Neue Materialien und ihre vielen innovativen Einsatzmöglichkeiten sind heute für den Werkzeugbau unentbehrlich geworden. Die Anforderungen an die Eigenschaften aber auch an die Funktionalität der Oberfläche bilden hier die größten Herausforderungen. Um kosteneffiziente Lösungen zu realisieren, wird in der Anwendung eine Integration von Funktionen direkt in den Werkstoff sowie eine Eigenschaftsverbesserung von Bauteilen durch Oberflächenmodifikationen immer wichtiger. Mittels innovativer Beschichtungs- und Bearbeitungsverfahren können heute die Funktionalitäten von Oberflächen für zahlreiche Anwendungen gezielt entwickelt und optimiert werden. Beispiele finden sich im Korrosions- und Verschleißschutz, den sensorischen Eigenschaften oder einer schaltbaren Funktionalisierung.
Innovative Modification of Materials for Wear Reduction of Tooling
Using new materials with their manifold scope for innovation has today become routine for those involved in tool manufacture. Increasing demands made, not only on the properties of surfaces, but also their functionality are among the greatest challenges today. In order to achieve the most cost-effective solution, two approaches are of growing importance. The first is the integration of functionality within the material itself and the second is to improve component performance by modification of its surface. Using innovative coatings and surface finishing processes, it is today possible to develop customised surface functionality for a range of applications. Examples can be found in the fields of corrosion and wear protection incorporating sensor functions or with switchable functionality.
Nähert man sich der Oberfläche eines Gegenstands aus dem Blickwinkel eines Produktdesigners, so ist sie schlicht die erste Ebene der Kontaktaufnahme mit einem potenziellen Kunden. Oberflächen wirken auf der emotionalen Ebene haptisch angenehm oder abstoßend und sind damit in hohem Maße für Kaufentscheidungen ausschlaggebend. Während Produktdesigner ihre Ziele vor allem aus den emotionalen Erwartungen der Endkunden ableiten, haben für Entwickler technischer Oberflächen funktionale Anforderungen sowie die Lösung physikalischer und technischer Fragestellungen Priorität. So stehen in der Medizintechnik Aspekte wie die Biokompatibilität im Vordergrund, in der Motorentechnologie die Reibung und Verschleißfestigkeit, im Automobilinterieur hingegen Faktoren wie Abriebfestigkeit und UV-Beständigkeit. In der Werkzeugtechnik ist insbesondere der Verschleißschutz und hierdurch eine Erhöhung der Standzeiten von großem Interesse.
Vernetzte Oberflächenforschung zur Verschleißreduzierung
Im Werkzeugbau ist der Einsatz von innovativen Schichten zur Verschleißreduktion an Werkzeugen bei komplexen Belastungen ein zentrales Thema geworden. Ein Beispiel wie Unternehmen und Forschungseinrichtungen diese Fragestellung angehen, ist der Forschungsverbund ForLayer. Hier wurden maßgeschneiderte Lösungen zum Verschleißschutz von Werkzeugen der Urform- und Umformtechnik entwickelt, die in vielen Schlüsselindustrien Kernelemente der Produktion darstellen. Im Fokus standen Werkzeuge für die Prozesse Aluminiumguss und Kunststoffspritzguss, Blech- und Kaltmassivumformung und Presshärten. Werkzeuge sind hier hohem Verschleiß ausgesetzt, da mehrere Verschleiß fördernde Mechanismen zusammenwirken. Hierzu zählen hohe Temperaturen und schnelle Temperaturwechsel, aggressive Umgebungsbedingungen oder lokal beziehungsweise temporär stark unterschiedliche mechanisch-tribologische Belastungen. Zudem erhöhen sich mit der Einführung neuer, immer schwieriger zu verarbeitender Werkstoffe und dem Einsatz zunehmend leistungsfähiger Verarbeitungsprozesse die Anforderungen an den Verschleißschutz ständig.
In dem von der bayerischen Forschungsstiftung geförderten Verbund kooperierten fünf Forschergruppen bayerischer Universitäten und Forschungsinstitute mit 21 Industriepartnern. In sechs Teilprojekten wurden Lösungsansätze aus verschiedenen Richtungen der Beschichtungstechnik und der Werkzeugherstellung verfolgt. Der Verbund erforschte und entwickelte die Herstellung und den Einsatz anwendungsangepasster Werkstoffe wie Nanodiamantfolien, ultrafeine Composite, solvothermal veränderte Schichten und Mehrlagenbeschichtungen. Innerhalb von drei Jahren konnten so anwendungsreife Technologien entwickelt werden, die einen deutlich verbesserten Verschleißschutz bieten.
Wie wichtig das Thema Verschleißschutz bei Werkzeugen ist, lässt sich ganz einfach daran erkennen, dass bei den Produktionskosten rund 20 % auf die Werkzeugtechnik entfallen. Lösungen für einen verbesserten Verschleißschutz ergeben enorme Einsparpotenziale. Wie vielfältig die Möglichkeiten bei der Oberflächenmodifikation im Zusammenspiel mit der Werkzeugherstellung sind, zeigt sich an den Schwerpunkten des Forschungsverbundes ForLayer. Von der Entwicklung hybrider Fertigungsverfahren zur integrierten Herstellung und Beschichtung von hoch beanspruchten Werkzeugen und Bauteilen über Rapid-Tooling-Werkzeuge mit optimierten Verschleißschutzschichten durch solvothermale Prozesse hin zu Schichten für den Verschleißschutz auf Basis von maßgeschneiderten hartstoffhaltigen Metallen und flexiblen höchstfesten Verschleißschutzfolien aus Nanodiamant. Dazu kommen Werkzeugbeschichtungssysteme zur Verbesserung der tribologischen Bedingungen beim Presshärten und anwendungsangepasste Mehrlagenbeschichtungen für Kaltmassivumformformwerkzeuge.
Neben zahlreichen wissenschaftlichen und industrierelevanten Erkenntnissen, die im Abschlussbericht des Bayerischen Forschungsverbundes ForLayer Moderne Beschichtungen zum Verschleißschutz von Werkzeugen nachzulesen sind, konnten auch drei Patente beziehungsweise Patentanmeldungen aus dem Forschungsverbund eingereicht werden: die nanokristalline Diamantfolie, die sich auf Stahl und Kunststoff applizieren lässt, der Einsatz der solvothermalen Behandlung zur Verbesserung von thermisch gespritzten Keramikschichten und die Entwicklung eines Multimaterialauftragsystems bei der generativen Fertigung von Werkzeugen mittels selektiven Laserschmelzens, bei dem gleichzeitig konventionelle und hochverschleißbeständige Werkstoffe im Aufbauprozess verarbeitet werden.
Innovative Beschichtungstechnologien für maßgeschneiderte Eigenschaften (Quelle: InnCoa)
Thermisch gespritzte Schichten für Werkzeuge
Insbesondere die thermisch gespritzten Schichten sind von industriellem Interesse, da sie auch auf relativ komplexe Geometrien kostengünstig und großflächig aufgebracht werden können und eine Vielzahl an Werkstoffkombinationen zulassen. Einen sehr guten Verschleißschutz bieten Oberflächen aus Keramik. Allerdings weisen keramische Schutzschichten eine Restporosität und eine schwache Bindung zum Grundsubstrat auf, was ihren Anwendungsbereich und ihre Lebensdauer einschränkt. Genau hier setzte ein Teilprojekt von ForLayer an. Die Partner Gerresheimer Wilden GmbH, KUKA Roboter GmbH, Fruth GmbH und Otto Spanner GmbH zusammen mit der Ludwig-Maximilians-Universität München und dem ATZ Entwicklungszentrum nutzen thermische Prozesse um optimierte Verschleißschutzschichten bei Werkzeugen zu entwickeln.
Ziel war es, solvothermale Prozesse als Nachbehandlung einzusetzen und hierdurch die Nachteile einer keramischen Schicht auszugleichen. Solvothermale Prozesse bewirken Umlagerungsvorgänge im Übergangsbereich zwischen Metallsubstrat und keramischer Schutzschicht. Dabei rekristallisiert die Keramik mit einem dichteren Gefüge, gleichzeitig wird die Haftung mit der Substratoberfläche durch die Ausbildung chemischer Bindungen verbessert. Eine solche Eigenschaftsverbesserung konnte bei keramischen yittriumstabilisierten Zirkonoxid-Schutzschichten mit einer Zwischenschicht aus einer Nickellegierung nachgewiesen werden. Hier führte eine solvothermale Behandlung zu einer Reduzierung der Mikroporosität der thermisch gespritzten Schicht sowie zu einer Härteerhöhung und einer verstärkten Haftfestigkeit. Es ergaben sich deutlich verbesserte mechanische und tribologische Eigenschaften und eine erhöhte Thermowechselfestigkeit der Schichtsysteme.
Thermisch gespritzte Schichten – im Bild eine Plasmaspritzanlage – können kostengünstig und großflächig auch auf komplexe Geometrien aufgebracht werden und lassen eine Vielzahl an Werkstoffkombinationen zu (Quelle: Fraunhofer UMSICHT – ATZ)
Die aus dem Projekt gewonnenen Erkenntnisse können sowohl für konventionell aufgebrachte Schutzschichten als auch für das so genannte Spray-Metal-Tooling eingesetzt werden. Bei diesem Verfahren wird die thermisch gespritzte Schicht in eine Negativform eingebracht und anschließend mit einer Hinterfütterung versteift. Das entstehende Werkzeug besitzt bereits seine endgültige Geometrie und kann direkt eingesetzt werden. Die solvothermale Behandlung zur Verbesserung der Schutzschicht kann unmittelbar nach der Beschichtung oder nach Fertigstellung des Werkzeugs erfolgen. Den Partnern gelang es, ein weltweit einzigartiges Verfahren zu entwickeln und patentieren zu lassen, bei dem die solvothermale Behandlung zur Optimierung von oxidkeramischen Schichten eingesetzt wird. Mit den Ergebnissen könnten eine Erhöhung der Standzeiten und erhebliche Kosteneinsparungen bei der Werkzeugfertigung und der Lagerhaltung realisiert werden.
Synthetische Diamanten für die Optimierung von Werkzeugfunktionalitäten
Ein weiteres hervorragendes Beispiel für eine Optimierung der Funktionalitäten von Werkzeugoberflächen sind synthetische Diamanten. Sie werden aufgrund ihrer sehr großen Härte, einer hohen chemischen Inertheit und einer hohen Wärmeleitfähigkeit heute für eine Vielzahl von industriellen Anwendungen wie etwa bei Verschleißschutzschichten oder bei optischen Fenstern genutzt. Die Herstellung von synthetischen Diamanten erfolgt zum einen klassisch durch die Umwandlung von Graphit bei hohen Drücken bis zu sechs Gigapascal und hohen Temperaturen von über 1500 °C. Zum anderen ist es seit den 1980iger Jahren möglich, synthetische Diamantschichten mittels Chemical Vapour Deposition (CVD) wirtschaftlich herzustellen. Mit den Möglichkeiten dieser Technologie beschäftigen sich Dr. Stefan Rosiwal und seine Mitarbeiter am Lehrstuhl für Werkstoffkunde und Technologie der Metalle an der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg. Ihre Forschungsergebnisse zeigten, dass das Aufbringen von kristallinen Diamantschichten auf den im Pumpenbau eingesetzten Siliziumkarbid-Gleitringdichtungen die Reibung und den Verschleiß erheblich reduziert. In einem Feldversuch konnte gezeigt werden, dass bei der Förderung von Öl aus Ölsandfeldern nach dem steam assissted gravity drainage-Verfahren durch die Nutzung der diamantbeschichteten Gleitringdichtungen die Standzeit der Pumpe von etwa zwei Wochen auf über sechs Monate möglich war.
Härteste Halbzeugfolie der Welt. Die nanokristalline Diamantfolie ist flexibel und kann für eine Diamantbeschichtung auf beliebigen Substraten genutzt werden (Quelle: WMT FAU, Erlangen–Nürnberg)
Eine Schwierigkeit bei diesem Beschichtungsverfahren ist die hohe Beschichtungstemperatur von etwa 800 °C. Zusammen mit der für die Abscheidung benötigten Wasserstoffatmosphäre sorgt dies für eine sehr hohe Beanspruchung des Substratwerkstoffs. Nur wenige Werkstoffe, wie beispielsweise Hartmetalle, Titan, Niob oder Siliziumcarbid, kommen für eine Diamantbeschichtung mittels CVD in Frage. Damit gaben sich die Forscher jedoch nicht zufrieden, sondern stellten sich die Frage, wie diese herausragenden Eigenschaften solcher Diamantschichten auch auf empfindlichere Grundwerkstoffe appliziert werden können. Im Teilprojekt DiaFol von ForLayer gingen sie zusammen mit ihren Partnern Demag Ergotech GmbH, Frank Präzision GmbH, Hilti AG, Rösler Oberflächentechnik GmbH und der Telsonic Ultrasonic GmbH völlig neue Wege. Sie trennten die Herstellung der Diamantschicht und der Applikation auf dem Substrat. So erzeugten sie mittels des Heißdraht-CVD-Prozesses die Diamantfolien auf Siliziumwafer oder Kupferfolie als Templat und nicht direkt auf dem zu beschichtenden Bauteil. Die im Projekt genutzten Folien hatten eine Schichtdicke von etwa 50 Mikrometer und einen Durchmesser von etwa 140 Millimeter. Die so erhaltenen Nanodiamantfolien stehen als flexibles Halbzeug für eine Diamantbeschichtung auf beliebigen Substraten zur Verfügung, da keine extremen Belastungen bei der Aufbringung auf den Substratwerkstoffen mehr vorhanden sind.
Es ist aufgrund ihrer herausragenden mechanischen Festigkeit, die weltweit festeste und härteste Halbzeugfolie entstanden. Das Aufbringen der Folien auf die zu schützenden Werkzeugoberflächen kann durch Kleben erfolgen. Dies führt dazu, dass bei moderaten Belastungen ein vollständiger Verschleißschutz erreicht werden kann.
Erfolgsrezept: Vernetzen und Querdenken
Vernetzen und querdenken sind wichtige Eigenschaften, um erfolgreich im Verbund zusammenzuarbeiten und zu forschen. Auch in der Netzwerkarbeit zählen diese Eigenschaften, um eine zielgerichtete und projektorientierte Arbeit zu leisten. Hierfür steht der Cluster Neue Werkstoffe und seine Arbeit in sieben Themenfeldern – vom metallischen Leichtbau über die Faserverbundwerkstoffe bis hin zur Oberflächentechnik. Gerade im Bereich der Oberflächentechnik stehen immer die Anwendung und die hiermit verbunden Herausforderungen im Vordergrund. Nur so können die verschiedenen Verfahren, von der PVD über die CVD bis hin zum thermischen Spritzen oder der Galvanotechnik anwendungsspezifisch eingesetzt und weiterentwickelt werden, für den Verschleiß- und Korrosionsschutz oder auch für Easy-to-clean-Oberflächen.
Die Forderung nach immer effizienteren und kostengünstigeren Prozessen sowie immer kürzeren Produktlebenszyklen erhöht den Innovationsdruck. Querdenken und Innovation durch Kooperation sind hier Strategien, die Innovationsprozesse beschleunigen können und für die der Cluster Neue Werkstoffe steht. Der Cluster bietet ein umfassendes Leistungsspektrum an Veranstaltungen, individuellen Projektdienstleistungen und Marketingaktivitäten für seine Akteure und zur Stärkung der bayerischen Werkstoffkompetenzen an.
DOI: 10.7395/2013/Rauch1
