PVD-Technologie (Werkzeuge)

 

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Portraitfoto Carlet © Urheberrecht: Carl Brunn

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Marco Carlet

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Grundlagenuntersuchungen zur simulativen Auslegung und wissensbasierten Herstellung von PVD-beschichteter Zerspanwerkzeuge für die Drehbearbeitung

Kurzbeschreibung:

Ziel des Vorhabens ist die Verfügbarkeit grundsätzlicher Erkenntnisse über den Wirkzusammenhang zwischen Schichteigenschaften, wie Schichtmorphologie, Schichtdicke, Schichthärte und Eigenspannungen, der Schneidkantenmikrogeometrie und den resultierenden Verschleiß- und Versagensphänomenen bei der Drehbearbeitung im kontinuierlichen und unterbrochenen Schnitt. Diese Erkenntnisse dienen der Entwicklung und Validierung einer simulationsbasierten Auslegungsmethode für PVD-beschichtete Hartmetallwerkzeuge mit angepasster Schneidenmikrogeometrie. Zusätzlich werden im Rahmen der Grundcharakterisierung der beschichteten Hartmetallwerkzeugen Kenntnisse über den Einfluss der gewählten Beschichtungsparameter auf di resultierenden Schicht-, Verbund- und Systemeigenschaften generiert. Die Herstellung der TiAlSiN-Schichten erfolgt in direct current Magnetron Sputtering (dcMS) / High Power Pulse Magnetron Sputtering (HPPMS)-Beschichtungsprozessen mittels einer industriellen Beschichtungsanlage.

Förderinstitution: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Projektnummer: BO 1979/82-1
Laufzeit: 01.12.2021 bis 30.11.2024
 
 

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

Kurzbeschreibung:

Das übergeordnete Ziel des Forschungsvorhabens besteht in einem Erkenntnisgewinn über den Einfluss der chemischen Zusammensetzung von TiAlCrSiON-Nanokompositen auf die Interaktion mit Stahl unter tribologischer Beanspruchung und auf das Schadenskollektiv in der Zerspanung. Nach der Schichtherstellung wird ein Einfluss der chemischen Zusammensetzung auf die weiteren Schichteigenschaften und auf die Haftung gegenüber Hartmetall untersucht. Durch Einsatz der tribologischen Modelltests wird das Beanspruchungskollektiv, das beim Fräsen auftritt, nachgebildet. Hierbei werden grundlegende Zusammenhänge der Schichteigenschaften mit dem Reibungsverhalten und der Reaktionsschichtbildung im tribologischen Systemtest erforscht. Es wird zudem untersucht, ob sich durch einen gesteigerten Aluminium- und Sauerstoffgehalt der Verschleiß in den Systemtests reduzieren lässt. Schließlich wird untersucht, ob sich die in den Systemtests gefundenen Zusammenhänge auf Feldversuche übertragen lassen. Hierbei wird die Ausprägung der grundlegenden Schadensmechanismen im Zerspanprozess in Abhängigkeit des Reibungsverhaltens erforscht.

Förderinstitution: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Projektnummer: BO 1979/57-2
Laufzeit: 01.10.2021 bis 30.09.2023
 
 

Untersuchung temperaturaktiver, reibungsmindernder Schichtsysteme für die Drehbearbeitung von Titanlegierungen

Kurzbeschreibung:

Ziel des Forschungsvorhabens besteht im Erkenntnisgewinn über die Ursache-Wirkung Zusammenhänge, durch die eine Reduzierung der Werkzeugbeanspruchung im Zerspanprozess der Titanlegierung TiAl6V4 durch den Einsatz selbstschmierender CrAlMoN-Schichten herbeigeführt werden kann. Der selbstschmierende Effekt beruht hierbei auf der temperaturinduzierten Bildung von leicht scherbaren Molybdänoxiden auf der Schichtoberfläche während dem Zerspanprozess. Die Herstellung der CrAlMoN-Schichten mit variiertem Elementgehalt erfolgt in direct current Magnetron Sputtering (dcMS) / High Power Pulse Magnetron Sputtering (HPPMS)-Beschichtungsprozessen mittels einer industriellen Beschichtungsanlage. In nachfolgenden Analysen der beschichteten Hartmetall Substraten werden die Einflüsse des temperaturaktiven Elements Molybdän auf Schicht- und Verbundeigenschaften ermittelt. Das Oxidations- und das Diffusionsverhalten sowie das Reibungsverhalten wird in Modelltests untersucht. Weiterhin werden die Werkzeuge in Zerpanversuchen eingesetzt und anschließend einer umfangreichen Schadensanalyse unterzogen. Zudem wird mittels eines neuartigen Temperaturmessaufbaus die Zerspantemperatur während des Drehens von Titan sowohl im trockenen Kontakt als auch unter Minimalmengenschmierung gemessen. Die Zerspanversuche sind zum einen mit CrAlMoN-beschichteten Werkzeugen geplant. Zum anderen sind Referenzversuche mit unbeschichteten und CrAlVN-beschichteten Werkzeugen vorgesehen, um offene Fragestellungen hinsichtlich der vorliegenden Zerspantemperatur zu klären.

Förderinstitution: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Projektnummer: BO 1979/569-2
Laufzeit: 01.03.2022 bis 28.02.2023
 
 

High Power Pulsed Magnetron Sputtering (HPPMS) Schichtsynthese und Prozessverständnis

Kurzbeschreibung:

Das Projekt A1 ist ein Teilprojekt des transregionalen Sonderforschungsbereiches SFB-TR87 in der dritten Förderphase, in dem die grundlegenden Mechanismen des Synthesewegs zur Herstellung von Hartstoffschichten in Hochleistungsplasmen erforscht werden. Die Validierung und Durchgängigkeit der Methodik zur wissensbasierten Auslegung industrierelevanter Beschichtungsprozesse auf komplexen Bauteilen für ein konkretes Belastungskollektiv wird in der dritten Phase abgeschlossen. Ein Ziel ist der Transfer der wissensbasierten Methodik zur Prozessentwicklung für das mehrlagige Cr-Al-O-N-Schichtkonzept auf (Ti;V)-Al-O-N. Bei der Validierung, werden Ergebnisse aus unterschiedlichen, im SFB entwickelten Modellen, zusammengeführt. Es erfolgt die Übertragung auf Niedertemperaturprozesse für Kunststoffsubstrate. Ein weiteres Ziel ist die Steigerung der Haftung zwischen den Einzellagen und zum Substrat. Die Ätzphase des PVD-Prozesses erforschend, legt A1 die Plasmaätzprozesse nach Vorgabe eines Projektpartners innerhalb des SFB-TR87 für Stahl- und Kunststoffsubstrate aus. Die für die Haftung entscheidende Substrattemperatur wird in den unterschiedlichen PVD-Prozessphasen mit dem neuen Temperatursensor online gemessen und ein Einfluss der Eigenspannungen auf die Haftung erforscht. Weiterhin werden die theoretisch optimalen Lagendicken und Eigenspannungen ermittelt, die A1 bei der Schichtherstellung umsetzt. Die Arbeiten werden um korrosive Wechselwirkungen erweitert, deren Einfluss auf die Kunststoffdegradation und den Adhäsionsverschleiß erforscht wird. Die neuen Bewertungsmethoden zur Interaktion Polycarbonat-Schmelze/Cr-Al-O-N werden auf andere Kunststoffe und Beschichtungen übertragen und validiert. Für die Extrusion ist langfristig eine Prognose zur Schichtauswahl in Abhängigkeit des Kunststoffes möglich, die wissensbasiert in Plasmaprozessen hergestellt wird. Poster SFB-TR 87 A1

Förderinstitution: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Projektnummer: SFB-TR 87 A1 - DFG TRR 87/3
Laufzeit: 01.07.2018 bis 31.12.2022
 
 

Auswirkungen von Plasmaeigenschaften auf Beschichtungseigenschaften in gepulsten Hochleistungsplasmen

Kurzbeschreibung:

Im Teilprojekt C6 des transregionalen Sonderforschungsbereichs SFB-TR 87 erfolgt in der
3. Förderphase die Validierung von in der 2. Förderphase entwickelten Methoden zur Prozessanalyse, indem Ergebnisse aus dem System Cr-Al-O-N auf (Ti;V)-Al-O-N übertragen werden. Es soll gezeigt werden, dass die Prozessentwicklung durch die Plasmadiagnostik deutlich verkürzt werden kann. Gleichzeitig wird die für die Schichtentwicklung relevante Inkorporation von Stickstoff in die Beschichtung analysiert. Darüber hinaus steht auch die Übertragung sowie Validierung der entwickelten Diagnostikmethoden hin zu einer produktionstauglichen Prozessdiagnostik im Fokus. Erstmals wird auch die Reinigungswirkung des Plasmaätzens zur Haftungssteigerung auf Stahl- und Kunststoffsubstraten diagnostisch untersucht. Hierzu wird die Qualität und Effektivität der Plasmareinigung mit Plasmakennwerten und der Substrattemperatur korreliert, um eine bestmögliche Plasmareinigung nahe der maximal erlaubten Temperaturen zu ermöglichen. Ein weiteres Ziel ist der iterative Aufbau sowie die Validierung von künstlichen neuronalen Netzwerken (KNN). Hierbei werden die Zusammenhänge Prozess-Plasma, Plasma-Schicht und Schicht-System betrachtet. Insgesamt leistet C6 einen zentralen Beitrag zur Überwindung der empirischen Vorgehensweise bei der Schichtentwicklung mittels Hochleistungsplasmen. Poster SFB-TR 87 C6

Förderinstitution: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Projektnummer: SFB-TR 87 C6 – DFG TRR 87/3
Laufzeit: 01.07.2018 bis 31.12.2022