Schmiermittelfreie Kaltumformung

Schmiermittelfreie Kaltumformung von Aluminiumblechen

AFM-Aufnahmen einer a-C:H-Schicht nach dem Stand der Technik.
© Fraunhofer IST
AFM-Aufnahmen einer a-C:H-Schicht nach dem Stand der Technik.
© Fraunhofer IST
AFM-Aufnahme der entwickelten a-C:H-Schicht.
Reibzahlverlauf der entwickelten a-C:H-Schichten im schmiermittelfreien Reibkontakt gegen Aluminium EN AW-5083.
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Reibzahlverlauf der entwickelten a-C:H-Schichten im schmiermittelfreien Reibkontakt gegen Aluminium EN AW-5083.

Aluminiumlegierungen werden in zahlreichen Anwendungsfeldern aufgrund des günstigen Verhältnisses zwischen Gewicht und Festigkeit eingesetzt, wobei die Kaltumformung von Blechhalbzeugen am häufigsten Anwendung findet. Aufgrund der starken Adhäsionsneigung von Aluminium müssen zurzeit Schmiermittel eingesetzt werden, um eine ausreichend lange Werkzeuglebensdauer und hohe Bauteilqualitäten erzielen zu können. Hierdurch erhöhen sich nicht nur die Betriebsmittel- und Entsorgungskosten, sondern es sind vielfach auch aufwendige Verfahren zur anschließenden Schmiermittelentfernung erforderlich. Einen Ansatz zur ökonomisch und ökologisch effizienteren Ausgestaltung des Fertigungsprozesses liefert die am Fraunhofer IST entwickelte Werkzeugbeschichtung auf der Basis von amorphem Kohlenwasserstoff (a-C:H).

Aktuelle Werkzeugbeschichtungen

Für die Beschichtung von Werkzeugen für die Kaltumformung von Aluminiumblechen ist eine breite Vielfalt an harten Dünnschichten etabliert. Da aktuell Schmierstoffe zur Adhäsionsreduktion eingesetzt werden, sind diese Werkzeugbeschichtungen nicht nur hinsichtlich eines hohen Widerstands gegen Abrasivverschleiß, sondern auch in Bezug auf eine Anbindung bzw. Wechselwirkung mit den im Schmierstoff enthaltenen Additiven optimiert. Gegenwärtig besteht ein Entwicklungstrend zur Reduktion des Schmierstoffbedarfs, allerdings sind industriell keine Werkzeugbeschichtungen etabliert, die einen vollständigen Schmierstoffverzicht ermöglichen. Selbst diamantähnliche Kohlenstoffschichten (diamond like carbon, DLC) können zum derzeitigen Stand der Technik einen adhäsiven Werkzeugverschleiß nicht komplett verhindern.

Schichtentwicklung

Im Rahmen des Schwerpunktprogramms SPP1676 der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) führt das Fraunhofer IST eine Weiterentwicklung von amorphen Kohlenwasserstoffschichten (a-C:H) durch, mit dem Ziel, die schmiermittelfreie Aluminiumumformung zu realisieren. Im Zuge der Entwicklungen konnte die nanoskopische Oberflächenrauheit als ein maßgeblicher Einflussfaktor auf die Adhäsionsneigung von a-C:H-Schichten nachgewiesen werden. Wie in den nebenstehenden Abbildungen dargestellt, kann durch eine Reduktion der nanoskopischen Oberflächenrauheit ein adhäsiver Schichtverschleiß verhindert und eine niedrige Reibung im schmiermittelfreien Kontakt mit Aluminium erzielt werden. Zur Abscheidung entsprechend glatter a-C:H-Schichtsysteme wurden unterschiedliche Handlungsstrategien, bestehend aus einem optimierten Beschichtungsprozess und einer nachfolgenden Oberflächenbehandlung, entwickelt und für die reale Anwendung qualifiziert.

Ergebnistransfer auf industrielle Umformprozesse

Die Rauheitsanforderungen stellen eine zusätzliche Optimierungsgröße zu den Schichteigenschaften dar, die bisher im Fokus standen, z. B. Härte, Verschleißfestigkeit, Haftung etc. Darüber hinaus spielt die Oberflächengüte des Umformwerkzeugs bei der Übertragung der Entwicklungsergebnisse auf reale Umformprozesse eine wichtige Rolle. Um diesen Anforderungen zu genügen, ist eine ganzheitliche Optimierung des Schicht-Werkzeugverbunds notwendig. Dabei müssen die Auswahl des Werkzeugwerkstoffs, die Fertigung des Werkzeugs, der eigentliche Beschichtungsprozess und die Nachbehandlung der a-C:H-Werkzeugbeschichtung einbezogen werden. Das Fraunhofer IST verfügt über langjährig mit zahlreichen Industriepartnern aufgebaute Erfahrungen zur umfassenden Werkzeugoptimierung. So konnte das schmiermittelfreie Tiefziehen von hochlegierten Aluminiumblechen bereits in ersten Anwendungstests demonstriert werden (vgl. Abbildung oben).

Ausblick

Das Fraunhofer IST plant, die beschriebenen Ergebnisse in der industriellen Fertigung von Aluminiumbauteilen zu implementieren.

 

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