Laufende Projekte

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. 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.