Lehrstuhl für Fertigungstechnologie, Universität Erlangen-Nürnberg



Laserimplantation an Presshärtewerkzeugen zur gezielten Beeinflussung der tribologischen und thermischen Eigenschaften im Prozesseinsatz (DFG ME 2043/68-1)



Projektstatus: abgeschlossen

Mitarbeiter


Essenzielle Entwicklungsziele der Automobilindustrie stellen sowohl die Einhaltung von Sicherheits- und Emissionsvorschriften als auch die stetige Reduzierung des Kraftstoffverbrauches dar. Das Leichtbaukonzept von Karosseriekomponenten ermöglicht die Realisierung dieser Ziele und setzt zugleich neue Maßstäbe hinsichtlich Funktionalität und Ästhetik. Im Zuge dessen hat sich das Presshärteverfahren zur ressourceneffizienten Verarbeitung von höchstfesten Stahlwerkstoffen etabliert.

Das Grundprinzip dieser Technologie besteht aus einer Verfahrenskombination, bei der in nur einem Prozessschritt die zuvor erhitzte Platine umgeformt und abgeschreckt wird. Dadurch wird eine vollständige Gefügeumwandlung von Austenit in Martensit initiiert und folglich eine Festigkeitssteigerung der Bauteile erreicht. Aufgrund der erhöhten Prozesstemperaturen sind die Werkzeuge jedoch signifikanten thermo-mechanischen Beanspruchungen ausgesetzt. Aus diesem Grund kommen zum Schutz vor Verzunderung und Entkohlung AlSi beschichtete Halbzeuge aus 22MnB5 zum Einsatz. Dieses Beschichtungssystem neigt jedoch zu adhäsiver Materialanhaftung auf der Werkzeugoberfläche, was zu einer zeit- und kostenintensiven Wartung der Umformwerkzeuge führt. Darüber hinaus ist der Einsatz von Schmierstoffen aufgrund der hohen Prozesstemperaturen nur begrenzt möglich.

Infolgedessen wird in Kooperation mit der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung eine Modifikation der Werkzeugoberflächen mittels Laserimplantation angestrebt, um nachhaltig dessen Verschleißbeständigkeit zu erhöhen. Hierzu werden in hochbelasteten Umformbereichen keramische Hartstoffe in deterministischen Mustern mittels gepulster Laserstrahlung punktuell in die Werkzeugbereiche dispergiert. Der Forschungsschwerpunkt besteht darin, das Verschleiß-, Reib- und Abkühlverhalten der modifizierten Werkzeugoberflächen vor und nach der tribologischen Beanspruchung umfassend zu charakterisieren und hieraus Handlungsrichtlinien für den industriellen Einsatz abzuleiten.

Schematische Darstellung des Laserimplantationsverfahrens

Quelle: [Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung]


Forschungsgruppen


Veröffentlichungen

    2020

    • Spranger, F.; Schirdewahn, S.; Kromm, A.; Merklein, M.; Hilgenberg, K.:
      On the influence of TiB2, TiC and TiN hard particles on the microstructure of localized laser dispersed AISI D2 tool steel surfaces.
      Journal of Laser Applications 32(2020)2, veröffentlicht

    • Spranger, F.; de Oliveira Lopes, M.; Schirdewahn, S.; Degner, J.; Merklein, M.; Hilgenberg, K.:
      Microstructural evolution and geometrical properties of TiB2 metal matrix composite protrusions on hot work tool steel surfaces manufactured by laser implantation.
      The International Journal of Advanced Manufacturing Technolgoy 106(2020), S. 481-501

    • Spranger, F.; Schirdewahn, S.; de Oliveira Lopes, M.; Merklein, M.; Hilgenberg, K.:
      Investigations on TaC Localized Dispersed X38CrMoV5-3 Surfaces with Regard to the Manufacturing of Wear Resistant Protruded Surface Textures.
      Lasers in Manufacturing and Materials Processing 7(2020), S. 38-58

    • Schirdewahn, S.; Spranger, F.; Hilgenberg, K.; Merklein, M.:
      Localized laser dispering of titanium-based particles for improving the tribological performance of hot stamping tools.
      Journal of Manufacturing and Materials Processing 4(2020)3, S. 1-19

    • Schirdewahn, S.; Spranger, F.; Hilgenberg, K.; Merklein, M.:
      Laser implantation of niobium and titanium-based particles on hot working tool surfaces for improving the tribological performance within hot stamping.
      Defect and Diffusion Forum (2020)404, S. 117-123

    • Schirdewahn, S.; Spranger, F.; Hilgenberg, K.; Merklein, M.:
      Localized dispersing of TiB2 and TiN particles via pulsed laser radiation for improving the tribological performance of hot stamping tools.
      In: Procedia CIRP (Hrsg.): LANE 2020 - 11th CIRP Conference on Photonic Technologies, 2020, S. 901-904

    2019

    • Schirdewahn, S.; Spranger, F.; Hilgenberg, K.; Merklein, M.:
      Tribological performance of localized dispersed X38CrMoV5-3 surfaces for hot stamping of AlSi coated 22MnB5 sheets.
      In: Oldenburg, M.; Hardell, J.; Caellas, D. (Hrsg.): Hot Sheet Metal Forming of High-Performance Steel - CHS2, Wissenschaftliche Skripten, 2019, S. 357-364

    • Schirdewahn, S.; Spranger, F.; Hilgenberg, K.; Merklein, M.:
      Untersuchung des tribologischen Einsatzverhaltens von lokal dispergierten Presshärtewerkzeugoberflächen.
      In: Merklein, M. (Hrsg.): Tagungsband zum 14. Erlanger Workshop Warmblechumformung, 2019, S. 169-178

    Letztes Update: 10.07.2020