Das Industrieforum für Oberflächen und Randzoneneigenschaften SMART Surfaces

Oberflächen 05. 09. 2022
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Im Industrieforum SMART Surfaces beschäftigen sich Wissenschaftler vom Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen (IFW) der Leibniz Universität Hannover mit der Erweiterung der Bauteileigenschaften durch eine funktiona­lisierte Oberfläche und Randzone. Gemeinsam mit Unternehmen aus den Bereichen Fertigungstechnik, Messtechnik und Beschichtungstechnik arbeiten die Forschenden des IFW in einem vorwettbewerblichen Konsortium an der Leistungssteigerung von Bauteilen aus einem breiten industriellen Spektrum.

Oftmals werden zur Auslegung von ­Bauteilen lediglich klassische Oberflächeneigenschaften herangezogen, weil nicht bekannt ist, welche Möglichkeiten eine erweiterte Betrachtung der gesamten Randzone schafft. Die Auslegung und Fertigung von Oberflächen- und Randzoneneigenschaften lässt sich aber nur dann funktionsorientiert und wirtschaftlich realisieren, wenn die Zusammenhänge von Herstellungsprozess, Bauteileigenschaften und Beurteilung funktionalisierter Oberflächen und Randzonen allen Beteiligten bekannt sind und verstanden wurden.

Mit der ganzheitlichen Betrachtung von diversen Oberflächen- und Randzoneneigenschaften erforschen die Wissenschaftler des IFW, wie diese Zusammenhänge gezielt für industrielle Anwendungen genutzt werden können. Im Industrieforum SMART Surfaces werden Grundlagenkenntnisse über die Zusammenhänge zwischen Oberflächen und Randzoneneigenschaften und Bauteil-Performance auf die konkreten Herausforderungen der Mitgliedsunternehmen ­angewendet. Der Begriff Performance umfasst hierbei eine Vielzahl an möglichen Eigenschaften, die durch die Fertigungsverfahren verbessert werden.

In den aktuellen Projekten wird die Steigerung der Bauteil-Performance bei verschiedenen Schlüsseltechnologien untersucht. Ein Anwendungsbeispiel ist die Brennstoffzelle. Durch den Einsatz von unterschiedlichen maschinellen Feinbearbeitungsverfahren konnte der Kontaktwiderstand von Graphit-Compound-Bipolarplatten reduziert werden. Durch die im Industrieforum SMART Surfaces optimierten Fertigungsprozesse konnten Oberflächendefekte auf den Bipolarplatten, die bei dem Einsatz von konventionellen Werkzeugen entstehen, reduziert werden.

Ein weiterer aktueller Themenschwerpunkt ist der Aufbau einer beschichtungsangepassten Prozesskette für additiv gefertigte Bauteile, die mittels selektivem Laserschmelzen (SLS) hergestellt wurden. Hierbei wird der Einfluss verschiedener Fertigungsverfahren wie das Kurzhubhonen, das Festwalzen, das Erodieren sowie die Laserablation auf sto­chastische Oberflächen von Bauteilen thematisiert. Insbesondere die geringe Wandstärke sowie der hohe Freiheitsgrad der Oberflächen additiv gefertigter Bauteile stellen hier hohe Anforderungen an Fertigungsverfahren. Durch die unterschiedlichen Oberflächenmorphologien, die durch die oben genannten Fertigungsverfahren bereitgestellt werden, resultieren unterschiedlich ausgeprägte Schichthaftungen. Im Rahmen der Untersuchungen wird eine optimale Schichthaftung durch die mechanische Bearbeitung eingestellt.

Darüber hinaus beschäftigt sich der Arbeitskreis SMART Surfaces mit der mechanischen Bearbeitung thermisch gespritzter Schichten zur Optimierung der Oberflächentopografie. Die eingesetzten Beschichtungen werden in der Motorentechnik eingesetzt, um eine Effi­zienzsteigerung in der Verbrennung sowie die Verschleißbeständigkeit der Kolbengruppe zu ermöglichen. Die Beschichtungen sollen eine hohe Porosität für die thermische Isolation bei gleichzeitig möglichst ­geringer Rauheit aufweisen. Dies ist nur durch eine Feinbearbeitung nach dem thermischen Spritzen möglich. Im Projekt werden Bearbeitungsmöglichkeiten untersucht und Prozessparameter optimiert.

Welche Auswirkungen bereits kleinste Abweichungen der Prozesseinstellgrößen bei den Fertigungsverfahren Festwalzen und Kurzhubhonen auf die Oberflächen- und Randzoneneigenschaften haben, wird durch die Untersuchung der Sensitivität von Randzoneneigenschaften ermittelt. Da die Oberflächen- und Randzoneneigenschaften über das Einsatzverhalten beziehungsweise die Lebensdauer von Bauteilen entscheiden, ist ein gezieltes Einstellen von oberflächennahen und tiefwirkenden Eigenspannungszuständen erforderlich. Die Kenntnis des Einflusses von geringen Abweichungen der Prozesseinstellgrößen auf die untersuchten Eigenschaften bietet das Potenzial einer Zeit- und Kostenersparnis.

Weitergehende Informationen über das Industrieforum SMART Surfaces und dessen Projekte erteilt gerne Christian Wege vom Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen (IFW) der Leibniz Universität Hannover (E-Mail: wege@ifw.uni-hannover.de).Chr. Wege

(© IFW)

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