SFB 708 - At a Glance


Mit thermisch gespritzten Schichten auf dem Weg zu verschleißbeständigen Umformwerkzeugen

von Wolfgang Tillmann und Jan Nebel, Lehrstuhl für Werkstofftechnologie, TU Dortmund.

Umformwerkzeuge für die Blechumformung müssen einer Vielzahl funktionaler, aber auch ökonomischer Anforderungen entsprechen. So sollen die Werkzeuge nicht nur eine lange Lebensdauer aufweisen, sondern auch kostengünstig und effizient hergestellt werden können. Diesen Herausforderungen stellt sich der Sonder­­forschungsbereich 708 der TU Dortmund. Hier werden auf Basis des Thermischen Spritzens neue Konzepte zur Herstellung konturgetreuer und verschleißfester Umformwerkzeuge für die Blechumformung entwickelt.

Unter dem Titel «3D-Surface Engineering für Werkzeugsysteme der Blechformteilefertigung» wird die gesamte Prozesskette der Werkzeugfertigung, vom theoretischen Modell bis hin zum beschichteten Umformwerkzeug, abgebildet. Interdisziplinär wird die praktische Umsetzung durch eine durchgängige Prozesssimulation begleitet. Dazu arbeiten die Projektpartner aus der Mathematik, Informatik und Statistik im Forschungsverbund des SFB 708 eng mit den Experten der Zerspanung, Beschichtung und Umformtechnik zusammen.

 

Herausforderung Freiformfläche

Höchste Maß- und Formgenauigkeit ist die Anforderung für jedes tiefgezogene Blechwerkstück in der Automobilindustrie. So ist die Einhaltung der Passform für den reibungslosen Zusammenbau ebenso wichtig, wie die optischen Eigenschaften sichtbarer Oberflächen (z. B. Motorhaube oder Fahrertür). Das Umformwerkzeug für die Formgebung dieser Blechteile muss daher ebenfalls eine hohe Oberflächengüte besitzen und konturgenau gefertigt sein.

Insbesondere die Herstellung von komplexen Umformwerkzeugen mit kombinierten Flächen, Rundungen, Kanten und Ecken (z. B. A-Säule) ist ein zeit- und kostenintensiver Prozess. Die Herausforderung liegt hier in der Freiformfläche, die nicht geometrisch beschreibbar und nur mit Spezialwerkzeugen auf High-Tech-Maschinen zu fertigen ist. Vom Design des CAD-Modells bis zur Fertigstellung des endgültigen Umformwerkzeugs vergehen daher üblicher Weise mehrere Monate. Umso ärgerlicher ist es, wenn das Umformwerkzeug frühzeitig verschleißt und ausgetauscht werden muss. Denn daraus resultieren Maschinenstillstand, Lieferengpässe und vor allem Kosten. 

Durch die im PKW zunehmend verwendeten hochfesten Stahlbleche (z. B. Dualphasenstähle) entstehen besonders hohe Werkzeug-
beanspruchungen. Hier werden in Zukunft an die Belastungen angepasste und beanspruchungsoptimierte Tiefziehwerkzeuge benötigt.


Umformwerkezuge mit verbesserten Verschleiß- und Reibungseigenschaften

Seit 2007 wird im Forschungsverbund des SFB 708 daran gearbeitet, eine neue Technologie von Umformwerkzeugen zu schaffen, die durch eine verschleißbeständige Hartstoffbeschichtung optimal an die Umformaufgabe angepasst ist. Basis hierfür ist das Thermische Spritzen.

Mit Hilfe des Thermischen Spritzens können die Oberflächen der Werkzeuge gezielt auf die jeweiligen Bedürfnisse angepasst und auf die Belastungen beim Umformungsprozess eingestellt werden. Die Lebensdauer der beschichteten Umformwerkzeuge liegt dabei deutlich über der von konventionellen Werkzeugen aus Stahl. Darüber hinaus können, aufgrund des geringen Werkzeugverschleißes, verbesserte und gleichbleibende Reibungseigenschaften sowie eine hohe Oberflächengüte für eine lange Einsatzzeit gewährleistet werden.

Der Spritzprozess für die Beschichtung der Oberfläche lässt sich gezielt an die Erfordernisse anpassen. Werkstoffe mit individuell gewünschten Eigenschaften, wie z. B. einem besonders hohen oder auch geringen Reibungskoeffizienten können ausgewählt werden. Härte, Verschleißbeständigkeit und Korrosionsverhalten lassen sich durch die Oberflächenbeschichtung gezielt verändern. Das Thermische Spritzen bietet damit eine neue Flexibilität für die Herstellung von Umformwerkzeugen.


Optimierung mit Hilfe durchgängiger Prozesssimulation

Trotz den vielen Vorteilen stellt insbesondere die endkonturnahe Beschichtung von komplexen freigeformten Geometrien eine besondere Herausforderung dar, denn: Aufwendige und kostenintensive Nachbearbeitungen in Form von Schleifen und Polieren müssen vermieden werden. Auch ist die Möglichkeit der Nachbearbeitung auf die Schichtdicke der Thermischen Spritzschicht (150 ‑ 300 µm) begrenzt. Umso wichtiger ist eine durchgängige und verlässliche Prozesssimulation von der Entwicklung und Herstellung des Umformwerkzeugs bis hin zur eigentlichen Simulation des Umformprozesses. 

 

Abbildung 2: Zielsetzung des SFB 708 - Schnelle durchgängige Erzeugung von verschleißfesten Umformwerkzeugen für die Blechumformung

Um eine ganzheitliche Betrachtung der Prozesskette zu ermöglichen, werden im Rahmen des SFB 708 die Kompetenzen verschiedener Fachbereiche zusammengeführt. Ingenieur- und Methodenwissenschaftler aus den Bereichen Maschinenbau, Mathematik, Informatik und Statistik arbeiten gemeinsam daran, neue Methoden der Prozesssimulation zu schaffen, und die Algorithmen mit experimentellen Versuchsdaten abzugleichen und weiterzuentwickeln. Ziel ist es, die Entwicklungs- und Herstellungszeit der Umformwerkzeuge deutlich zu verkürzen. Korrekturschleifen bei der Herstellung des Werkzeugs, wie z. B. die Nacharbeit falsch konstruierter oder ungenau gefertigter Werkzeuge, sind dabei durch die Simulation der Einzelprozesse und der gesamten Prozesskette weitestgehend auszuschalten.  

 

Thermisches Spritzen - Forschungsansatz mit Potential

Der Oberbegriff des Thermischen Spritzens umfasst eine Reihe verschiedener Beschichtungsverfahren, die sich durch unterschiedliche Eigenschaften auszeichnen. Neben der Wirtschaftlichkeit der Verfahren sind dabei vor allem die charakteristischen technologischen Eigenschaften wie z. B. die herstellbare Schichtqualität, -härte oder Verschleißbeständigkeit bei der Auswahl des geeigneten Verfahrens entscheidend.

Im SFB 708 werden drei unterschiedliche Ansätze bei der Auswahl der geeigneten Beschichtung bzw. Prozesse untersucht, um die gestellten Anforderungen: Endkonturnahe Beschichtung, komplexe Geometrien und angepasste Schichteigenschaften für die Blechumformung zu erfüllen, Abbildung 3.


Abbildung 3: Auf unterschiedlichen Wegen zu verschleißbeständigen Umformwerkzeugen

 Der 1. Ansatz «Effizienz» basiert auf dem Lichtbogenspritzen, das sich als kostengünstiges und wirtschaftliches Beschichtungsverfahren besonders für die Beschichtung großflächiger Bauteile etabliert hat. Nachgeschaltet wird hier ein Walz- und Schleifprozess, um die hohe Oberflächengüte des Umformwerkzeuges zu gewährleisten.

Der 2. Ansatz «Endkontur» nutzt das Hochgeschwindigkeitsflammspritzen (HVOF), welches sich insbesondere durch eine exzellente Schichtqualität auszeichnet. Dieses Verfahren bietet die Möglichkeit feinste Pulver gezielt zu verarbeiten, um so möglichst glatte, dichte und endkonturnahe Oberflächen zu erhalten. Die Nacharbeit der beschichteten Oberfläche reduziert sich dabei auf ein Minimum.

Der 3. Ansatz «Hybrid» beschreibt eine vollkommen neue Fertigungsmethode innovativer Umformwerkzeuge. Es handelt sich dabei um die Herstellung hybrider Werkzeuge aus einer verschleißfesten Spritzschicht mit einem faserverstärkten Polymerhinterguss. Mittels Lichtbogenspritzen wird dazu eine Negativform beschichtet. Diese wird anschließend mit flüssigem Kunststoff hintergossen. Nach dem Aushärten wird der Verbund aus Hartstoffschicht und Kunststoff aus der Form gelöst. Eine weitere Nacharbeit des Umformwerkzeugs ist nicht erforderlich. Die Methode eignet sich damit insbesondere für die schnelle und ressourcenschonende Herstellung von Modell- und Prototypenwerkzeugen mit kurzer Fertigungszeit und hoher Geometrieflexibilität.

 

Forschungsansatz «Effizienz»

Das Lichtbogenspritzen, bei dem elektrisch leitende Werkstoffe verspritzt werden, hat sich bereits in vielen Indu­strie­zweigen als günstiges und zuverlässiges Beschichtungsverfahren etabliert. Es zeichnet sich durch eine einfache Anwendung, geringe Investitionskosten sowie durch einen hohen Wirtschaftlichkeit aus. Auch der kompakte Anlagenaufbau kann als Vorteil betrachtet werden. Zudem sind Beschichtungswerkstoffe in Drahtform meist günstiger als Pulver und besser zu verarbeiten. Der Forschungsansatz «Effizienz» nutzt die wirtschaftlichen Vorteile des Lichtbogenspritzens, um die aufgetragenen Hartstoffschichten effektiv und effizient auf der Werkstoffoberfläche abzuscheiden. Nach der Beschichtung folgt ein robotergestützter Walzprozess, der die Oberflächeneigenschaften weiter verbessert. Dabei werden die Rauheitsspitzen der Beschichtung eingeebnet und die Maß- und Formgenauigkeit des Werkzeugs erhöht.

Durch einen inkrementellen Walzprozess lassen sich die Schichten zusätzlich texturieren und somit deren Eigenschaften weiter verbessern und funktionalisieren. Neben Texturen, die den Blechwerkstoff-Fluss im Umformprozess gezielt beeinflussen, können dabei auch gewünschte Druckeigenspannungen in die Spritzschicht eingebracht werden. Dadurch können im Allgemeinen die Verschleißeigenschaften der Beschichtung weiter verbessert und die Werkzeuglebensdauer gesteigert werden.

Die Simulation des inkrementellen Walzprozesses liefert wiederum wertvolle Informationen über die mikrostrukturellen Eigenschaftsänderungen der Spritzschicht von der Oberfläche bis tief in den Werkstoff. Validiert mit experimentellen Messdaten können durch die Simulation realitätsgetreue Vorhersagen gemacht werden, bevor der eigentliche Beschichtungs- oder Walzprozess durchgeführt wird. Zeit- und kostenintensive Nacharbeiten am Umformwerkzeug werden vermieden.

Reicht die erzielte Oberflächengüte oder Konturtreue nach dem Walzprozess an eng tolerierten Wirkflächen des Umformwerkzeugs nicht aus, wird die Oberfläche der Spritzschicht durch einen zusätzlichen Schleifprozess nachbearbeitet. Mit Diamant- oder CBN-Schleifstiften wird die Oberfläche in punkto Maß- und Formgenauigkeit auf die Umformaufgabe vorbereitet. Durch die geringfügige Nacharbeit, bei der nur wenige Mikrometer abgetragen werden, bleiben die Druckeigenspannungen aus dem Walzprozess erhalten.

 

Forschungsansatz «Endkontur»

Der zweite im SFB 708 untersuchte Forschungsansatz baut auf dem, ebenfalls in der Industrie weit verbreiteten, Hochgeschwindigkeitsflammspritzen (HVOF) auf. Dabei werden die Partikel mit sehr hoher Geschwindigkeit auf den zu beschichtenden Grundwerkstoff gespritzt. Die Geschwindigkeit im Überschallbereich ermöglicht die Erzeugung besonders porenarmer Hartstoffschichten mit einer geringen Oberflächenrauheit sowie einer guten Schichthaftung. Durch die Verwendung sehr feiner Spritzpulver mit Partikeldurchmessern < 10 µm wird in nur einem Prozessschritt nahezu die Endkontur des Umformwerkzeugs erreicht. In Zahlen ausgedrückt, bietet das HVOF-Spritzen feiner Spritzpulver konturgenaue Schichten mit < 1 % Porosität und einen Mittenrauwert Rz < 3 µm. Eine mechanische Nachbereitung der Schichten ist nur in geringem Maße erforderlich und reduziert sich auf das Oberflächenfinish. Dadurch bietet der HVOF-Prozess eine enorme Aufwandsverringerung, Kosten- und Zeitersparnis bei garantiert höchster Oberflächengüte und Maßgenauigkeit.

Eine wissenschaftliche Herausforderung bei der Erzeugung endkonturgetreuer Beschichtungen ist die Anpassung des Spritzverfahrens an die komplex geformte Bauteilgeometrie des Umformwerkzeugs. So muss die Spritzpistole mit einem Roboter exakt auf berechneten Bahnen über die Oberfläche des komplex geformten Umformwerkzeugs geführt werden. Bei der Bahnplanung sind dabei auch Randbedingungen einzubeziehen, die scheinbar wenig mit dem eigentlichen Beschichtungsprozess zusammenhängen. Beispiel hierfür ist die Dynamik des Roboters, die bereits im Vorfeld in Simulationen zu berücksichtigen ist.

 

Forschungsansatz «Hybrid»

Der dritte Forschungsschwerpunkt für die Herstellung von verschleißbeständigen Umformwerkzeugen verfolgt einen vollkommen neuen Ansatz. Alles andere als konventionell, wird nicht ein Bauteil durch eine Hartstoffbeschichtung veredelt, sondern die Schicht in eine Negativform gespritzt. Anschließend wird die Beschichtung mit einem synthetischen Polymer hintergossen und als Ganzes aus der Negativform gelöst. Bereits zu diesem Zeitpunkt besitzt das Hybridwerkzeug seine finale Geometrie und bedarf keiner weiteren Nachbearbeitung. So ist die Oberfläche des hybriden Werkstoffverbundes das ideale Abbild der Negativform; inklusive der gewünschten Oberflächenstruktur und Rauheit.

Beim «Hybrid»-Ansatz wird ebenfalls mit dem wirtschaftlichen Lichtbogenspritzen gearbeitet. Die anfallenden Prozesskosten bleiben dadurch verhältnismäßig gering. Darüber hinaus überzeugt das Lichtbogenspritzen mit seiner Flexibilität und hohen Auftragsrate. Das Verfahren eignet sich somit hervorragend zur Prototypenentwicklung (Rapid-Tooling).

Neben der hohen Wirtschaftlichkeit besitzen die Hybridwerkzeuge insbesondere auch technische Vorteile. Die Kombination von einer harten, reibungsoptimierten Oberfläche mit einer polymeren Füllung bietet vollkommen neue Möglichkeiten. So kann die Werkzeugnachgiebigkeit gezielt angepasst werden. Das Potential einer Gradierung und einer wirkflächenoptimierten Abstimmung von Festigkeit, Härte und Nachgiebigkeit ist enorm, jedoch bislang weitgehend unerforscht. Im Rahmen des SFB 708 ist es bereits gelungen, solche hybriden Umformwerkzeuge aus polymerem Grundwerkstoff in Endkontur zu erzeugen. Selbst komplexe Freiformgeometrien konnten auf diese Weise erfolgreich hergestellt werden. Dabei halten die Hybridwerkzeuge sogar der Umformung hochfester Stähle stand: Und das bei höchsten Anforderungen im Bezug auf Oberflächengüte und Konturgenauigkeit.

 

Abbildung 4: Simulationsgestützte Werkzeugdeformations- und Rückfederungskompensation mit experimenteller Validierung


Zusammenfassung und Ausblick

Im Mittelpunkt des SFB 708 steht die Erzeugung, Modellierung und Bearbeitung von anwendungsoptimierten, verschleißbeständigen Umformwerkzeugen. Mit Hilfe des Thermischen Spritzens werden Umformwerkzeuge hergestellt, die im Bezug auf Lebensdauer und Oberflächengüte konventionellen Werkzeugen weit überlegen sind. An Modellwerkzeugen konnte bereits nachgewiesen werden, dass, durch die hohe Verschleißbeständigkeit der Hartstoffschichten, durchaus zehnfach längere Werkzeugstandzeiten realisierbar sind.

Drei unterschiedliche Verfahrensansätze werden im Rahmen der Forschungsarbeiten zur Herstellung beschichteter Umformwerkzeuge untersucht. Mit unterschiedlichen Schwerpunkten führen die Ansätze «effizient», «endkonturgenau» und «hybrid» zum Ziel eines hochverschleißfesten und reibungsangepassten Umformwerkzeugs. Auf ihre Weise besitzen alle Ansätze dabei ein hohes Potential die gestellten Anforderungen zu erfüllen. Während sich das Lichtbogenspritzen mit anschließenden Walz- respektive Schleifprozess als kostengünstige Methode mit hoher Auftragsleistung erweist, bestechen die HVOF-Schichten durch exzellente Schichteigenschaften und eine hohe Oberflächengüte. Insbesondere die Herstellung von Hybridwerkzeugen wird in Zukunft an Bedeutung gewinnen. So bietet ein Umformwerkzeug mit frei bestimmbarer Festigkeit und Nachgiebigkeit vollkommen neue Anwendungsmöglichkeiten und ist zudem flexibel und schnell herzustellen.

Neben der Validierung und Vertiefung der bereits erarbeiteten Erkenntnisse stehen in Zukunft eine stärkere Betrachtung der Schnittstellen zwischen den einzelnen Fertigungsschritten sowie die umfassende Simulation der Prozesse im Fokus der Forschungsarbeiten. Denn gerade im Bereich der Optimierung von Prozessen ist die Verbindung der einzelnen Fertigungsschritte von besonderer Bedeutung. Die ganzheitliche Simulation der Prozesskette verringert insbesondere die langwierige und kostenintensive Nacharbeit der Werkzeuge im Herstellungsprozess. Vervollständigt durch eine lückenlose Informationsübertragung können so in kürzester Zeit Umformwerkzeuge von hoher Qualität hergestellt werden.

 

Abbildung 5: Vision des SFB 708 – Thermisch gespritztes Umformungswerkzeug für die Blechumformung


Der Artikel ist in der Fachzeitschrift "Dialog - Materialwissenschaft und Werkstofftechnik", Ausgabe Oktober 2011, erschienen.