Fraunhofer-Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik IPK

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CVD-Diamantwerkzeuge mit SiC-Zwischenschicht

2019 , Uhlmann, E. , Barth, E. , Gäbler, J. , Höfer, M.

Der Cobalt-(Co)-Anteil in Hartmetallen diffundiert während des Diamantbeschichtungsprozesses in die Diamantschicht und mindert deren Haftfähigkeit. Siliciumcarbid-(SiC)-Zwischenschichten können als Diffusionsbarriere für Cobalt dienen und die konventionelle Ätzvorbehandlung der Substrate ersetzen. Im Rahmen einer Forschungsarbeit werden Beschichtungsprozesse mit SiC-Zwischenschicht entwickelt, diese Schichtsysteme auf verschiedene Substrate aufgebracht und durch Zerspanungsuntersuchungen bewertet.

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Mikrokanal-Reaktoren für die elektrochemische Abwasserbehandlung mit Diamantelektroden

2008 , Kramer, H.J. , Mollath, G. , Schäfer, L.

Diamantbeschichtete Elektroden (DiaChem) sind ein neuartiges und besonders leistungsfähiges Instrument für die Behandlung von Problemabwässern. Die Arbeitsweise von Diamantelektroden beruht auf der elektrochemischen Erzeugung von OH-Radikalen direkt im Abwasser. Das Alleinstellungsmerkmal der Diamantelektrode ist, dass bei diesem Prozess Stromwirkungsgrade nahe 100% erreicht werden. Durch den Kontakt mit den in-situ hergestellten Oxidationsmitteln können beliebige, im Wasser befindliche organische Schadstoffe entweder vollständig oxidiert oder solange behandelt werden, bis sie in unschädliche Substanzen umgewandelt sind. Die elektrochemisch erzeugten OH-Radikale haben nur eine kurze Lebensdauer. Aufgrund ihrer begrenzten Reichweite im Reaktionsmedium reagieren sie daher nur in unmittelbarer Nähe der Elektrodenoberfläche. Bei sehr niedrigen Stoffkonzentrationen und hohen Durchflussraten ist der Wirkungsgrad konventioneller Elektrolysezellen deutlich reduziert, wenn der größte Teil der gebildeten OH-Radikalen wieder zerfällt, bevor er mit den Wasserinhaltsstoffen in Kontakt treten kann. Unser Lösungsansatz besteht darin, Elektrodenabstand und Betriebsparameter der Elektrolysezelle (Mikrokanal-Reaktor) soweit anzupassen, dass auch bei niedrigen Schadstoffkonzentrationen eine annähernd vollständige Umsetzung der gebildeten OH-Radikale stattfindet. Mittels einer speziell entworfenen Versuchsanordnung wurden für unterschiedliche Abwässer die Zellendimensionen optimiert und günstige Betriebsparameter ermittelt. Auf Basis der erhaltenen Ergebnisse wurde ein mathematisches Modell erarbeitet, mit welchem Auslegung und Betriebsparameter von Mikrokanal-Reaktoren schadstoffbezogen simuliert und optimiert werden können.

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Dreh- und Fräswerkzeuge mit cBN-Beschichtungen

2006 , Uhlmann, E. , Wiemann, E. , Keunecke, M. , Richter, V.

Der Anteil der superharten Schneidstoffe nimmt aufgrund der gestiegenen Anforderungen in der Fertigung überproportional zu. In einem gemeinschaftlichen Forschungsprojekt wurde die Leistungsfähigkeit von cBN-Schichtsystemen, die als Deckschichten auf TiN- und TiAlN- Beschichtungen abgeschieden waren, beim Hartdrehen und -fräsen untersucht. Hierzu wurden gehärtete Stähle mit verschiedenen Substraten und Substratvorbehandlungen bearbeitet. Abschließende Kavitationstests und FEM (Finite Elemente Methode)-Simulationen des Zerspanvorgangs ergänzen die Analyse.

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Ecological and functional optimization of the pretreatment process for plasma based coatings of cutting tools

2019 , Uhlmann, E. , Riemer, H. , An, S. , Fröhlich, M. , Paschke, H. , Petersen, M.

Increasing demands in machining of high-tech materials and dry machining lead to higher thermal and mechanical loads on cutting tools. In response to these challenges, enhanced coating solutions are applied to increase performance and life of cutting tools. However, during the production process the cemented carbide substrates are contaminated with grinding oils and residues of organic material. For the subsequent physical vapor deposition (PVD) coating process an intensive and high-quality cleaning process is necessary. In this contribution, plasma electrolytic polishing (PEP) is used as a novel alternative to conventional ecologically harmful cleaning baths. Apart from the ecological advantage, the surface of the substrate can be optimized with regard to the coating adhesion. To examine the performance of the different cleaning processes, machining tests were performed at the IWF to evaluate the layer adhesion and tool life of the tools.

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Anwendung superharter Beschichtungen in der Zerspantechnik

2007 , Keunecke, M. , König, J. , Richter, V. , Wiemann, E.

Die chemische bzw. physikalische Gasphasenabscheidung dünner superharter Beschichtungen aus Diamant und kubischem Bornitrid (cBN) auf Werkzeugen birgt große Potenziale, da die härtesten der bekannten Materialien mit einer flexiblen Gestaltung der Schneidengeometrie kombiniert werden können. Die Abstimmung von Schneidengeometrie und verschleißfester Beschichtung erlaubt die prozessspezifische Anpassung des Werkzeugs und führt zur Effizienzsteigerung von Zerspanungsstrategien wie der Hochgeschwindigkeits- und Trockenbearbeitung. Wettbewerbsvorteile in Form reduzierter Durchlaufzeiten und Fertigungskosten sind das Resultat dieser Entwicklung. Vorteile von superhart beschichteten Werkzeugen im allgemeinen bestehen im Hinblick auf (Warm-)Härte, Verschleißfestigkeit, Reibkoeffizient, Oxidationswiderstand, chemische Resistenz, Wärmeleitfähigkeit und Kühlschmierstoffbedarf. Vorteile von superhart beschichteten gegenüber unbeschichteten Werkzeugen bestehen im Hinblick auf: Standzeit, Bauteil-Durchlaufzeit, Schnittparameter, Zerspankraftkomponenten, Reibkoeffizient, Anpassungsfähigkeit an die Zerspanungsaufgabe. Vorteile von superhart beschichteten Werkzeugen gegenüber PKD- und PcBN-Werkzeugen bestehen im Hinblick auf: geometrische Komplexität der Werkzeugschneide, Schneidkantenradius (nur PcBN), Spanwinkel, Schneidkantenfase, Werkzeugkosten, Diffusionsproblematik des Binders. Neue Verfahren erlauben die Entwicklung einer haftfesten und für technologische Anwendungen ausreichend dicken cBN-Beschichtung insbesondere auf Werkzeugsubstraten. Durch die Abscheidung eines zusätzlichen cBN-Deckschichtsystems auf einer TiN-Beschichtung können drastische Standzeitvorteile erzielt werden.

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Sensorische Werkzeugbeschichtungen messen Temperaturen und Kräfte im Zerspanprozess

2004 , Wiemann, E. , Lüthje, H. , Uhlmann, E.

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AnSim, Anwendungsorientierte Simulation zur Planung und Produktion maßgeschneiderter, elektrolytisch erzeugter Oberflächen

2010 , Paatsch, W. , Mollath, G. , Hochsattel, T. , Roth, P. , Blittersdorf, R. , Klobes, K.H. , Ban, A. , Baumgärtner, M. , Baier, J. , Spille-Kohoff, A. , Plieth, W.

Die galvanotechnische Metallabscheidung stellt auch vor dem Hintergrund umfangreicher elektrochemischer Kenntnisse über die Elementarvorgänge der Keimbildung und des Kristallwachstums durch Elektrokristallisation in der praktischen industriellen Anwendung eine Erfahrungswissenschaft dar. Dies bildet angesichts des großen Entwicklungspotentials etwa der Legierungsabscheidung, der Hochstromelektrolyse oder der Elektrokristallisation unter Pulsbedingungen eine große Hemmung und gleichzeitig eine Herausforderung, die komplexen Zusammenhänge zwischen der Elektrolytdefinition, den Prozessparametern bei der Schichtbildung und den Eigenschaften der abgeschiedenen Systeme durch Modellbildung und Simulation zu beschreiben. Obwohl spezifische Aspekte der Schichtbildung wie etwa die Schichtdickenverteilung auf einem Werkstück mit vorhandenen Programmen auf Basis der elektrischen Potentialverteilung schon recht gut bestimmt und durch geeignete Elektroden anordnungen erreicht werden können, ist doch eine ganzheitliche Systembestimmung auf Basis theoretischer Zusammenhänge derzeit wegen der hohen Komplexität nicht möglich. Im Vorhaben AnSim wurde für die Galvanotechnik nun eine Methodik entwickelt, mit der sich die sehr komplexen Zusammenhänge zwischen der Rezeptur eines Elektrolyten und den Prozessparametem auf die Schichtbildung und die Schichteigenschaften erstmals durchgängig auf phänomenologischer Grundlage beschreiben lassen. Die Untersuchungen wurden beispielhaft für die Abscheidung von Zink und Zinklegierungen durchgeführt. Mit den einzelnen, diskreten Versuchsergebnissen zum Stromdichte-Potential-Verhalten bei der Schichtbildung, zur MikroStruktur der gebildeten Schichten und zum Eigenschaftsprofil der Schichten wurden neuronale Netze trainiert, die entsprechend dieser Wirkungskette Rezeptur, Prozess, Schichtbildung und Eigenschaften vernetzt sind. Durch eine systematische Befragung der trainierten Netze werden durchgängige Kennfelder gebildet. Damit lässt sich die Wirklichkeit des galvanotechnischen Prozesses in einer mehrdimensionalen Weise ganzheitlich erfassen und somit umfassend auswerten. Voraussetzung für die ganzheitliche Erfassung und Abbildung von Prozessen in Kennfeldern ist die Auswahl der betrachteten Prozessgrößen hinsichtlich ihrer Relevanz und das Raster, in dem diese verändert werden. Die Benennung der Prozessgrößen sowie die Experimentplanung erfordert das Wissen von Experten. Durch eine geschickte Auswahl der Prozessgrößen kann die Anzahl der erforderlichen Experimente deutlich gesenkt werden. Für die Entwicklung neuer Elektrolytkonzepte bedeutet dies beispielsweise, dass der Arbeitsbereich des Elektrolyten, innerhalb dessen die gewünschten Schichteigenschaften er zielt werden, umfassend deutlich wird. Bei Variationen der Rezeptur etwa durch veränderte oder unterschiedlich konzentrierte Additive wird eine mögliche Veränderung des Arbeitsfensters oder werden hiermit verbunden veränderte Schichteigenschaften in ihrem Ausmaß quantitativ erfasst. Die Analyse derartiger Kennfelder unterstützt also die Planung von neuen Rezepturen und die Festlegung von Prozessparametern. Dies gilt auch für das zentrale Problem des Upscalings, also die Anpassung von im Labormaßstab entwickelten Prozessparametern an die Gegebenheiten eines industriellen Einsatzes. Zusätzlich können aus den Kennfeldern eines bekannten, im Betrieb eingesetzten Elektrolyten die für definierte Prozessparameter sich ergebenden Schichteigenschaften vorausgesagt und umgekehrt für gewünschte Schichteigenschaften das relevante Prozessfenster abgelesen werden (Reengineering). Im Vorhaben wurden exemplarisch am Beispiel der alkalischen Zink und Zink-Nickel- Legierungsabscheidung eine Reihe auch theoretischer Ansätze mit unterschiedlichem Detaillierungsgrad verfolgt. Während sich im Makrobereich (Hydrodynamik, Stofftransport) bewähr te Finite-Element-Theorien anwenden lassen, ergeben sich im Mikrobereich (Keimbildung, MikroStruktur) nur wenig belastbare Ergebnisse. Dies stützt die eingangs erwähnte Feststellung, dass eine ganzheitliche Systembestimmung auf Basis theoretischer Zusammenhänge derzeit nicht möglich ist, und zeigt deutlich die Stärken der im Vorhaben entwickelten Kennfeldbetrachtung.

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Einsatz cBN-beschichteter Werkzeuge für die Bearbeitung von schwer zerspanbaren Materialien

2007 , Uhlmann, E. , Fuentes, J. , Keunecke, M.

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CBN coatings on cutting tools

2004 , Uhlmann, E. , Bräuer, G. , Wiemann, E. , Keunecke, M.

Hard cutting materials are a prerequisite for the machining of hard workpiece materials. Superhard cubic boron nittride (cBN) is the hardest known material eligible for the machining of ferrous materials. The developement of a cBN coating for cutting tools, combining the advantages of coating and of cBN, is of great importance for many branches of industry. Based on the first success of deposting adherent cBN films on cemented carbide substrates with a thickness of up to 0,8 pm at temperature for below 1000 °C, indexable inserts were coated with a B C film as target and a cBN facing. These coatings show excellent mechanical and physical properties. Cutting experiments with cBN coated cemented carbide tools were carried out and the tool life, cutting forces and workpiece surface roughness were measured. The results are presented for the machining of serval workpiece materials.

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