Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Steigerung der Standzeiten von Mikroabformwerkzeugen durch den Einsatz laserdispergierter MMC-Werkstoffschichten

Das Ziel ist die Steigerung der erreichbaren Standmenge von Mikroabformwerkzeugen mit höchsten Anforderungen an Präzision durch den Einsatz leicht zerspanbarer Werkstoffe, welche lokal mit einem verschleißfesten und endkonturnahen MMC-Werkstoff beschichtet sind.

Der Lösungsweg beinhaltet die Entwicklung und Anwendung einer Prozessregelung beim Laserdispergieren auf Basis einer ortsaufgelösten emissionskompensierten Temperaturfelderfassung für die Einstellung einer gleichmäßigen Verteilung der Hartpartikel bei einem maximalen Hartpartikelgehalt durch die automatisierte Anpassung der Laserleistung und -dichteverteilung. Um die Zerspanung von Verbundwerkstoffschichten mit Hartpartikeln zu ermöglichen, werden unter Einsatz des neuartigen Schneidstoffs PKD ohne Bindephase applikationsangepasste Geometrien von Mikrofräswerkzeugen erprobt. Diese Werkzeugentwicklung erfolgt in Abstimmung mit ermittelten Zerspanparametern, um sehr hohe Formgenauigkeiten bei einem minimalen Werkzeugverschleiß zu erzielen. Die Validierung der technischen und wirtschaftlichen Vorteile wird anhand von Funktionsmustern vorgenommen. Zu den angestrebten Ergebnissen zählt eine erhöhte Prozesssicherheit in der Abformtechnik, eine Temperaturfeldregelung zum Laserdispergieren für reproduzierbare Hartpartikelverteilungen sowie Werkzeuge und Wissen zum Zerspanen von Verbundwerkstoffschichten.

Der Nutzen für KMU wird durch Senkung der Prozesszeiten und Prozesskosten zur Herstellung von Abformwerkzeugen, durch den Marktzugang des Laserdispergierens in die Mikroabformtechnik und durch die Erweiterung des Nutzerkreises durch Anwendung der Projektergebnisse auf anderweitige industrielle Werkzeuge und Güter mit einer verschleißfesten Oberfläche bei hohen geometrischen Toleranzvorgaben erzielt. Es liegt ein unmittelbarer Nutzen für KMU vor, da die gesamte Prozesskette zur Steigerung der Standzeiten von Mikroabformwerkzeugen von der Herstellung bis zur Anwendung bei diesem geplanten Vorhaben abgebildet wird.

Ergebniszusammenfassung:

In dem Projekt wurde zunächst ein grundlegendes Prozessverständnis über die Herstellung von MMC-Verschleißschutzschichten mittels Laserdispergieren entwickelt. Insbesondere wurde hier der Werkstoff CuAl10Ni5Fe4 mit Hartpartikeln aus Wolframschmelzcarbid verstärkt. Durch die Entwicklung einer Prozessregelung konnten homogene Schichten erzielt werden, welche einen effektiven Verschleißschutz über die gesamte relevante Geometrie ermöglichen. Durch das erarbeitete Wissen über die Parameter des Herstellungsprozesses konnte eine hohe Prozesseffizienz erreicht und ein definierter Hartpartikelgehalt fP sichergestellt werden. Darüber hinaus wurde Basiswissen über den Fräsprozess der MMC-Verschleißschutzschichten, unter Einsatz von binderlosem polykristallinen Diamanten als Schneidstoff, generiert. In ausführlichen Experimenten wurden die wichtigsten Fräsparameter gezielt optimiert und so geeignete Parameterkombinationen für die praktische Schrupp- und Schlichtbearbeitung gefunden. Dabei wurden arithmetische Mittenrauwerte von Ra < 100 nm und Formabweichungen von aF < 10 µm wiederholt erreicht, was hinreichend für viele industrielle Anwendungen ist. Es wurden weiterhin reale Abformwerkzeuge mit MMC-Verschleißschutzschichten hergestellt und auch in Abformtests erfolgreich eingesetzt. Die hergestellten Spritzgussteile entsprachen dabei in ihrer Oberflächengüte konventionell gefertigten. Diese Ergebnisse können von KMUs, welche im Formenbau tätig sind, bei der Konzipierung und Herstellung von Abformwerkzeugen eingesetzt werden. Weiterhin können Fräswerkzeugen mit binderlosem polykristallinen Diamanten als neuartiger Werkzeugtyp zukünftig kommerziell vertrieben werden. Zudem können Lohnfertiger im Bereich der laserbasierten Fertigung die Erkenntnisse bezüglich des Laserdispergierens nutzen, um ihren Prozess zu optimieren bzw. das Laserdispergieren erstmalig zu implementieren und können damit ihr Angebot erweitern.