Abgeschlossene Projekte PVD-W

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Marco Carlet

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Druckstrahlbehandlung von Werkzeugoberflächen, Einsatz von PVD-Schichten und Plasmaanalyse des gepulsten Lichtbogenverdampfens für die Standzeiterhöhung im Aluminiumdruckguss

Kurzbeschreibung:

Das Ziel des Forschungsprojektes ist die Standzeiterhöhung von Kernwerkzeugen im Aluminiumdruckguss durch eine gezielte Kombination von Oberflächenmodifikation und Schichtapplikation. Das Schichtsystem CrN/AlN+Al2O3 wird durch die Herstellung einer phasenstabilen γ-Al2O3-Deckschicht im gepulsten Lichtbogenverdampfen weiterentwickelt. Mittels plasmadiagnostisch unterstützter Schichtentwicklung werden hierfür geeignete Parameter ausgewählt. Im industriellen Aluminiumdruckguss werden ausgewählte Beschichtungen zur Herstellung von Motorblöcken eingesetzt. In der anschließenden Schadensanalyse werden die Ursache-Wirkungs-Zusammenhänge der verschiedenen Maßnahmen der Oberflächentechnik analysiert.

Förderinstitution: Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsgemeinschaften (AiF)
Projektnummer: IGF 16/05 Nr. 20231 N
Laufzeit: 01.08.2019 bis 30.04.2022
 
 

Erforschung der Wechselwirkungen von einer inkrementellen Randzonenumformung und einer HPPMS-Beschichtung auf Feinschneidstempeln zur Ermöglichung einer belastungsgerechten Einstellung der Oberflächenintegrität

Kurzbeschreibung:

Das Ziel des Forschungsprojektes ist die Erforschung einer Verfahrenskombination aus einer inkrementellen Randzonenumformung und anschließenden Niedertemperatur-Abscheidung von TiAlCrSiN-Schichten. Hierdurch soll mittels gezielter Prozessführung eine für die Ermüdungs- und Verschleißbeständigkeit vorteilhafte, mechanisch und thermisch stabile Oberflächenintegrität in der Randzone von Feinschneidstempeln aus pulvermetallurgischen Schnellarbeitsstahl erzeugt werden. Die Prozesstemperaturen werden hierzu substratseitig in situ in Abhängigkeit der Prozessparameter ermittelt, so dass keine Relaxation der zuvor induzierten Kaltverfestigung und Druckeigenspannungen auftritt.

Förderinstitution: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Projektnummer: BO 1979/72-1
Laufzeit: 01.01.2020 bis 31.12.2021
 
 

Untersuchung temperaturaktiver, reibungsmindernder Schichtsysteme für die Drehbearbeitung von Titanlegierungen

Kurzbeschreibung:

Ziel des Forschungsprojektes ist die Herstellung und Analyse von reibungsmindernden CrAlVN-Schichtsystemen für die Drehbearbeitung von TiAl6V4. Eine Reibungsreduzierung im Zerspanprozess soll hierbei durch die temperatur­induzierte Bildung von leicht scherbaren Vanadiumoxiden auf der Schichtoberfläche erzielt werden. Die Herstellung der Schichtsysteme erfolgt in einem hybridem direct current Magnetron Sputtering / High Power Pulse Magnetron Sputtering (dcMS/HPPMS)-Beschichtungsprozesse mittels der industriellen Beschichtungsanlage CC 800/9 HPPMS, CemeCon AG, Würselen. In nachfolgenden Analysen der beschichteten Hartmetall Substraten werden die Einflüsse des temperaturaktiven Elements Vanadium auf Schicht- und Verbundeigenschaften ermittelt. Weiterhin werden die Wechselwirkungen zwischen den Schichtsystemen und der Titanlegierung TiAl6V4 bei Temperaturen bis zu T = 800 °C mittels verschiedener Wärmebehandlungen analysiert. Eine Untersuchung des thermischen und mechanischen Beanspruchungs­kollektivs in Zerspanversuchen von TiAl6V4 soll zudem zum Verständnis der Leistungsfähigkeit und der Schadensmechanismen des neuartigen CrAlVN-Schichtsystems beitragen.

Förderinstitution: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Projektnummer: BO 1979/69-1
Laufzeit: 01.04.2019 bis 31.12.2021
 
 

Trockenumformen niedriglegierter Stahlwerkstoffe durch Vollvorwärtsfließpressen mit selbstschmierender Werkzeugbeschichtung und strukturierten Halbzeugen

Kurzbeschreibung:

Das Ziel der dritten Förderphase des Forschungsprojekts ist die erstmalige Realisierung der Trockenumformung von Stahl durch Vollvorwärts-Fließpressen (VVFP) basierend auf grundlegenden Erkenntnissen der Wechselwirkung zwischen selbstschmierenden (Cr,Al)N+X:S-Schichten (X = Mo, W) und strukturierten Halbzeugoberflächen. Hierbei gilt es den hybriden dcMS/HPPMS (direct current Magnetron Sputtering/High Power Pulsed Magnetron Sputtering) Beschichtungsprozess hinsichtlich dem sich ändernden Beanspruchungs­kollektiv entlang der Längsachse einer zweischultrigen Umformmatrize an­zupassen. Anschließend erfolgen trockene Umformversuche mit strukturierten Halbzeugen. Poster BO 1979/44-2

Förderinstitution: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Projektnummer: BO 1979/44-2
Laufzeit: 01.01.2018 bis 31.12.2019
 
 

Entwicklung, Analyse und Erprobung neuartiger Beschichtungen für das Präzisionsblankpressen

Kurzbeschreibung:

Das Ziel des Forschungsprojektes ist es, die Effizienz des Präzisionsblankpressens durch neuartige Beschichtungen und das Waferlevel-Glaspressen zu steigern. Mithilfe innovativer Beschichtungen sollen die Standzeiten der Presswerkzeuge für ein breites Spektrum an Gläsern signifikant erhöht werden, so dass Standzeiten von > 1.000 Presszyklen realisiert werden können. Beim Waferlevel-Glaspressen wird eine Vielzahl von optischen Komponenten pro Presszyklus hergestellt. Um die Standzeit zu erhöhen, werden nitridische (Cr,Al,Si)N, (Cr,Al,C)N und oxinitridische Beschichtungen (Cr,Al)ON sowie amorphe Kohlenstoffschichten a-C (diamond-like carbon, DLC) mittels Hochleistungsplasmen (High Power Pulsed Magnetron Sputtering, HPPMS) entwickelt. Darüber hinaus wird die Wechselwirkung zwischen Glas und Beschichtung, die zum Versagen der Werkzeuge führt, untersucht. Poster ZF4059002HM6

Förderinstitution: Zentrales Innovationsprogramm Mittelstand (ZIM)
Projektnummer: ZF4059002HM6
Laufzeit: 01.09.2016 bis 31.08.2019
 
 

Einfluss von HPPMS-Pulsparametern auf die Stöchiometrie und die Bildung von Reaktionsschichten auf nitridischen Hartstoffschichten für die Zerspanung

Kurzbeschreibung:

Das übergeordnete Ziel des Projektes ist es, einen Einfluss der Prozessparameter auf die Stöchiometrie und die Bildung der Reaktionsschicht auf Hartstoffschichten zu erforschen, um eine Verbesserung der Verschleißbeständigkeit und der thermischen Stabilität von beschichteten Zerspanwerkzeugen in der Hochleistungszerspannung zu erreichen. Hierzu wird ein neuartiger Hybridprozess mit kombinierter dcMS (direct current Magnetron Sputtering)- und HPPMS (High Power Pulsed Magnetron Sputtering)-Leistungsversorgung eingesetzt. Durch Verwendung eines Schichtkonzepts mit Nanokomposit-Schichtarchitektur sollen besonders günstige Eigenschaften, wie eine hohe Eindringhärte und eine hohe Oxidationsbeständigkeit, erzielt werden. Die Erforschung des Einflusses der Prozessparameter und einer Wärmebehandlung auf die Stöchiometrie der Reaktionsschichten, die Wechselwirkung mit Stahl und das Hochtemperaturverhalten stehen im Fokus. Im Rahmen des Projektes werden Wärmebehandlungen im Kontakt mit einem Stahlgegenkörper an der sauerstoffhaltigen Umgebungsatmosphäre durchgeführt. Die Untersuchung der Wechselwirkung erfolgen mittels Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS), Rasterelektronenmikroskopie (REM), Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) und Röntgendiffraktometrie (XRD). Poster DFG BO1979/48-1

Förderinstitution: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Projektnummer: DFG BO1979/48-1
Laufzeit: 01.08.2017 bis 31.07.2019
 
 

Exzellenzcluster „Integrative Produktionstechnik für Hochlohnländer“ - Projekt C3 „Multi-Technologie Produkte“ – Test Case „Optische Bauteile“

Kurzbeschreibung:

Das Ziel des Forschungsprojektes war die Entwicklung einer durchgängigen Prozesskette zur Herstellung strukturierter, optisch funktionaler Kunststoffbauteile. Hierzu wurden mittels Lasertechnologie Strukturen im Mikro- oder Nanometerbereich in die Kavitäten des Spritzgusswerkzeugs eingebracht, die im nachfolgenden Kunststoffverarbeitungsprozess durch spröde Kunststoffe, wie z.B. Polycarbonat und Polymethylmethacrylat, abgeformt wurden. Durch Beschichtung des laserstrukturierten Werkzeuges mittels des Verfahrens der physikalischen Gasphasenabscheidung (PVD) konnte eine Reduktion des Verschleißes und der Adhäsionskraft, zwischen der Werkzeugoberfläche und den zu verarbeitenden Kunststoffen, erreicht werden. Darüber hinaus zeigte sich, dass Laserstrukturen nur durch die Modifizierung der Oberfläche mit einer geeigneten PVD-Beschichtung transplantierbar sind. Ohne die zusätzliche Beschichtung brechen diese beim Entformen ab und verbleiben im Werkzeug. Die Abformqualität konnte abhängig vom Strukturtyp des Kunststoffs um 20 bis 30 % verbessert werden. Poster EXC-128

In der Überbrückungsphase werden PVD-Sensorschichten zur Temperaturmessung entwickelt. Dabei liegt der Fokus auf metallischen Sensorschichten die durch Hartstoffschichten vor Verschleiß geschützt werden sowie Sensorschichten, die selbst aus Hartstoffschichten bestehen. Die Sensorschichten sind geeignet, Daten aus der Produktion in Echtzeit zur Verfügung zu stellen. Durch die Kombination mit einer thermisch gespritzten Heizleiterschicht zu einem Sensor-Aktor-System, können die Schichtsysteme autark in die Temperaturführung von Fertigungsprozessen eingreifen. Poster EXC-128 Überbrückungsphase

Förderinstitution: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Projektnummer: EXC-128
Laufzeit:

01.01.2012 – 31.10.2017

01.11.2017 bis 31.12.2018 (Überbrückungsphase)

 
 

Trockenumformen niedriglegierter Stahlwerkstoffe durch Vollvorwärtsfließpressen mit selbstschmierender Werkzeugbeschichtung und strukturierten Halbzeugen

Kurzbeschreibung:

Das Ziel der zweiten Förderphase des Forschungsprojekts ist die Modellbildung zur Erklärung der tribologischen Wechselwirkungen beim Vollvorwärts-Fließpressen (VVFP) zwischen selbstschmierenden (Cr,Al)N+X:S-Werkzeugbeschichtungen (X = Mo, W) und strukturierten Halbzeug­oberflächen. Hierbei gilt es, die Prozessgrenzen bei der Schicht­herstellung mittels der hybriden dcMS/HPPMS (direct current Magnetron Sputtering/High Power Pulsed Magnetron Sputtering) Technologie dahingehend anzupassen, dass eine Schichtapplizierung realer VVFP-Matrizen und anschließenden Standzeituntersuchungen auf einer industriellen Umformpresse erfolgen kann. Poster BO 1979/44-1

Förderinstitution: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Projektnummer: BO 1979/44-1
Laufzeit: 01.11.2015 bis 31.08.2018
 
 

High Power Pulsed Magnetron Sputtering (HPPMS) Schichtsynthese und Prozessverständnis

Kurzbeschreibung:

Das Projekt A1 war ein Teilprojekt des transregionalen Sonderforschungsbereiches SFB-TR87 in der zweiten Förderphase, in dem die grundlegenden Mechanismen des Synthesewegs zur Herstellung von Hartstoffschichten in Hochleistungsplasmen erforscht werden. Das übergeordnete Ziel des Teilprojektes besteht in der wissensbasierten Auslegung industrierelevanter Beschichtungsprozesse auf komplexen Bauteilen für ein konkretes Belastungskollektiv, am Beispiel der Kunststoffextrusion. Die in gepulsten Hochleistungsplasmen synthetisierten Schichten schützen die Stahlkomponenten der Extrusionsanlage vor abrasivem und adhäsivem Verschleiß. In der zweiten Phase wurde für Cr‑Al‑O‑N eine mehrlagige Schichtarchitektur entwickelt, die innerhalb eines Beschichtungsprozesses durch Parametervaria­tion generiert wird. Jeder Einzellage werden Funktionen zugeordnet, um teilweise gegensätzliche Anforderungen in der Extrusion zu erfüllen. Die Schichtarchitektur besteht neben dem Haftvermittler aus einem hochfesten und zähen Nanolaminat zum Abrasions- und einer dünnen oxinitridischen Decklage zum Adhäsionsschutz. Geeigneten Nanolagen-Dicken im Nanolaminat wurden ausgewählt. Die Anhaftung von Kunststoffschmelze aus Polycarbonat wurde in Kooperation mit einem weiteren Teilprojekt durch Entwicklung neuer Modelltests erforscht. Hierbei wurde die Oxidstruktur der Reaktionsschicht untersucht, die sich spontan auf der Hartstoffschicht bildet. Weiterhin wurden die speziellen Vorteile der Arten der Leistungsversorgung direct current Magnetron Sputtering (dcMS) und High Power Pulsed Magnetron Sputtering (HPPMS) durch die Entwicklung eines hybriden dcMS/HPPMS-Prozesses vereint. Durch den in A1 neu entwickelten Temperatursensor ist es jetzt auch möglich, die Temperatur an der Substratoberfläche während der einzelnen Phasen im Beschichtungsprozess online zu erfassen. Poster SFB-TR 87 A1

Förderinstitution: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Projektnummer: SFB-TR 87 A1 - DFG TRR 87/2
Laufzeit: 01.07.2014 bis 30.06.2018
 
 

Beschreibung des elastischen und plastischen Verhaltens nanostrukturierter Schichten

Kurzbeschreibung:

Ziel des Teilprojektes A4 war es, das mechanische Verhalten von Werkstoffverbunden, bestehend aus Stahlsubstrat 1.2083 und Beschichtung im System M-Al-O-N (M = Cr, V), bis zum Versagensbeginn zu erforschen. A4 lieferte wichtige Erkenntnisse zu den Ursache-Wirkung-Zusammenhängen zwischen Beschichtungstechnologie, Schichtarchitektur und Festigkeitssteigerung für die Prozessauslegung. Das elastisch-plastische Verbundverhalten wurde bis hin zum Schädigungsbeginn mittels Nanoindentation quantifiziert. CrN/AlN-Nanolaminate zeigen eine steigende Festigkeit und Bruchzähigkeit mit sinkender Nanolagendicke. Dagegen wurde ein deutlich spröderes Verhalten der Oxinitride nachgewiesen. Durch Korrelation der mechanischen Daten von A4 mit den Plasmaeigenschaften standen zudem wichtige Erkenntnisse für die Prozessauslegung und zur Auslegung der Strukturzonenmodelle zur Verfügung. Darüber hinaus wurden die Ergebnisse von A4 zum Training künstlicher neuronaler Netzwerke (KNN) genutzt. Wichtigstes Ergebnis bei der Analyse des ausgeprägten plastischen Verhaltens der Hartstoffschichten ist hierbei die Identifizierung des Korngrenzgleitens als dominierender Mechanismus. In das entwickelte Modell mittels Finite-Elemente-Methode (FEM) von A4 wurden Schichtdicken, Eigenspannungen und das Versagenskriterium implementiert. Poster SFB-TR 87 A4

Förderinstitution: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Projektnummer: SFB-TR 87 A4 - DFG TRR 87/2
Laufzeit: 01.07.2014 bis 30.06.2018
 
 

Auswirkungen von Plasmaeigenschaften auf Beschichtungseigenschaften in gepulsten Hochleistungsplasmen

Kurzbeschreibung:

Das übergeordnete Ziel im Teilprojekt C6 des transregionalen Sonderforschungsbereichs SFB-TR 87 in der 2. Förderphase war die Analyse von Plasmaeigenschaften zur Beschreibung der Ursache-Wirkung-Zusammenhänge auf die Schichteigenschaften in einer großskaligen Beschichtungsanlage CC800/9-Modell, CemeCon AG, Würselen. Der Fokus von C6 lag hierbei auf der substratseitigen Plasmadiagnostik. Gleichzeitig wurde auch mit dem Aufbau erster künstlicher neuronaler Netze (KNN) begonnen. Die Plasmadiagnostik wurde weiterentwickelt, um den Bedingungen in produktionsrelevanten Prozessen gerecht zu werden. Es konnten wesentliche Verbesserungen von Hochleistungsplasmen wie dem High Power Pulsed Magnetron Sputtering (HPPMS) bspw. durch kürzere Puls-an-Zeiten ton und höhere Frequenzen f erreicht und erklärt werden. Darüber hinaus können durch die Analyse der Plasmarandschicht die Schichteigenschaften auf komplexen Geometrien jetzt besser verstanden und beeinflusst werden. Poster SFB-TR 87 C6

Förderinstitution: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Projektnummer: SFB-TR 87 C6 – DFG TRR 87/2
Laufzeit: 01.07.2014 bis 30.06.2018
 
 

Untersuchung des Einflusses von Beschichtungen auf Extruderschnecken zur Verbesserung der Prozessführung

Kurzbeschreibung:

Das Ziel des Forschungsvorhabens war die Bewertung des Einflusses von neuartigen PVD-Beschichtungen auf Extruderschnecken zur Verbesserung der Prozessführung. Dies umfasste die Entwicklung geeigneter Beschichtungsprozesse zur Herstellung der nitridischen (Cr,Al)N und oxinitridischen (Cr,Al)ON-Hartstoffbeschichtungen durch die Beschichtungsverfahren Lichtbogenverdampfen (Arc), middle frequency magnetron sputtering (mfMS) und den hybriden dcMS/HPPMS-Prozess. Die Untersuchungen wiesen nach, dass der Einsatz von PVD-Beschichtungen, im Vergleich zum unbeschichteten Nitrierstahl, zur Verbesserung der Reibungskoeffizienten und der Adhäsionsneigung führen. Der aus wirtschaftlichen Gründen geforderte hohe Massedurchsatz bei gleichzeitig niedrigem spezifischem Energiebedarf konnte durch den Einsatz beschichteter Extruderschnecken realisiert bzw. gegenüber der unbeschichteten Extruderschnecke signifikant verbessert werden. Poster ZN-497 / 2

Förderinstitution: Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF)
Projektnummer: ZN-497 / 2
Laufzeit: 01.08.2013 – 31.01.2016