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Tiefziehen

Oberflächenstrukturen eliminieren Schmiermittel

| Autor/ Redakteur: Barbara Stumpp / Stéphane Itasse

Mittels Makro- und Mikrostrukturierung von Tiefziehwerkzeugen schafften es Forscher der TU Dresden und des Fraunhofer-IWS, auf Schmiermittel beim Tiefziehen zu verzichten. Das macht auch das Reinigen der Teile vor der Weiterverarbeitung und die Entsorgung der Reinigungsmittel überflüssig.

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Detail eines makrostrukturierten Tiefziehwerkzeugs: Die Beschaffenheit der Oberfläche ermöglicht es, auf Schmiermittel zu verzichten.
Detail eines makrostrukturierten Tiefziehwerkzeugs: Die Beschaffenheit der Oberfläche ermöglicht es, auf Schmiermittel zu verzichten.
(Bild: Fraunhofer-IWS)

Das Tiefziehen ist eine probate Technik der Großserienfertigung: Die Qualität stimmt, sofern man unter anderem ausreichend Schmierstoff verwendet. Zwar ließ sich bisher schon die Schmierölmenge reduzieren, indem man zum Beispiel die Werkzeuge mit einer Hartchromschicht versah oder sie speziell schliff, aber die Massenproduktion verlangt oft schnelles Tiefziehen, was den Schmierstoffverbrauch wieder erhöht. Doch was die Umformung meist erst erlaubt, stört bei der Montage – deshalb muss das Blech vom Schmiermittel befreit werden. Das geschieht in größeren Reinigungsanlagen, die Lösungsmittel einsetzen.

Schmierstoffe und Reinigungsmittel kosten Geld und belasten die Umwelt

So kommen zu den Millionen Tonnen Schmiermitteln und noch die entsprechende Mengen an Reinigungsmitteln, die dann zur Entsorgung anfallen, und meist teure Reinigungsanlagen. Insgesamt kalkuliert man, dass etwa 15 % der Kosten eines Bauteils für Schmieren und Reinigen draufgehen. Könnte man auf das Schmiermittel verzichten, so würde das viel Geld und Umweltbelastung sparen.

Um ganz auf Schmiermittel verzichten zu können, müsste die Reibung auf andere Art stark reduziert werden. Dies leisten makro- und mikrostrukturierte Werkzeugoberflächen und eine verschleißfeste Beschichtung. Ökonomisch sinnvoll ist das aber nur, wenn sich diese Strukturen schnell und flexibel auch auf größeren Oberflächen aufbringen lassen.

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Um auf das Schmiermittel verzichten zu können, müssen die Kontaktflächen zwischen Werkzeug und Bauteil möglichst klein sein. Durch die Makrostrukturierung des Flanschbereichs erreicht man dies und minimiert so die Summe der Reibkräfte. Für eine höhere Stabilität des Blechs gegen Faltenbildung wird der Niederhalter leicht in die Matrize eingetaucht. Dies initiiert eine wellenartige Struktur im Blech wodurch das Flächenträgheitsmoment des Bleches ansteigt - gut gegen die Faltenbildung. „Mit diesen Makrostrukturen im Flanschbereich lässt sich zusätzlich auch der Materialfluss sehr gut einstellen“, bestätigt Prof. Alexander Brosiius, Lehrstuhl Formgebende Fertigungsverfahren an der TU Dresden.

Im Ziehringradius kann man solche Makrostrukturen verfahrensbedingt nicht erzeugen. Um Verschleiß und Reibung im Einlaufbereich trotzdem zu verringern, nutzte man eine verschleißarme Schicht aus diamantartigem Kohlenstoff, entwickelt unter Leitung von Prof. Eckhard Beyer am Fraunhofer-IWS, und eine Mikrostrukturierung mittels Laser. Die zusätzlichen Mikrostrukturen verringern den Traganteil und so auch das Reib- und Verschleißverhalten der Werkzeuge. Durch eine gezielte Hybridisierung des Kohlenstoffs der Verschleißschicht lassen sich die reibungsmindernden Eigenschaften des dabei entstehenden graphitartigen Materials nutzen.

Direktes Laserinterferenzstrukturieren steigert Auftragleistung deutlich

Die großflächige Generierung solcher Mikrostrukturen auf konventionelle Art ist aufwendig und nur bedingt möglich. Abhilfe schafft das direkte Laserinterferenzstrukturieren DILP (Direct Laser Interference Patterning). Dabei wird ein kohärenter Laserstrahl in zwei oder mehr Strahlen geteilt und anschließend auf der Werkstückoberfläche wieder überlagert. Das Interferenzbild zeigt eine periodische Variation der Laserintensität im gesamten räumlichen Überlagerungsbereich der Laserstrahlen. Der große Vorteil: es können Flächen bis zu mehreren Quadratzentimetern mit einem einzigen Laserpuls in einem Prozessschritt maskenlos strukturiert werden, und diese Flächen können auch gekrümmt sein.

Durch geeigneten DLIP-Bearbeitungsköpfe, stärkere Lasersysteme und eine innovative Strahlführung und -formung kann die Prozessgeschwindigkeit auf mehrere Quadratmeter pro Minute gesteigert werden. Momentan leistet das DLIP 0,36 m² × min-1 auf Metall. Tests bei Raumtemperatur und bei einer Ziehgeschwindigkeit von 100 mm/s und einem Anpressdruck von 50 MPa haben für die mikrostrukturierte Verschleißschicht circa 90 % weniger Reibung, verglichen mit der unstrukturierten, unbeschichteten Werkzeugoberfläche gezeigt.

Prof. Andrés Fabián Lasagni, Lehrstuhl für laserbasierte Methoden der Oberflächenstrukturierung der TU Dresden, ist vom Potenzial der Technik überzeugt: „Bei der Herstellung hochaufgelöster periodischer Strukturen in einem Prozessschritt werden bald Strukturierungsgeschwindigkeiten bis 5 m² × min-1 auf 3D-Oberflächen möglich sein.“ Mit einem stärkeren Laser ist die strukturierte Fläche pro Puls ebenfalls zu erhöhen. Auch eine erhöhte Kohärenz der Laserquelle dürfte die Leistungsfähigkeit voranbringen und ein scannerbasiertes DLIP dürfte ebenfalls schneller werden.

Das DLIP-Verfahren bietet aber noch anderes Potenzial: Der DLIP-Kopf kann auch in bestehende Anlagen integriert werden und so die gleichen Konturen abfahren wie eine normale Fräsmaschine. Und auch von dem finanziellen Aufwand ist es überschaubar. Im einfachsten Fall benötigt der Anwender nur einen DLIP-Kopf, sofern er eine passende Laserquelle hat.

Für das DLIP gibt es weitere interessante Anwendungsgebiete. So lassen sich durch das Anpassen der optischen Eigenschaften dekorative Elemente erzeugen, die auch im Produktschutz Anwendung finden. Mikroskopische Strukturen halten zunehmend im medizinischen Bereich Einzug. Sie könnten zum Beispiel antibakterielle Eigenschaften haben und ein besseres Einwachsen von Implantaten unterstützen. Auch die Erzeugung selbstreinigender Oberflächen ist möglich.

* Dr. Barbara Stumpp ist freie Journalistin in 79117 Freiburg. Ansprechpartner Benjamin Krupop, Geschäftsfeld Mikrotechnik am Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS

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