Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Ultraschallgestützte Nachbehandlung thermisch gespritzter Schichten

Thermisch gespritzte Schichten weisen herstellungsbedingt eine mehr oder weniger starke Porosität, eine markante Oberflächenrauheit, zumeist sehr hohe inhärente Zugspannungen und relativ geringe Haftfestigkeiten auf. Da die meisten technischen Anwendungen eine glatte Oberfläche mit hoher Maßhaltigkeit voraussetzen, ist eine mechanische Nachbearbeitung notwendig. Diese ist relativ aufwendig, da hohe Bearbeitungskräfte zu vermeiden sind. Verfahren zum mechanischen Verdichten, wie Rollieren und Kugelstrahlen, sind vielfach praxisuntauglich, da sie mit einer hohen Schichtbelastung einhergehen, eine hohe Substratstabilität voraussetzen und nur eingeschränkt lokal fokussiert anwendbar sind. Den genannten Problemen soll durch ein innovatives Nachbearbeitungsverfahren, der Ultraschallbehandlung (US), begegnet werden, welche bislang nicht industriell für Spritzschichten eingesetzt wird. Mit Hilfe der US-Technologie wird die Schichtporosität verringert (Verdichten und Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit), die spritzraue Schicht wird eingeebnet (Glätten zur Substitution des Zerspanens) und es erfolgt auf Basis der Kaltverformung eine Erhöhung der Versetzungsdichte (Materialverfestigung). Es werden Zugeigenspannungen minimiert und gezielt in Druckeigenspannung überführt, was die Haftfestigkeit steigert und das Langzeitverhalten der Beschichtung, insbesondere unter Wechselbelastung verbessert (Risshemmung). Im Projekt erfolgt eine ganzheitliche Prozesskettenentwicklung unter Berücksichtigung der nachbearbeitungsgerechten Schichtherstellung, der praxistauglichen Appliktion der US-Technik und dem Aspekt der Qualitätssicherung. KMU profitieren von gesteigerter Bauteilperformance, verbesserter Maßhaltigkeit, können preiswertere niederkinetische Spritzverfahren einsetzen (da Schichten nachverdichtet werden) und erschließen neue Anwendungsfelder, da empfindliche Bauteile mittels US-Verfahren nachbearbeitbar sind (bspw. beschichtete FVK und filigrane Leichtbaustrukturen)

Ergebniszusammenfassung:

Im Rahmen des Projekts wurde die Ultraschalltechnologie (US) für die Bearbeitung von thermisch gespritzten Schichten weiterentwickelt und qualifiziert. Für drei wichtige, industrierelevante Schichtwerkstoffe Kupfer, Zink und Edelstahl (AISI316L) wurden sehr gute Bearbeitungsresultate erzielt. Die Schichten werden stark verdichtet, geglättet und in Bezug auf ihren Eigenspannungszustand verbessert. Für die Flächen- und Radienbearbeitung wurden jeweils angepasste US-Werkzeuge entwickelt und erfolgreich erprobt, was die Praxisrelevanz der Ergebnisse deutlich erhöht. Die Werkzeuge wurden für zwei Demonstratoranwendungen, Gravurwalzen und Turbinenschaufeln, genutzt. Anhand der Walzen wurden Standweguntersuchungen mit dem US-Werkzeug durchgeführt und für die Schaufelbearbeitung wurde eine Konzept zur Vorschubsteuerung und ein Qualitätssicherungskonzept entwickelt. Mehrwerte für KMU sind die geringe Verfahrenskosten (<20.000 € für ein komplettes US-Werkzeug), die gute Implementierbarkeit in bestehende Anlagen (CNC-Dreh- und Fräsmaschinen wurden getestet), die sehr gute Automatisierbarkeit, deutlich verbesserte Oberflächeneigenschaften von TS-Schichten, die Möglichkeit zur Substitution spanabhebender Verfahren (Verbesserung der Ressourceneffizienz), Verbesserung der Langlebigkeit hochwertiger Wirtschaftsgüter (tribologisch oder korrosiv belastete Bauteile und Maschinen). Um die industrielle Akzeptanz für die US-Technologie weiterführend zu verbessern und die Normungsarbeit zu unterstützen, erfolgten aufwendige vergleichende Betrachtungen zu alternativen mechanischen Bearbeitungsverfahren für TS-Schichten (d.h. Feindrehen, Schleifen und Rollieren). Anwendungsfelder für die Ultraschallbearbeitung finden sich in allen Bereichen, in denen TS-Schichten bereits eingesetzt werden, wie bspw. im Maschinenbau (bspw. Lagersitze, Gleitflächen), Druck- und Papierindustrie (Walzenbeschichtung), Energietechnik (Turbinenschaufeln, Korrosionsschutz von Windkraftanlagenkomponenten).