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Laufende Projekte

Vorhaben-Nr. 01|F23381N | EFDS-Nr. IGF-22-05

Laufzeit: 01.09.2024 – 31.08.2026

Forschungseinrichtung:

RWTH Aachen, Institut für Oberflächentechnik

Abstract

Nach aktuellem Stand der Forschung und Entwicklung existieren keine selbstschmierenden PVDBeschichtungen für Anwendungen bei T ≥ 500 °C, die auf einem Festschmierstoff mit Schichtgitterstruktur basieren. Eine solche Beschichtung könnte jedoch in Anwendungen wie der Zerspanung und Warmumformung zu einer Steigerung der Performance führen.
Vielversprechend sind TiBN-Beschichtungen mit dem Festschmierstoff hexagonalem Bornitrid (h-BN), der bis T = 900 °C oxidationsbeständig ist. TiBN-Beschichtungen werden in der Zerspanung und Warmumformung bereits eingesetzt. Allerdings werden die auf dem Markt verfügbaren TiBNBeschichtungen bisher ausschließlich mit Chemical Vapour Deposition bei Prozesstemperaturen von 900 °C ≤ T ≤ 1.100 °C hergestellt. Bei Warmumformwerkzeugen kommt es unter diesen hohen Temperaturen zu Bauteilverzug und kostenintensiver Nacharbeit. Hohes Potenzial weist der Einsatz von Physical Vapour Deposition (PVD) auf. Dabei ist die Technologievariante der gepulsten Arc-PVD vielversprechend.
Forschungsziel ist die Herstellung selbstschmierender TiBN-Beschichtungen mit h-BN-Anteil mittels gepulster Arc-PVDTechnologie zur Reibungsreduktion in tribologischen Anwendungen im Hochtemperaturbereich von 500 °C ≤ T ≤ 800 °C. Die angestrebten Ergebnisse sind die Identifizierung geeigneter Prozessfenster und Schichtarchitekturen zur Herstellung der TiBN-Beschichtungen. Weiter wird untersucht, wie hoch die Steigerung der Performance durch die selbstschmierenden TiBN-Beschichtungen im Hinblick auf deren tribologischem Einsatz in der Zerspanung und Warmumformung ist. Die zu erwartenden Ergebnisse zeigen ein sehr hohes Innovationspotenzial. Zudem ergibt sich ein extrem breiter
Nutzerkreis über mehrere Wirtschaftszweige, die überwiegend von KMU dominiert sind. Dazu zählen die Dünnschichttechnologie mit deren Lohnbeschichtern, dem Maschinen- und Anlagenbau sowie deren Zulieferer, die Targethersteller und nicht zuletzt die Anwender in der Zerspanung und Warmumformung.

 

Vorhaben-Nr. F23226N  | EFDS-Nr. IGF-21-10

Laufzeit: 01.07.2024 – 30.06.2026

Forschungseinrichtung:

RWTH Aachen, Institut für Oberflächentechnik

Abstract

Die physikalische Gasphasenabscheidung (PVD) wird mit einem stetig wachsenden Marktanteil zum Verschleißschutz auf Bauteilen und Werkzeugen eingesetzt, um die Lebensdauer bzw. die Leistungsfähigkeit zu steigern. Eine besondere Bedeutung kommt hierbei den Eigenspannungen zu. Bei industriellen Sputterprozessen, wie dem High Power Pulsed Magnetron Sputtering (HPPMS), werden Prozessgase, wie Argon, verwendet, um aus einem Targetmaterial Atome bzw. Ionen des schichtbildenden Werkstoffs herauszulösen. Neben dem Target treffen die teils hochenergetischen Argonionen ebenfalls durch die angelegte Biasspannung auf die aufwachsende Beschichtung auf. Hierdurch kommt es zur Implantation dieser Ionen in die Beschichtung und somit einer Beeinflussung der Eigenspannungen. Dies kann sich auf die mechanischen Eigenschaften und somit die Zerspanleistung der Werkzeuge auswirken. Während der Pulszeit eines HPPMS-Prozesses ändert sich die Konzentration der Argonionen im Beschichtungsplasma. Im beantragten Forschungsvorhaben wird ein positiver Biaspuls derart mit dem HPPMS-Kathodenpuls synchronisiert, dass die Argonimplantation und somit der Eigenspannungszustand kontrolliert werden kann. Um den Einfluss des positiven Biaspulses auf die Plasmaeigenschaften wie die Zusammensetzung des Beschichtungsplasmas und die Ionenenergie zu
analysieren, kommen die Plasmadiagnostiken optische Emissionsspektroskopie, Massenspektrometrie sowie Gegenfeldanalyse zum Einsatz. Die Ergebnisse der Plasmaanalysen werden mit den Schichteigenschaften der Beschichtung, wie beispielsweise den Eigenspannungen und der chemischen Zusammensetzung, korreliert. Durch das Forschungsvorhaben wird die konventionelle HPPMS-Prozessführung erweitert, um die Zerspanleistung von Werkzeugen durch die Einstellung des Eigenspannungszustandes zu erhöhen. Somit profitieren von den Ergebnissen KMU im Bereich von industriellen Stromversorgungen, PVD-Anlagenhersteller, Hersteller von Plasmadiagnostiken sowie von Zerspanwerkzeugen.

Vorhaben-Nr. F23260N  | EFDS-Nr. IGF-22-03

Laufzeit: 01.03.2024 – 31.08.2026

Forschungseinrichtung:

Technische Universität Darmstadt
Technische Universität Braunschweig

Abstract

Die Nutzung austenitischer rost- und säurebeständiger (RS)-Stähle für Bipolarplatten in Brennstoffzellen und der
Wasserstoff-Elektrolyse bietet enormes Potenzial zur Kosten- und Volumeneinsparung sowie zur Erhöhung der Effizienz im
Vergleich zu graphitbasierten Bipolarplatten und stellt gleichzeitig eine wirtschaftliche Alternative zu anderen Titan- oder
Nickel-basierten Werkstoffen dar. Allerdings erfordert die natürliche Passivschicht der RS-Stähle zusätzliche
Oberflächenbehandlung. Eine Oberflächenmodifikation mittels Plasmadiffusionsverfahren würde insbesondere hinsichtlich
der Beschichtungskosten, des Materialverbrauchs sowie der Energiebilanz eine alternative zu PVD- / CVD-basierten
Verfahren darstellen und die Nachhaltigkeit steigern.
Ziel des beantragten Projekts ist die Entwicklung von Plasmadiffusionsprozessen zur Verbesserung der Leistungsfähigkeit
und Kosteneffizienz von Brennstoffzellen-Komponenten.

Die angestrebten Ergebnisse bergen folgendes Innovationspotenzial:

– Wissenschaftlich-technische Grundlage für die Herstellung robuster und preiswerter Bipolarplatten
– Identifikation von Prozessparameter-Eigenschaft-Wechselwirkungen
– Wirtschaftliche Vorteile durch Optimierung von Werkstoffauswahl, Behandlungsparametern und Fertigungskosten
– Berücksichtigung des strömungsdynamischen, thermischen und elektrischen Beanspruchungskollektivs unter
praxisnahen Bedingungen sowie Erforschung von Degradationsmechanismen
– Ökologische Vorteile durch die Sicherstellung bzw. Erhöhung der Bauteillebensdauer

Damit sind Nutzen und Bedeutung des Projekts insbesondere für kmU sehr hoch. Der potenzielle Nutzerkreis des
Forschungsvorhabens betrifft folgende Wirtschaftszweige (gemäß IGF-Leitfaden): 24 (Metallerzeugung und -bearbeitung);
28 (Maschinenbau), 35 (Energieerzeugung), 29 (Herstellung von Kraftwagen und Kraftwagenteilen) sowie 30 (Sonstiger
Fahrzeugbau).

Vorhaben-Nr. 22948 BG | EFDS Nr. IGF-20/11

Laufzeit: 01.07.2023 – 30.06.2025

Forschungseinrichtung:

Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU, Chenitz
Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik IST, Braunschweig
Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS, Dresden

Abstract

PEM-Brennstoffzellen bieten enormes Potential zur Senkung der Treibhausgasemission. Ihr derzeitiger Einsatz wird allerdings durch eine nicht wirtschaftliche Großserien Produktion limitiert. Ziel dieses Projektes ist die Entwicklung und Erprobung neuer Fertigungsrouten metallischer BPP. Dies umfasst die Kombination von zwei verschiedenen Beschichtungsansätzen und Umformverfahren:
Lösungsansatz 1: Hier werden funktionale Kohlenstoff-Schichtsysteme hergestellt die auch nach dem Umformen ihre hohe elektrische Leitfähigkeit und Korrosionsbeständigkeit beibehalten sollen. Ein Vergleich zwischen ARC-Verdampfung und dem Magnetronsputtern wird hier durchgeführt. Ebenso wird das HIPIMS berücksichtig.
Lösungsansatz 2: In diesem neuen Herstellungsweg der BPP wird entgegen dem aktuellen Stand der Technik eine metallisch vorbeschichtete Platte nach der Umformung durch eine Plasmadiffusionsbehandlung funktionalisiert, um Defekte in Folge der Umformung zu minimieren und  Korrosionsinitiierungsorte zu vermieden.
Lösungsansätze für die Umformung: Für die Umformung sollen jeweils drei verschiedene Verfahren angewendet werden (Hohlprägen, -prägewalzen, Hydroforming). Einbindung von Lösungsansätzen aus dem PA: Dem teilnehmendem PA und insbesondere den beteiligten KMU wird die Möglichkeit gegeben eigene Beschichtungen zu applizieren und analysieren bzw. bewerten zu lassen, um den eigenen Stand der Technik mit dem der Forschung zu vergleichen und sich einen technologischen Vorsprung zu sichern. Der unmittelbare Nutzen der Forschungsergebnisse für die KMU ergibt sich vor allem durch das gesteigerte Know-how bezüglich der Eigenschaften und Grenzen der untersuchten Beschichtungs- und Umformverfahren und deren Auswirkung auf die Einsatzbedingungen der BPP, welches gemeinsam mit beteiligten Großunternehmen und wissenschaftlichen Einrichtungen erarbeitet wird. Durch dieses Wissen sichern sich die beteiligten Unternehmen entsprechende Wettbewerbsvorteile.

AiF-Nr. 22449 N  |  EFDS-Nr. IGF-19/14

Laufzeit: 01.08.2022 – 31.01.2025

Forschungseinrichtungen

Technische Universität Darmstadt, Staatliche Materialprüfungsanstalt Darmstadt
Technische Universität Braunschweig, Institut für Oberflächentechnik

Abstract

Austenitische Stähle werden insbesondere in Bereichen Lebensmittelindustrie, Medizintechnik und chemischem
Anlagenbau zwecks eines erhöhten Verschleißschutzes oft plasmanitriert. Die Verschleißbeständigkeit wird von der Dicke der sich bei der Plasmanitrierung bildenden, harten S-Phase dominiert. Der verwendete Stahl sowie das Werkstoffgefüge beeinflussen die Dicke der S-Phase und das Korrosionsverhalten bei sonst identischen Behandlungsbedingungen signifikant. Daher ist die Aufrechterhaltung der Korrosionsbeständigkeit plasmanitrierter Stähle bis heute nach wie vor problematisch und nicht reproduzierbar zu gewährleisten.
Ziel ist die Ermittlung von Kenngrößen für eine auf Werkstoff und Werkstoffzustand austenitischer Stähle individuell
optimierte Plasmanitrierbehandlung, um die zu erreichenden Zielgrößen hinsichtlich des Verschleißschutzes prozesssicher zu erreichen und gleichzeitig die Korrosionsbeständigkeit aufrecht zu erhalten.
Die angestrebten Ergebnisse bergen folgendes Innovationspotenzial:

  •  – Wissenschaftlich-technische Grundlage zur Auswahl der Behandlungsparameter beim Plasmanitrieren
  •  – Identifikation von Grenzwerten und Parameterfenstern zur Sicherstellung eines reproduzierbaren Behandlungsergebnisses
  •  – Wirtschaftliche Vorteile durch die werkstoffangepasste Optimierung der Behandlungsparameter sowie die Reduzierung von Schäden bzw. Reklamationen
  •  – Ökologische Vorteile durch die Sicherstellung bzw. Erhöhung der Bauteillebensdauer
  •  – Vertrauensgewinn durch verbesserte Beratung und Produktqualität zur reproduzierbaren Erzielung des geforderten des Korrosions- und Verschleißschutzes

Damit sind Nutzen und Bedeutung des Projekts insbesondere für kmU sehr hoch. Der potenzielle Nutzerkreis betrifft die Wirtschaftszweige 24 (Metallerzeugung und -bearbeitung); 28 (Maschinenbau), 29 (Herstellung von Kraftwagen und Kraftwagenteilen), 30 (sonstiger Fahrzeugbau) sowie 20 (Herstellung von chemischen Erzeugnissen) und 21 (Herstellung von pharmazeutischen Erzeugnissen).

AiF-Nr.22641 N  |  EFDS-Nr. IGF-20/10

Laufzeit: 01.10.2022 – 31.03.2025

Forschungseinrichtung

Technische Universität Darmstadt, Staatliche Materialprüfungsanstalt Darmstadt

Abstract

Ziel des beantragten Projekts ist die Erweiterung der Eigenschaftsprofile funktionsoptimierter ternärer PVD-Hartstoff-Nitridschichten um die Funktion eines wirksamen Korrosionsschutzes. Das von der antragstellenden
Forschungseinrichtung entwickelte Konzept der Beilegierung von Mg-Gd zu TiN und das erzielte Wissen um die
Einflussfaktoren zur Sicherstellung von Verschleiß- und Korrosionsschutz soll in diesem Projekt auf typische ternäre
Schichtsysteme (z.B. TiAlN, CrAlN, TiCN) übertragen werden, um diese Schichten für den Einsatz unter korrosiven
Bedingungen zu ertüchtigen.
Die im Projekt angestrebten Ergebnisse bergen folgenden Nutzen für kmU:
1. Erschließung neuer industrieller Anwendungsfelder für korrosionsoptimierte PVD-Beschichtungen unter gleichzeitiger korrosiver und tribologischer Beanspruchung.
2. Verbesserung des Umwelt- und Gesundheitsschutzes durch die Möglichkeit der Substitution der bisher in korrosiven Umgebungen eingesetzten galvanische Überzüge bzw. chemisch Nickel durch korrosionsoptimierte ternäre PVD-Hartstoff-Nitridschichten.
3. Wirtschaftliche Vorteile, da mit korrosionsoptimierten ternären PVD-Hartstoff-Nitridschichten gegenüber den
konventionellen PVD-Schichtsystemen bei ähnlichen Beschichtungskosten aufgrund der verbesserten Eigenschaften eine höhere Wertschöpfung zu erzielen ist.
4. Erhöhung der Nachhaltigkeit, optimale Ausnutzung der Schichten und reduzierte Instandhaltungskosten durch
„Predictive Maintenance“ Konzepte.
Hersteller von Beschichtungsanlagen, Beschichtungsbetriebe sowie die aus praktisch allen produzierenden Branchen
stammenden Anwender sind häufig den kmU zuzuordnen. Mit den angestrebten Projektergebnissen können durch den
Einsatz korrosionsoptimierter ternärer PVD-Hartstoff-Nitridschichten neue Geschäftsfelder und Anwendungen erschlossen werden, indem bestehende Hemmnisse bzw. Sicherheitsbedenken beim Einsatz von PVD-Schichten für korrosiv beanspruchte Bauteile abgebaut werden.

AiF-Nr. 21807 N  |  EFDS-Nr. IGF-17/10

Laufzeit: 01.05.2021 – 31.10.2023

Forschungseinrichtungen:
Technische Universität Darmstadt, Staatliche Materialprüfungsanstalt Darmstadt

Abstract:
Innerhalb des geplanten Forschungsvorhabens soll die Ermüdungsbeanspruchung mit Blick auf die Haftungseigenschaften funktioneller Beschichtungen vollflächig untersucht werden. Hierzu sollen in Rücksprache mit der Industrie anwendungsrelevante PVD-Schichtsysteme (DLC, t aC, a C:H:Me) ausgewählt und Proben bzw. Bauteilabschnitte beschichtet oder zur Verfügung gestellt werden. Die notwendige Ermüdungsbeanspruchung soll durch die akustische Kavitation mittels Ultraschallkoppelschwinger (Sonotrode) erzeugt werden. Der von der ASTM International (American Society for Testing and Materials) festgelegte Standard ASTM G32-16 gibt eine allgemeine Prüfvorschrift für Untersuchungen an dem Ultraschallkoppel-schwinger vor, die im Projekt abgeändert und weiterentwickelt werden soll. Hierbei erfolgt eine Variation der Versuchsparameter (Frequenz, Amplitude, Versuchsdauer, Medium etc.) unter Zuhilfenahme von Hochgeschwindigkeitskameraaufnahmen, um ortsaufgelöst die resultierende Beanspruchung in Relation zu den Eingangsgrößen bewerten zu können. Anhand der Ergebnisse soll eine umfassende Bewertung der flächigen Haftungseigenschaften der anwendungsrelevanten Beschichtungen sowie der Eignung der Methode des Ultraschallkoppelschwingers möglich werden. Die gezielten Parametervariationen und die Bewertung der resultierenden Wechselwirkungen infolge der geänderten Beanspruchungskombination bilden die Basis der qualifizierenden Weiterentwicklung der Kavitationsuntersuchung. Der Einfluss der Mikrostruktur (z. B. kolumnare, amorphe Strukturen, Multilayer-Lagen), sowie das mögliche sich bildende Risswachstum innerhalb der Beschichtung liegen dabei im Fokus der mechanistischen Beschreibung. Die Sonotroden des
Ultraschallkoppelschwingers sollen zur gezielten Beeinflussung der Kavitation ebenfalls angepasst werden, um die Prüfung an einfach konturierten und gekrümmten funktionellen Oberflächen für mögliche pränormative Forschung zu erlauben.

AiF-Nr. 22645 BG  |  EFDS-Nr. IGF-18/04

Laufzeit: 01.10.2022 – 30.09.2024

Forschungsstellen
Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU, Chemnitz
Fraunhofer-Institut für Schicht und Oberflächentechnik IST, Braunschweig

Abstract

Für die Umformung hochfesten Ti(Al)-Legierungen werden sehr hohe Temperaturen von 750 bis zu 1250 °C benötigt, wodurch die Auswahl an geeigneten Werkzeugwerkstoffen stark eingeschränkt ist. Eine zusätzliche Beschränkung tritt durch die Adhäsionsneigung von Titan und Titanaluminiden auf, die zu Problemen während der Umformung führen. Durch die „Verklebung“ kann es zu Beschädigung der Bauteile und des Werkzeuges kommen. Zusätzlich wird der Materialverschleiß durch die Adhäsionsneigung gefördert. Adhäsionen bzw. Rückstände der vorherigen Umformung wirken während der folgenden Umformung als abrasive Partikel, welche die Bauteile und Werkzeuge infolge der hohen Kräfte verschleißen lassen. Schwerpunkt dieses Forschungsantrags ist die Entwicklung von Werkzeugbeschichtungen für die isotherme Umformung von Ti(Al)-Legierungen. Durch geeignete tribologische Untersuchungen und umformtechnische Modellversuche wird das tribologische Verhalten der Randschicht nach dem Plasmaborieren und dem Diffusionslegieren von Hochtemperaturwerkstoffen auf Molybdänbasis wie z. B. Titan-Zirkon-Molybdän, Molybdän-Hafnium-Kohlenstoff oder Zirkonium-Hafnium-Molybdän gegenüber Ti(Al)-Legierungen untersucht, bewertet, weiterentwickelt und optimiert. Mit der Thematik eng verbunden sind die Hersteller von Ti(Al)-Legierungen, Hersteller von Sonderwerkstoffen für Werkzeuge, Werkzeugbauer die sich auf die Verarbeitung von Sonderwerkstoffen spezialisiert haben sowie Hersteller von Sonderschmierstoffen. Absolutes Neuland sind Werkzeugbeschichtungen und Diffusionsbehandlungen für die Hochtemperaturumformung für Beschichtungsunternehmen und Lohnbehandler. Da sich die zu erwartenden Ergebnisse auf den Verschleißschutz anderer thermisch hoch belasteter Maschinenelemente und Werkzeuge übertragen lassen, besteht auch von dieser Seite ein großes Interesse. Insgesamt soll ein hoch spezialisierter Markt für HighEnd-Produkte mit einem hohen KMU-Anteil und sehr guten Wachstumsperspektiven bedient werden.

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