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Vortrag (20 Min., 5 Min. Diskussion, 5 Min. Raumwechsel)

Dünnschichtsensorik auf Wendeschneidplatten zur ortsaufgelösten Temperatur- und Verschleißmessung

Freitag (20.09.2019)
14:30 - 15:00 Uhr Gartensaal
Bestandteil von:


Zerspanungsbedingte Randschichtzustände haben einen großen Einfluss auf technisch nutzbare Bauteileigenschaften. Durch geeignete Prozessführung lassen sich bei der Zerspanung induzierte nanokristalline Randschichten gezielt einstellen. Der Mangel an verlässlichen Kontrollmethoden von derart optimierten Fertigungsstrategien verhindert bisher die effektive industrielle Nutzung dieses Potenzials. Deshalb wird ein Prozessmodell erforscht, das eine in-prozess fähige Regelung des Außenlängsdrehens ermöglicht, um prozesssicher und verschleißunabhängig gezielt nanokristalline Randschichten an vergütetem 42CrMo4 einzustellen. Mittels einer direkt auf die Oberfläche von Wendeschneidplatten abgeschiedenen und strukturierten neuartigen Dünnschichtsensorik soll die Prozesstemperatur und der Verschleißfortschritt auf Span- und Freiflächen gemessen werden und neben Prozessstellgrößen und -kräften mit o.g. Prozessmodell als Softsensor dienen. Das Schichtsystem besteht aus zwei elektrisch isolierenden und ca. 3-5 µm dicken Aluminiumoxidschichten, die mittels physikalischer Gasphasenabscheidung (PVD) hergestellt werden. Zwischen ihnen befindet sich eine ca. 200 nm dünne Chromschicht, ebenfalls im PVD-Prozess abgeschieden. Die Strukturierung dieser Schicht erfolgt in einem kombinierten Verfahren aus Photolithographie und nasschemischer Ätzung, mit dem Ziel minimale Strukturbreiten von 10 µm zu erreichen. Auf den Spanflächen wird das thermoresistive Verhalten dieser Sensorstrukturen genutzt, um möglichst nah an der Schneidkante ortsaufgelöst die Prozesstemperaturen zu messen. Auf den Freiflächen wird Verschleißsensorik in Form von Leiterbahnen platziert, die bei eintretendem Verschleiß ihren elektrischen Widerstand ändern. Die tribologischen Eigenschaften der vom IOT beschichteten Werkzeuge werden vom wbk experimentell untersucht und die notwendigen Parameter für die Implementierung in Verschleiß- und Reibungsmodellen ermittelt. Es werden FE-Simulationen des Drehprozesses mit verschiedenen Werkzeugen und Schnittparametern erstellt. Sie basieren auf bekannten Materialgesetzen und werden lokale Reibzustände sowie über die Werkzeuggeometrie implementierte Verschleißzustände nutzen, um Vorhersagen über den Randschichtzustand zu treffen, z.B. durch Modelle der dynamischen Rekristallisation. Die Simulationen dienen der Erstellung einer Datenbasis für die Auswahl geeigneter Prozessmodellparameter. Die Kalibrierung von Modell und Sensoren wird vom wbk und IOT gemeinsam durchgeführt.

Sprecher/Referent:
Marcel Plogmeyer
Technische Universität Braunschweig
Weitere Autoren/Referenten:
  • Dr. Saskia Biehl
    Fraunhofer Institut für Schicht- und Oberflächentechnik IST
  • Prof. Dr. Günter Bräuer
    Technische Universität Braunschweig
  • Germán González
    Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
  • Dr. Frederik Zanger
    Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
  • Prof. Dr. Volker Schulze
    Karlsruher Institut für Technologie (KIT)