Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik IST
Verschiedene Oberflächentopographien: geschliffene (links), gestrahlte (Mitte), polierte Oberfläche (rechts).
Funktionelle Einstellung der Oberflächentopographie von Bauteilen und Werkzeugen
Die Anforderungen an technische Oberflächen wachsen stetig und erfordern daher zunehmend die Kombination verschiedenster Oberflächentechniken. Da funktionelle tribologische Oberflächen immer mit Gegenkörpern oder Fluiden interagieren, ist eine anwendungsangepasste Einstellung der Topographie notwendig. Oberflächenbearbeitungsverfahren wie Fräsen, Drehen und Schleifen können jedoch häufig nicht die erforderlichen funktionellen Topographien erzeugen, weshalb bei Werkzeugen oder Bauteilen für hochbelastete tribologische Anwendungen Glättungsverfahren wie Strahlen, Polieren oder elektrochemische Verfahren angewendet werden. Das Fraunhofer IST entwickelt daher Lösungen zur applikationsangepassten Topographieeinstellung mittels Technologiekombinationen und unter Berücksichtigung von Werkstoff-, Diffusions- und Beschichtungstechnologie, Schmierstoffauswahl und Belastungsprofil.
Das Fraunhofer IST kann Ihre Oberflächen gezielt auf die Anwendung abstimmen
Die Oberflächentopographie hat einen wesentlichen Einfluss auf verschiedene Eigenschaften wie z. B. den Reibwert, das Verschleißverhalten wie Abrasion oder Adhäsion, die Schichthaftung, das Korrosionsverhalten, den Glanz und die Erscheinung der Oberfläche. Nur das Zusammenwirken der applikationsspezifisch ausgewählten Technologiekombinationen in Abhängigkeit vom Werkstoffverhalten kann optimale Lösungen für unterschiedliche Anwendungen schaffen.
Nicht nur glänzend ist funktionell
Technische Oberflächen werden häufig aufwendig und kostenintensiv poliert, um vorgegebene Oberflächenkennwerte zu erfüllen. Das Strahlverfahren dagegen ermöglicht es, Oberflächen schnell und kostengünstig zu strukturieren oder auch gezielt Schmiertaschen einzubringen, die einen hydrodynamischen Schmierfilmaufbau unterstützen, um Reibung und Verschleiß zu minimieren. Darüber hinaus verbessern kugelgestrahlte Oberflächen die Schichtanbindung von PVD- oder PACVD-Beschichtungen (PVD, engl. physical vapor deposition / PACVD, engl. plasma-assisted chemical vapor deposition). Aufgebrachte Strukturen können durch verschleißfeste Hartstoffschichten konserviert und somit dauerhafter auf Werkzeugen und Bauteilen eingesetzt werden.
Funktionalisierte gestrahlte Oberfläche mit eingestellter Topographie.
Links: Borierte Oberfläche vor dem automatisierten Polieren, Ra = 1,5 µm, Rz = 8,6 µm; Rechts: nach dem automatisierten Polieren, Ra = 0,28 µm, Rz = 3,0 µm.
Messtechnik für anspruchsvolle Oberflächen
Verschiedene Analysemethoden dienen zur Bestimmung von Rauheit und Topographie der Oberfläche. Am Fraunhofer IST steht eine umfangreiche Messtechnik zur Oberflächenmessung zur Verfügung. Dies sind u. a. taktile und optische Messverfahren, konfokale Laser- und Lichtmikroskopie oder Rasterelektronenmikroskopie (REM) mit integrierter Elementanalyse (EDX).
Digitalmikroskopie zur Analyse von Oberflächen.
Konfokales Lasermikroskop: Analyse von Batteriepartikel.
Strahlanlagen für verschiedenste Strahlmittel
Handstrahlanlage für verschiedenste Strahlmittel.
Das Kugelstrahlen ist ein umweltfreundliches, kostengünstiges und wirtschaftliches Verfahren. Darüber hinaus lässt es sich gut automatisieren und in Arbeitsabläufe der Serienproduktion integrieren. Das Strahlen wird eingesetzt, um Oberflächen zu reinigen oder um gezielt eine gewünschte Oberflächentopographie einzustellen. Mittels unterschiedlicher Strahltechniken wie dem Druck- und Injektorstrahlen können Oberflächen eingeebnet und strukturiert werden. Verwendung finden dabei unterschiedlichste mineralische, metallische und biologische Strahlmittel in abgestuften Korngrößen. Die Strahlmittel haben individuelle Vorteile und können entsprechend des vorliegenden Anwendungsfalls ausgewählt werden. Hierbei kann unterschieden werden zwischen abrasiven Strahlmitteln wie z.B. Siliciumcarbid oder schonenden Strahlmitteln wie Glasperlen.
Mikroskopaufnahme von Siliziumcarbid für den Einsatz als Strahlmittel.
Mikroskopaufnahme von Keramikperlen für den Einsatz als Strahlmittel.
Mikroskopaufnahme von Nussschalen für den Einsatz als Strahlmittel.
Neuartiges Elektropolierverfahren
DryLyte-Anlage zur Hochglanzpolitur von komplexen Geometrien.
Mit dem trockenen Elektropolieren verfügt das Fraunhofer IST über eine neue Technologie zum Oberflächenfinish von metallischen Oberflächen. Mit der DryLyte-Technologie können gleichmäßig polierte Oberflächen erzeugt werden. Im Gegensatz zum klassischen nasschemischen Elektropolieren wird hier ein trockenes Elektrolytgranulat eingesetzt, das nur geringe Spuren von Säuren enthält und somit umweltfreundlicher ist. Das Verfahren eignet sich für verschiedene Werkstoffe, die sowohl im konventionellen als auch im additiv gefertigten Zustand vorliegen können. Beispiele sind Werkzeug- oder Edelstähle, Aluminium und Kupfer, die zusätzlich beschichtet oder plasmanitriert sein können. Mit diesem Verfahren können hohe Oberflächengüten (z. B. Ra ≤ 0,03 µm, Rz ≤ 0,3 µm, Rpk, Rvk ≤ 0,05 µm) oder auch bestimmte Topographien erreicht werden.