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Posted: Feb 14, 2012

Nanokristalline Diamantfolie schickt sich an, den Werkzeugbau zu revolutionieren

(Nanowerk News) 20-fach härter als gehärteter Stahl, doppelt so fest wie herkömmliche keramische Folien, thermisch isolierend und vor allem dort einsetzbar, wo bislang auf Diamantbeschichtungen verzichtet werden musste: Die patentierte mehrlagige nanokristalline Diamantfolie des Bayerischen Forschungsverbundes ForLayer schickt sich an, den Werkzeugbau zu revolutionieren. Sie wurde an der Universität Erlangen-Nürnberg entwickelt und ist eines der Ergebnisse, die die Wissenschaftler im Rahmen eines Abschlusskolloquiums Mitte Januar präsentieren konnten. Rund drei Jahre hatte der Forschungsverbund zum Thema Verschleissreduktion an Werkzeugen bei Mehrfach-Belastungen geforscht.
Synthetischer kristalliner Diamant ist eine bei spanabhebenden Werkzeugen (z. B. Bohrern oder Fräsern) etablierte Schutzschicht, die auf hochfesten Werkstoffen zur Verschleissreduktion eingesetzt wird. Werkstoffe wie Stahl, Aluminium oder Kunststoff erlauben keine herkömmliche Diamantbeschichtung, da sie durch die hohen Temperaturen beim Beschichtungsvorgang Schaden nehmen. Diamantbeschichtungen auch für diese Werkstoffe verfügbar zu machen und zugleich lokal stark beanspruchte Bereiche auf Werkzeugen gezielt zu schützen war eines der Ziele, die sich ForLayer gesetzt hatte.
Die Lösung fanden die Forscher der Universität Erlangen-Nürnberg, indem sie die Erzeugung von Diamant von der Aufbringung auf den Werkstoff trennten: Auf Kupfer- bzw. Silizium-Templaten lässt sich Diamant bei hoher Temperatur züchten und anschliessend in Form von selbsttragender Folie ablösen. Die Folie wiederum kann dann bei moderaten Temperaturen auf beliebige Substrate aufgebracht werden. Die Tests auf Bauteilen der am Verbund beteiligten Industriepartner aus dem Kunststoffspritz- und Aluminiumdruckguss belegten das Potenzial der Neuentwicklung, die die Bauteile zu 100 Prozent vor Verschleiss schützt.
In fünf weiteren Projekten wurden ebenso Möglichkeiten entwickelt, den Verschleissschutz von Werkzeugen zu optimieren. Professor Martin Faulstich, wissenschaftlicher Leiter des ATZ Entwicklungszentrums und Sprecher des Verbundes, freute sich besonders über die direkt in die Industrie übertragbaren Ergebnisse: "Der Anteil der Werkzeugtechnik an den Produktionskosten beträgt bis zu 20 Prozent. Dementsprechend hoch ist das durch besseren Verschleissschutz nutzbare Einsparpotenzial."
Beispielsweise gelang einem Team an der LMU München in Kooperation mit dem ATZ Entwicklungszentrum die Entwicklung eines weltweit einzigartigen Verfahrens zur Optimierung von oxidkeramischen Schichten mittels einer Solvothermalbehandlung. Das ebenfalls zum Patent angemeldete Verfahren wurde mit einer speziellen Beschichtungsmethode kombiniert, dem sogenannten Spray Metal Tooling, das die Herstellung komplex geformter Werkzeuge mit verschleissfesten, thermisch und chemisch hoch beanspruchbaren Oberflächen ermöglicht.
Eine Forschergruppe der TU München patentierte die in ForLayer entwickelte Technik eines Multimaterialauftragssystems bei der Fertigung von Werkzeugen über den generativen Prozess des selektiven Laserschmelzens. Das System realisiert die simultane Verarbeitung konventioneller und hoch verschleissbeständiger Werkstoffe während der direkten, schichtweisen Werkzeugherstellung.
Darüber hinaus fand ForLayer neue Lösungen speziell für Anwendungen im Aluminiumguss, beim Presshärten und bei der Kaltmassivumformung. Die Industrie spielte eine tragende Rolle für die Forschungsarbeiten: Die Unternehmen, von kleinen Firmen bis hin zu Grossunternehmen, suchten nach patenten Lösungen für ganz konkrete Probleme, die bei den Fertigungsprozessen auftreten.
Zu ForLayer
Der Bayerische Forschungsverbund ForLayer bestand von August 2008 bis Januar 2012. Die Forschungsarbeiten wurden von der Bayerischen Forschungsstiftung mit rund 1,9 Mio. Euro gefördert, die Industrie stellte weitere 2,3 Mio. Euro zu Verfügung. Im Fokus standen Werkzeuge für die Prozesse Aluminiumguss und Kunststoffspritzguss sowie Kaltumformung und Presshärten. Diese Werkzeuge sind hohem Verschleiss ausgesetzt, da mehrere verschleissfördernde Mechanismen zusammenwirken, wie hohe Temperaturen und schnelle Temperaturwechsel, aggressive Umgebungsbedingungen oder lokal bzw. temporär stark unterschiedliche mechanisch-tribologische Belastungen. Im Verbund kooperierten fünf Forschergruppen bayerischer Universitäten und Forschungsinstitute in enger Zusammenarbeit mit 23 Industriepartnern.
Source: Bayerische Forschungsallianz
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