Oberflächensimulation und experimentelle Untersuchungen zur Mikrostrukturierung von Stahlwerkstoffen mittels schwingungsüberlagertem Planfräsen im Ultraschallbereich

Abstract

Die industrielle Produktion technischer Systeme ist im internationalen Wettbewerb geprägt durch steigende Anforderungen hinsichtlich Nachhaltigkeit, Ressourceneffizienz und Kosten, wodurch Oberflächen mit speziellen Eigenschaften zunehmend an Bedeutung gewinnen. Daher ist deren Funktionalisierung in vielen Forschungsbereichen fest verankert - beispielsweise mit dem Ziel einer verbesserten Haptik, der Erzeugung optischer Effekte oder um die Reibung in mechanischen wie auch fluidischen Systemen zu senken bzw. zu erhöhen. Ebenso können Funktionsoberflächen einen Beitrag zur Steigerung der Haftfestigkeit darauf applizierter Schichten und Schichtsysteme leisten, welche wiederum die Einsatzmöglichkeiten des Substratwerkstoffs erweitern. Im Rahmen des Schwerpunktprogramms 1676 Trockenumformen der DFG soll u. a. mittels CVD-Diamantschichten eine trockene Blechumformung von Aluminiumlegierungen mit beschichteten Stahlwerkzeugen realisiert werden, wozu eine mechanische Mikrostrukturierung der Substratoberfläche zur Gewährleistung einer ausreichenden Schichthaftung vorgesehen ist. Aufgrund der definierten Schneidengeometrie und Kinematik ist das schwingungsüberlagerte Fräsen im Ultraschallbereich als ein geeignetes Verfahren zur reproduzierbaren Herstellung definierter Feingestalten in den Fokus gerückt. Dazu wurden ein entsprechendes System in einem Hochpräzisionsbearbeitungszentrum implementiert und erste experimentelle Untersuchungen durchgeführt. Zur Strukturauslegung bzw. -modellierung wurde ein an der Professur Mikrofertigungstechnik der TU Chemnitz entwickeltes Oberflächensimulationstool genutzt, das anhand der relevanten Parameter eine virtuelle Mikrostruktur errechnet. Dabei konnte in ersten Versuchen bereits ein hohes Maß der Übereinstimmung mit den bearbeiteten Oberflächen festgestellt werden. Somit wurde eine Möglichkeit zur wirtschaftlichen Mikrostrukturierung von Bauteilen aus Stahlwerkstoffen geschaffen.