Ziel der Entwicklung
Im industriellen Einsatz gilt es, bei hoch beanspruchten Bauteilen, z.B. in Getrieben, bei Lagern und Führungen, in Umformprozessen oder bei der Zerspanung den Verschleiß deutlich zu reduzieren. Unternehmen aus der Luftfahrt-, Automobil-, Energie- und Medizintechnik sehen sich dabei aber zunehmend mit Werkstoffen wie Nickelbasislegierungen, rostfreien Stählen oder Titanlegierungen konfrontiert, die hohen Verschleiß beim Einsatz sowie ein starkes Adhäsionsverhalten aufweisen.
Konventionelle reibungsmindernde Hartstoffschichten stoßen dabei an ihre Grenzen. Es bestehen Nachteile hinsichtlich thermischer und mechanischer Beständigkeit sowie Materialadhäsion, die zu hohen Bearbeitungszeiten und Werkzeugkosten führen. Für eine wirtschaftliche Fertigung ist eine Reduktion der hohen mechanischen und thermischen Belastungen bei den tribologischen Beanspruchungen nötig.
Der wirtschaftliche Impuls für das Vorhaben entstand somit aus der Forderung nach Werkzeuglösungen, die einerseits hohe Verschleißbeständigkeit zeigen, andererseits ein verbessertes tribologisches Verhalten (weniger Adhäsion, geringere Reibung) bei einem stabilen Bearbeitungsprozess aufweisen. Insbesondere kleine und mittelständische Werkzeughersteller signalisierten einen unmittelbaren Bedarf an Beschichtungen, die eine bessere Performance bieten, ohne dass umfassende Investitionen in neue Fertigungstechnologien notwendig werden müssen.
Damit adressierte das Projekt ein zentrales industrielles Problem: die wirtschaftlichen Verluste, die durch kurze Standzeiten, häufige Werkzeugwechsel, fehlerhafte Bauteile und ineffiziente Bearbeitungsparameter entstehen.
Vorteile und Lösungen
Im Projekt wurde ein neuartiger Ansatz entwickelt, um die Leistungsfähigkeit von Werkzeugbeschichtungen in mechanisch und tribologisch hochbelasteten Fertigungsprozessen (z.B. Umformen) zu erhöhen. Der zentrale Lösungsweg basiert auf der gezielten Einlagerung von diamantartigen Strukturen in Hartstoffschichten, um deren tribologisches Verhalten und Verschleißmechanismen zu beeinflussen. Durch diese Modifikation entsteht eine Funktionserweiterung der Schichten, die über rein mechanische Optimierung hinausgeht und insbesondere die Reibung zwischen Werkzeug und Werkstück reduziert. Dies führt zu stabileren Prozessen und einer geringeren Belastung des Werkzeugs.
Erreicht wurde dieses Ziel durch die Kombination verschiedener diamantartiger Strukturen (DLC) mit unterschiedlichen Stützschichten, wie bspw. Nanocomposites und Multikomponentenschichten. Es konnten neue PVD-Schichten entwickelt werden, die hybrid mittels gleichzeitigem Arc- und Sputter-PVD abgeschieden werden. Umfangreiche Analysen und Einsatztests beim Gewindeformen unter extremen Belastungen (hohe Prozesskräfte und Momente) bestätigen die Leistungsfähigkeit der neuen hybriden Schichten.
Z u den wesentlichen Entwicklungsschritten zählen die Erarbeitung einer Decklage mit diamantartigen Strukturen, die Auswahl geeigneter Stützschichten, die Optimierung der Schichtabscheidung und Schichteigenschaften mittels einer Beschichtungssimulation und die Einsatzuntersuchungen beim Gewindeformen.
Die Untersuchungen zeigten, dass die neuen Schichten mit einer CrTiN- Grundschicht und einer hybrid abgeschiedenen diamantartigen ta-C Decklage zu einer Steigerung der Werkzeuglebensdauer führen. In unterschiedlichen Werkstoffen (1.7225, 1.4301) und mit unterschiedlichen Werkzeuggeometrien konnten Standzeitsteigerungen um bis zu 50% gegenüber der jeweiligen Referenz erreicht werden.
Der entwickelte Lösungsansatz bietet damit eine klar nachvollziehbare und für Anwender relevante Verbesserung. Die neuen Schichten tragen dazu bei, Werkzeugstandzeiten zu erhöhen, Prozesse zu stabilisieren und die Bearbeitungskosten zu senken. Da weder komplexe Spezialtargets noch außergewöhnliche Prozessparameter erforderlich sind, lassen sich die Beschichtungen ohne große Anpassungen in bestehende industrielle Anlagen integrieren. Somit entsteht eine technisch robuste und wirtschaftlich attraktive Lösung für Unternehmen, die Werkzeuge in anspruchsvollen Hochtemperaturprozessen einsetzen.
Zielgruppe und Zielmarkt
Die Analyse der Applikationsmöglichkeiten für die mittelständische Industrie zeigt, dass Zielmärkte und Anwendungsfelder in der Luftfahrt-, Automobil-, Energie- und Medizintechnik liegen. Die entwickelten multifunktionalen Beschichtungen, können in allen Industriebereichen eingesetzt werden, in denen eine geringe Reibung notwendig ist, aber auch hohe thermische und / oder hohe mechanische Belastungen vorliegen. Dort haben die Schichten ein hohes Marktpotenzial. Mögliche technische Anwendungen liegen im Ur- und Umformen, dem Zerspanen und in der Getriebe- und Lagertechnik.
Anwender profitieren von den neuen Schichtsystemen durch verlängerte Werkzeugstandzeiten, reduzierte Ausschussraten und Prozessoptimierungen, wodurch sowohl Produktivität als auch Wirtschaftlichkeit gesteigert werden können. Um die erfolgreich entwickelte Lösung in den industriellen Einsatz zu transferieren, sind mit potenziellen Anwendern und Herstellern der Werkzeugindustrie und dem Werkzeug- und Formenbaus die Schichten für den jeweiligen Anwendungsfall zu qualifizieren. Hierfür ist eine Weiterentwicklung der Beschichtung und eine Erweiterung des Einsatzprofils auf Anwendungsfälle mit unterschiedlichen Werkzeuggeometrien und höheren thermischen und mechanischen Lasten nötig.
Der Transfer der Forschungsergebnisse erfolgt auf mehreren Ebenen. Werkzeughersteller und Beschichtungsdienstleister können die entwickelten Schichtsysteme direkt in ihren Produktionsprozessen einsetzen, während die GFE Schmalkalden e. V. als gemeinnützige Forschungseinrichtung zusätzlich Know-how, Musterbeschichtungen und Applikationsentwicklung bereitstellt. Präsentationen auf Fachmessen (z. B. Schmalkalder Werkzeugtagung und Plansee Seminar), Publikationen in Fachzeitschriften, Vorträge in Arbeitskreisen sowie die Einbindung in bestehende Branchennetzwerke oder regionale Cluster ermöglichen eine gute Verbreitung der Ergebnisse.
