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    Item type:Publication,
    Tribological system for cold sheet metal forming based on volatile lubricants and laser structured surfaces
    A novel tribological system has been developed, in which volatile lubricants (carbon dioxide - CO2 or nitrogen- N2) are used as a substitute for mineral oil-based lubricants in deep drawing processes. This process enables the introduction of an intermediate medium under high pressure through flow-optimized, laser-drilled micro holes into the contact surfaces. This eliminates the need for subsequent, cost-intensive cleaning processes, as the volatile lubricants evaporate without leaving any residue during expansion to ambient pressure. The design of initial micro hole geometries was based on simulations of the flow behaviour of the lubricants passing through, which in turn were validated using pressure reactor tests. In addition, the wetting behaviour of CO2 on relevant surfaces (tool surface and sheet material surface) was investigated experimentally using the captive-bubble-method. Thus, the optimal design of the micro holes (diameter, hole geometry and number of micro holes) could be determined using flat strip drawing tests. The optimal micro hole geometry determined in this way is suited for the use of both CO2 and N2 as volatile lubricant. Furthermore, extensive investigations for the production of the required micro hole geometry by laser drilling were carried out. The fundamentals for drilling micro holes in steel with high aspect ratios could be developed using an ultrashort pulsed research laser with very high pulse energy. Further experiments were conducted using an ultrashort pulsed prototype laser of the kW-class specially developed to increase productivity when drilling a multitude of micro holes with higher average laser power. The novel tribological system has been characterised by means of strip drawing tests and stretch bending tests. For both, CO2 (liquid) and N2 (gaseous), relatively low friction values could be achieved compared to conventional lubricants. It could be shown that deep drawing with both CO2 and N2 as dry lubricants is possible. Here, usage of the volatile lubricants not only allows the replacement of mineral oil based lubricants, but even improves the tribological system with regard to frictional forces in sheet metal forming. The feasibility of the new tribological system has been proven by performing deep drawing tests of rectangular cups. These tests showed a significantly enlarged process window of the forming process, which emphasise the tremendous potential of this new tribological system.
    journal article
      750  355
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    Item type:Publication,
    Grundlagenuntersuchungen zur Herstellung von Lasermikrobohrungen in Stahl und dem Ausströmverhalten von CO2 als Trockenschmiermedium
    (2016) ; ;
    Zahedi, Ehsan
    ;
    Wörz, Christoph
    ;
    Barz, Jakob
    Technische, wirtschaftliche und gesetzliche Vorgaben führen zu gesteigerten Anforderungen an Schmierstoffe der Blechumformung. Auch die Auswirkungen auf die Umwelt werden immer relevanter. Langfristig ist das Ziel, die verwendete Schmierstoffmenge zu reduzieren, um zukünftig Blechbearbeitungen ohne Schmierstoffe durchführen zu können. Ausgehend vom Bestreben der Trockenumformung wird ein neuartiges Verfahren zur Schmierung von Tiefziehprozessen mit flüssigem CO als Schmierstoffersatz entwickelt. Dieses Verfahren ermöglicht das Einbringen eines Zwischenmediums in das tribologische System mit Verzicht auf nachfolgende, kostenintensive Reinigungsprozesse, da das flüssige CO bei der Entspannung auf Umgebungsdruck seinen Aggregatszustand ändert und rückstandslos verdampft. Die Zuführung erfolgt dabei direkt in der Wirkfuge über lasergebohrte Mikrolöcher. Es wird gezeigt, dass mit La- serpulsen mit Pulsenergien von bis zu 2,3 mJ und einer Pulsdauer von 8 ps 12 mm dicker, nichtrostender Stahl in weniger als 50 Sekunden (pro Loch) gebohrt werden kann. Erst durch diese relativ kurzen Prozesszeiten wird es möglich sein, ausreichend viele Löcher für Werkzeuge für industrielle Anforderungen zu erzeugen und anschließend im Modellversuch â Streifenziehen mit Flachbahnâ auf ihre grundsätzliche Eignung zu verifizieren. Zur Verteilung des CO werden in die Oberfläche von Umformwerkzeugen lasergenerierte Strukturen eingebracht. Zur Beurteilung der ablaufenden Prozesse und zur Beschreibung des tribologischen Systems wurden Untersuchungen zum Benetzungsverhalten von Werkzeug und Blech in einem Druckreaktor durchgeführt.
    journal article
    Band:
      623  174