäsionsneigung und Reibung gekennzeichnet ist. Dieses Verhalten führt bei Umformprozessen zu einer sofortigen Adhäsionsausbildung und damit verbunden einem Werkzeugausfall vor Überwindung der Einlaufphase. Zur Optimierung des Einlaufverhaltens entwickelt das Fraunhofer IST Einlaufschichten für a-C:H-Werkzeugbeschichtungen. Wie im nebenstehenden Diagramm ersichtlich, weisen anwendungsbezogene Tribometerversuche eine signifikante Reduktion der Adhäsionsneigung und Reibung nach. Dies verdeutlicht die hohen Erfolgsaussichten zur Realisierung von Trockenumformprozessen durch den Einsatz des entwickelten a-C:H-Schichtsystems.

Ausblick

Der Oberflächenzustand einer eingelaufenen a-C:H-Werkzeugbeschichtung kann potenziell über eine gezielte Oberflächenbehandlung eingestellt werden. Zukünftig soll ein Verfahren zur Nachbildung dieses Zustands auf Basis einer plasmachemisch thermischen Behandlung und Strukturierung von a-C:H-Schichten entwickelt werden. Ziel ist es, optimierte a-C:H-Werkzeugbeschichtungen für die Trockenumformung von Aluminiumblechen bereitzustellen.

 

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