SB_19941NLP

2020
Abschlussbericht
DVS-Forschung
Steigerung der Standzeiten
von Mikroabformwerkzeugen
durch den Einsatz
laserdispergierter
MMC-Werkstoffschichten

Steigerung der Standzeiten von
Mikroabformwerkzeugen durch
den Einsatz laserdispergierter
MMC-Werkstoffschichten
Abschlussbericht zum Forschungsvorhaben
IGF-Nr.: 19.941 N
DVS-Nr.: 06.3046
BIAS - Bremer Institut für, angewandte
Strahltechnik
Fraunhofer-Gesellschaft e.V.
Fraunhofer-Institut für Produktionsanlagen
und Konstruktionstechnik
Förderhinweis:
Das IGF-Vorhaben Nr.: 19.941 / DVS-Nr.: 06.3046 der Forschungsvereinigung Schweißen und
verwandte Verfahren e.V. des DVS, Aachener Str. 172, 40223 Düsseldorf, wurde über die AiF
im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF)
vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen
Bundestages gefördert.

Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek
Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen
Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind online abrufbar
unter: http://dnb.dnb.de
© 2020 DVS Media GmbH, Düsseldorf
DVS Forschung Band 481
Bestell-Nr.: 170591
ISBN: 978-3-96870-481-4
Kontakt:
Forschungsvereinigung Schweißen
und verwandte Verfahren e.V. des DVS
T +49 211 1591-0
F +49 211 1591-200
forschung@dvs-hg.de
Das Werk ist urheberrechtlich geschützt. Alle Rechte, auch die der Übersetzung in andere Sprachen, bleiben
vorbehalten. Ohne schriftliche Genehmigung des Verlages sind Vervielfältigungen, Mikroverfilmungen und die
Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen nicht gestattet.

Seite 8 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 19.941 N
Inhaltsverzeichnis
Zusammenfassung ........................................................................................................ 3
Danksagung ................................................................................................................... 5
PA-Sitzungen, Änderungen im Arbeitsplan ................................................................ 6
Verwendung der Zuwendung ....................................................................................... 6
Notwendigkeit und Angemessenheit der geleisteten Arbeiten ................................. 6
Schutzrechte .................................................................................................................. 7
1 Wissenschaftlich-technische und wirtschaftliche Problemstellung ................ 11
1.1 Ausgangssituation und Forschungsanlass ....................................................... 11
1.2 Stand der Forschung und eigene Vorarbeiten .................................................. 13
1.2.1 Stand der Technik und Forschung ............................................................. 13
1.2.2 Eigene Vorarbeiten .................................................................................... 16
2 Zielsetzung und Lösungsweg gemäß Forschungsantrag ................................. 18
2.1 Forschungsziel ................................................................................................. 18
2.1.1 Angestrebte Prozess- und Verbindungseigenschaften .............................. 18
2.1.2 Innovativer Beitrag der angestrebten Forschungsergebnisse .................... 18
2.2 Lösungsweg zur Erreichung des Forschungsziels ........................................... 20
3 Werkstoffe und Prozesstechnik ........................................................................... 21
3.1 Laserdispergieren ............................................................................................. 21
3.1.1 Material ...................................................................................................... 21
3.1.2 Prozesstechnik ........................................................................................... 22
3.2 Mikrofräsen ....................................................................................................... 26
3.2.1 Fräswerkzeuge ........................................................................................... 26
3.2.2 Maschinentechnik ...................................................................................... 27
3.2.3 Messtechnik ............................................................................................... 28
4 Experimentelle Methoden ..................................................................................... 30
4.1 Laserdispergieren ............................................................................................. 30
4.1.1 Vorbereitung............................................................................................... 30
4.1.2 Kalibrierung ................................................................................................ 31
4.1.3 Thermographische Auswertung ................................................................. 32
4.1.4 Metallographische Auswertung .................................................................. 32
4.2 Mikrofräsbearbeitung ........................................................................................ 33
4.2.1 Proben und Probenvorbereitung ................................................................ 33

Seite 9 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 19.941 N
4.2.2 Versuchsplanung – Methodik ..................................................................... 35
4.2.3 Messung der Formabweichung .................................................................. 37
5 Ergebnisse ............................................................................................................. 38
5.1 Entwicklung von MMC-Werkzeugoberflächen .................................................. 38
5.1.1 Erprobung Variation der Spotgeometrie ..................................................... 38
5.1.2 Einfluss der Prozessparameter auf MMC-
Schichtcharakteristika ................................................................................ 41
5.1.3 Thermographie und Prozessregelung ........................................................ 45
5.1.4 Charakterisierung von MMC-Schichten ...................................................... 57
5.1.5 MMC-Schichten in weiteren Legierungen .................................................. 59
5.2 Prozessentwicklung zur Zerspanung von MMC-Oberflächen ........................... 60
5.2.1 Grundlagenversuche zur Parameterfindung .............................................. 60
5.2.2 Fertigung von Tesgeometrien .................................................................... 71
5.3 Erstellung und Charakterisierung von Funktionsmustern ................................. 77
5.3.1 Herstellung ................................................................................................. 77
5.3.2 Erprobung im Lastfall – Abformversuche ................................................... 83
6 Handlungsempfehlungen ..................................................................................... 85
6.1 Laserdispergieren ............................................................................................. 85
6.2 Mikrofräsen ....................................................................................................... 88
7 Gegenüberstellung der Ergebnisse mit der Zielsetzung gemäß Antrag und
Schlussfolgerungen aus den Forschungsergebnissen ..................................... 90
7.1 Laserdispergieren ............................................................................................. 90
7.2 Mikrofräsen ....................................................................................................... 91
8 Wissenschaftlich-technischer und wirtschaftlicher Nutzen der
FuE-Ergebnisse für KMU, innovativer Beitrag und industrielle
Anwendungsmöglichkeiten ................................................................................. 93
9 Publikationen im Rahmen des Vorhabens .......................................................... 95
9.1 Bisherige Veröffentlichungen zu den Forschungsergebnissen ......................... 95
9.2 Geplante Veröffentlichungen ............................................................................ 95
10 Plan zum Ergebnistransfer in die Wirtschaft ...................................................... 96
10.1 Durchgeführte Transfermaßnahmen ................................................................ 96
10.2 Geplante Transfermaßnahmen ........................................................................ 98
10.3 Einschätzung der Realisierbarkeit des Transferkonzepts ................................. 98
11 Literaturverzeichnis ............................................................................................ 100

Seite 10 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 19.941 N

Seite 11 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 19.941 N
1 Wissenschaftlich-technische und wirtschaftliche Problemstellung
1.1 Ausgangssituation und Forschungsanlass
Vor allem im Mikrospritzguss unterliegen die Abformwerkzeuge lokal hohen Beanspruchungen,
was die Standmengen solcher Mikroabformwerkzeuge deutlich reduziert.
Heute eingesetzte Mikroabformwerkzeuge aus gehärteten Stahlwerkstoffen erreichen
oftmals die aus der Industrie geforderten Standmengen nicht. Darüber hinaus unterliegen
die kommerziell verfügbaren Mikrofräswerkzeuge bei der Zerspanung von gehärtetem
Stahl starkem Verschleiß, wodurch die Genauigkeit am Werkzeug und am abgeformten
Bauteil reduziert wird. Die im Mikro-Werkzeug- und Formenbau für ein breites Anwendungsspektrum
geforderten arithmetischen Mittenrauwerte betragen
50 nm ≤ Ra ≤ 150 nm mit Formgenauigkeiten von GF < 10 µm [BEL16, GUA19, STA08].
Die im Mikro-Werkzeug- und Formenbau für technische Funktionsoberflächen geforderten
arithmetischen Mittenrauwerte betragen dabei häufig Ra ≤ 50 nm mit Formgenauigkeiten
von GF ≤ 5 µm. Zusammengefasst heißt das, dass die Herstellung von Mikroabformwerkzeugen
aus gehärteten Stahlwerkstoffen sehr aufwendig ist und die hohen Anforderungen
an die Form- und Oberflächentoleranzen nicht ausreichend eingehalten werden
können.
In Bild 1ist beispielhaft ein Mikroabformwerkzeug aus gehärtetem Stahl mit integrierten
filigranen Strukturen dargestellt.
Bild 1:
Mikroabformwerkzeug mit integrierten filigranen Strukturen
Als leicht zerspanbare Werkstoffalternative zu gehärtetem Stahl werden im Stand der
Technik Kupfer- und Aluminiumlegierungen für Mikroabformwerkzeuge eingesetzt. Bei
der Zerspanung dieser Werkstoffe unterliegen die Mikrofräswerkzeuge einem deutlich
geringeren Verschleiß. Dadurch können die Formen in einer signifikant kürzeren Prozesszeit
tP hergestellt werden. Außerdem kann durch den geringeren Verschleiß der Zerspanwerkzeuge
eine deutlich höhere Form- und Oberflächenpräzision erzielt werden. Je
nach Prozessparametersatz, geforderten Oberflächenrauheiten und Strukturgrößen erreichen
Werkzeugformen aus Kupfer- oder Aluminiumlegierungen Standmengen

Seite 12 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 19.941 N
< 10.000 Stk. Mit Werkzeugformen aus Stahl können im Gegensatz dazu in den gleichen
Abhängigkeiten Standmengen ~ 1.000.000 Stk. erreicht werden. Die Verwendung von
Füllstoffen wie Glaskugeln, Glasfasern, CFK-Fasern und Cellulose-Fasern zur Verbesserung
der Bauteileigenschaften, reduziert die genannten Standmengen deutlich. Relevante
Branchen sind hierbei die Automobilindustrie, Mikrosystemtechnik, die Medizintechnik,
die Biotechnologie und Weitere. Insbesondere für die Fertigung von Massenprodukten
wie z. B. Verbindungs- und Ablagesysteme für Schränke, Kinderspielwaren sowie
Bauteile für Handys und Zubehör sind diese Standmengen nicht ausreichend. Dies führt
dazu, dass die Werkzeugformen in regelmäßigen Abständen ausgetauscht werden müssen.
Dadurch entstehen dem Betrieb Kosten für die Fertigung der Werkzeugform, der
erneuten Bemusterung (ggf. mit Korrektur) und dem Maschinenstillstand.
Für die Behebung dieses erkannten Problems auf Seiten der Wirtschaft sollen Werkzeugformen
bestehend aus zwei Komponenten in dem geplante Forschungsvorhaben
entwickelt werden. Diese Werkzeugformen sollen aus einer lokal und endkonturnah aufgebrachten,
verschleißfesten MMC (metal matrix composite)-Werkstoffschicht an den
hochbeanspruchten Bereichen des Werkzeugs und einem leicht zerspanbaren Grundkörper
aus einer Kupfer- oder Aluminiumlegierung bestehen.
Das Ziel des geplanten Forschungsvorhabens ist somit die Verbesserung des bestehenden
Produktes „Mikroabformwerkzeuge“. Die Standmengen von Mikroabformwerkzeugen
sollen durch die lokal aufgebrachte, verschleißfeste MMC-Werkstoffschicht
mit Härten von bis zu 3.000 HV signifikant erhöht werden und gleichzeitig soll eine höhere
Form- und Oberflächenpräzision ermöglicht werden. Mit dieser Neuerung können in Zukunft
präzise und langlebige Mikroabformwerkzeuge hergestellt werden.
Anhand von vergleichenden Abformtests sowohl mit einem Werkzeug aus Buntmetall
ohne eine lokale MMC-Beschichtung als auch mit einem Stahlwerkzeug mit der gleichen
Werkzeuggeometrie, dem gleichen Spritzwerkstoff und den gleichen Parametern beim
Abformen sollen in dem geplanten Vorhaben die erzielbaren Präzisionen und Standzeiten
gegenüber dem aktuellen Stand der Technik quantifiziert und aufgezeigt werden.
Weiterhin wird durch diese innovative Technologie eine Verbesserung des bestehenden
Verfahrens zur Herstellung von Mikroabformwerkzeugen erzielt. Durch den Einsatz
eines leichter zu zerspanenden Grundkörperwerkstoffs können die Prozesszeiten tP
und damit die Kosten K erheblich reduziert werden. Die Bohrungen für die Auswerfereinheit
und Peripherieanschlüsse für Heiz- und Kühlelemente können künftig einfacher,
schneller und genauer eingebracht werden.
In diesem Projekt wird die Schaffung von Basiswissen für die reproduzierbare Herstellung
von verschleißfesten Oberflächen mittels Laserdispergierens durch die Entwicklung
eines Regelungssystems erzielt. Weiterhin wird Basiswissen für die Anpassung von
Schneidengeometrien von Mikrofräswerkzeugen sowie zum Zerspanen von hartpartikelverstärkten
Schichten geschaffen. Insbesondere das Wissen der Einflüsse von Zerspanparametern
auf die Bauteilqualität von Fräswerkzeugen bietet den KMU die Möglichkeit,
dieses für anderweitige industrielle Produkte nach Projektabschluss zu nutzen und die
Wettbewerbsfähigkeit nachhaltig auszubauen.

Seite 13 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 19.941 N
1.2 Stand der Forschung und eigene Vorarbeiten
1.2.1 Stand der Technik und Forschung
Laserdispergieren
Der Einsatz von Lasern zur Werkstoffmodifikation ermöglicht eine sehr genaue Bearbeitung
von Bauteiloberflächen. Der geringe und präzise Energieeintrag hält die Wärmeeinflusszone
lokal begrenzt, wodurch die Entstehung von Verzug im Bauteil deutlich minimiert
wird [Dra85]. Dies ist insbesondere im Bereich der Mikroabformwerkzeuge und deren
hohen Anforderungen an Maßhaltigkeit von besonderer Wichtigkeit.
Beim Laserdispergieren werden Hartpartikel lokal in die Substratoberfläche eingebracht.
Der Laser erzeugt auf der Substratoberfläche ein Schmelzbad, in das die Hartpartikel mit
Hilfe eines Fördergases einströmen. Nach dem Erstarren der Schmelze entsteht ein Verbundwerkstoff
aus einer Metallmatrix verstärkt mit Hartpartikeln. Eine solche Werkstoffschicht
wird als MMC-Werkstoffschicht bezeichnet. Häufig verwendete Hartpartikel sind
vor allem Carbide und Boride. Das Prozessfenster wird durch die jeweilige Schmelztemperatur
des Substratwerkstoffs und des Hartpartikelwerkstoffs begrenzt [Hil14]. Wie gut
sich die Hartpartikel im Schmelzbad verteilen, hängt unter anderem von der Partikelgröße
und der Geschwindigkeit, mit der die Hartpartikel im Schmelzbad eintreffen, ab [Sch81].
Die verwendete Laserleistungsdichte muss mindestens so viel Energie in das Substrat
einbringen, um ein ausreichend großes Schmelzbad zu bilden. Die Temperatur darf die
Schmelztemperatur der Hartpartikel jedoch nicht überschreiten, um ein Schmelzen des
Zusatzwerkstoffs zu vermeiden [Kar14].
Die Hartpartikelverstärkung einer Kupferlegierung mittels Laserdispergieren führte zu einer
deutlichen Erhöhung der Verschleißbeständigkeit von Funktionsoberflächen in einer
tribologischen Beanspruchung ohne Schmierstoff [Fre16]. Durch eine Gradierung von
Hartpartikeln in einer Nickelbasislegierung konnte ein sprunghafter Härteanstieg in einem
MMC-Werkstoff vermieden und somit die Rissempfindlichkeit signifikant reduziert werden.
Die Beschichtung von Schneidwerkzeugen mit diesem gradierten Verbundwerkstoff
führte im industriellen Einsatz zu einer Erhöhung der Werkzeugstandzeiten [The03]. In
einem AiF-Projekt der TU Chemnitz wurden Aluminiumlegierungen mit Si-Hartstoffen für
einen partiellen Verschleißschutz dispergiert. Unter optimierten Bedingungen konnte eine
flächenhafte Dispergierung mit 25 Vol.% SiC erzeugt werden. Diese minderte die Verschleißrate
bei abrasivem Verschleiß um den Faktor 75. In Schwingverschleißversuchen
wurde der Verschleiß um 50 % verringert [AiF 13.596 B]. Von Jendrzejewski et al. [Jen08]
wurden ebenfalls Aluminiumlegierungen mit SiC-Hartpartikeln verstärkt. Es zeigte sich,
dass ein Vorheizen des Substrats zu einer höheren Eindringtiefe der Hartpartikel führte.
Die dispergierte Oberfläche mit homogen verteilten SiC wies eine maximale Tiefe von
1 mm auf. Des Weiteren wurde Wolframcarbid-Pulver als verstärkende Phase in die Aluminiumlegierung
eingebracht. Es war jedoch nicht möglich, eine homogene Partikelverteilung
zu erzeugen, da die WC-Partikel zum Boden des Schmelzbads absanken. Die
Betrachtung dieser Problematik anhand eines analytischen Modells und experimentellen
Untersuchungen zeigen den Einfluss der Oxidhaut und der Schmelzbadtemperatur auf
die Hartpartikelverteilung in Aluminiumlegierungen auf [Vre00].