Schwerpunktprogramm Trockenumformen - Nachhaltige Produktion durch Trockenbearbeitung in der Umformtechnik 2013-2019
Tribosysteme für die Kaltumformung auf der Basis von flüchtigen Schmiermedien und laserstrukturierten Oberflächen
Antragsteller: Liewald, Graf, Tovar (Stuttgart)
Werkstoffe: kaltgewalzter Tiefziehstahl, Aluminium
Methoden: Tiefziehen, neuartiges Verfahren zur Schmierung von Tiefziehprozessen
Publikationen
Stand 1. Juni 2020
SPP1676_Publications_Graf_Liewald_Tovar_[...]
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Final Report
Abschlussbericht (in englischer Sprache)
DMFOAJ_6_2020_128-165_Reichardt.pdf
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Die Universität Stuttgart hat ein neuartiges tribologisches System entwickelt, in welchem flüchtige Schmiermedien (Kohlendioxid - CO2 oder Stickstoff - N2) als Ersatz für mineralölbasierte Schmierstoffe in Tiefziehprozessen verwendet wurden. Dieses Verfahren ermöglicht das Einbringen eines Zwischenmediums unter hohem Druck durch strömungsoptimierte, lasergebohrte Mikrolöcher in die Werkzeugkontaktflächen. Dabei kann auf nachfolgende, kostenintensive Reinigungsprozesse verzichtet werden, da die flüchtigen Schmiermedien bei der Entspannung auf Umgebungsdruck rückstandslos verdampfen.
In ersten Reibungsuntersuchungen konnte zunächst die prinzipielle Realisierbarkeit dieses neuen Ansatzes bewiesen werden. Hierzu wurden 5 mm tiefe, lasergebohrte Mikrolöcher in ein Werkzeug eingebracht, um die Zufuhr der flüchtigen Schmiermedien in die Wirkfuge zwischen Blechwerkstoff und Werkzeug zu ermöglichen.
Simulationen des Strömungsverhaltens der Schmiermedien durch diese Mikrolöcher wurden am Institut für Grenzflächenverfahrenstechnik und Plasmatechnologie (IGVP) anhand von Druckreaktorversuchen validiert. In Ergänzung hierzu wurde das Benetzungsverhalten von CO2 an relevanten Oberflächen (Werkzeugoberfläche und Blechwerkstoffoberfläche) mithilfe der Captive-Bubble-Methode untersucht. Der Schwerpunkt der Forschungsarbeiten lag hier auf der Auswahl der, in Bezug auf die Reibung, optimalen Gestaltung der Mikrobohrungen (Durchmesser, Lochgeometrie und Anzahl). Eine gut geeignete Mikrolochgeometrie konnte anhand diverser numerischer Simulationen zum Strömungsverhalten innerhalb der Mikrolöcher bestimmt werden. Diese wurde sowohl für CO2 als auch für N2 ermittelt.
Umfangreiche Untersuchungen zur Fertigung der geforderten Mikrolochgeometrie mittels Laserbohren wurden am Institut für Strahlwerkzeuge (IFSW) durchgeführt. Grundlagen zum Bohren in Stahl von Mikrolöchern mit hohen Aspektverhältnissen konnten hierbei mithilfe eines aus DFG-Mitteln finanzierten ultrakurz gepulsten Forschungslasers durch Einsatz sehr hoher Pulsenergie erarbeitet werden. Weitere Experimente wurden mithilfe eines eigens vom IFSW entwickelten ultrakurz gepulsten Prototyp-Lasers der kW-Klasse durchgeführt, um die Produktivität beim Bohren einer Vielzahl an Mikrolöchern durch den Einsatz höherer mittlerer Laserleistung zu steigern.
Am Institut für Umformtechnik (IFU) wurde das neuartige Tribosystem anhand von Streifenziehversuchen und Stretch-Bending-Tests optimiert. Sowohl für flüssiges CO2 als auch für gasförmiges N2 konnten niedrige Reibungswerte im Vergleich zu herkömmlichen Schmierstoffen erzielt werden. Es konnte gezeigt werden, dass ein Tiefziehen sowohl mit CO2 als auch mit N2 als temporär wirkende Schmiermedien möglich ist und dass dieser Ansatz nicht nur ein Ersetzen von mineralölbasierten Schmierstoffen ermöglicht, sondern sogar eine Verbesserung des tribologischen Systems in Bezug auf entstehende Reibungskräfte in der Blechumformung bewirkt. Die Machbarkeit des neuen Tribosystems wurde anhand von realen Tiefziehversuchen eines Rechtecknapfs bewiesen. Hierbei zeigte sich ein deutlich vergrößertes Arbeitsdiagramm des Umformprozesses, die Reisergrenze stieg gegenüber einem konventionellen Schmierstoff um über 200 % an. Dies unterstreicht das Potential dieses neuartigen Tribosystems. Mit der Umsetzung des neuen Tribosystems in einem Tiefziehwerkzeug wird somit, nach Aufzeigen der prinzipiellen Machbarkeit in der ersten Förderperiode, das nächste Teilziel zur Realisierung des Trockenumformens erreicht.
English:
Tribosystems for cold forming processes based on volatile lubricants and laser structured surfaces
The University of Stuttgart has developed a novel tribological system in which volatile lubricants (carbon dioxide - CO2 or nitrogen - N2) have been 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 microholes into the tool 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.
Initial friction tests have shown that this new approach is feasible in principle. For this purpose, 5 mm deep microholes were laser-drilled into a tool to enable the volatile lubricants to be fed into the effective joint between the sheet material and the tool.
Simulations of the flow behavior of the lubricants through these microholes were validated at the Institute of Interfacial Process Engineering and Plasma Technology (IGVP) on the basis of pressure reactor tests. In addition, the wetting behavior of CO2 on relevant surfaces (tool surface and sheet material surface) was investigated using the captive-bubble-method. The focus of the research work here was on the selection of the optimal design of the microholes (diameter, hole geometry and number of microholes) with regard to friction. A well-suited microhole geometry could be determined by means of various numerical simulations of the flow behavior within the microholes. This was achieved for both CO2 and N2.
Extensive investigations for the production of the required microhole geometry by laser drilling were carried out at the the Institut für Strahlwerkzeuge (IFSW). The fundamentals for drilling microholes in steel with high aspect ratios could be developed with the aid of an ultrashort pulsed research laser financed by DFG funds using very high pulse energy. Further experiments were conducted using an ultrashort pulsed prototype laser of the kW class specially developed by the IFSW to increase productivity when drilling a multitude of microholes by using higher average laser power.
At the Institute for Metal Forming Technology (IFU), the novel tribological system was optimized by means of strip drawing tests and stretch bending tests. For both liquid CO2 and gaseous N2, low friction values could be achieved compared to conventional lubricants. It could be shown that deep drawing with both CO2 and N2 as temporary acting lubricants is possible and that this approach 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 real deep drawing tests of a rectangular cup. This showed a significantly enlarged process window of the forming process, and the limit of tearing increased by more than 200 % compared to a conventional lubricant. This underlines the potential of this new tribological system. After demonstrating the basic feasibility in the first funding period, the next partial goal for the realization of dry forming will be achieved with the implementation of the new tribological system in a deep-drawing tool.
Universität Stuttgart - IFU Institut für Umformtechnik
Name: Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. Matthias Liewald MBA
Position:
Projektleitung / project management
E-Mail-Adresse: mathias.liewald@ifu.uni-stuttgart.de
Name: M. Eng. Gerd Reichardt
Position:
Projektbearbeiter / project team
Telefon: +49 711 685-83808
E-Mail-Adresse: gerd.reichardt@ifu.uni-stuttgart.de
Universität Stuttgart - IFSW Institut für Strahlwerkzeuge
Name: Prof. Dr. habil. Thomas Graf
Position:
Projektleitung / project management
E-Mail-Adresse: graf@ifsw.uni-stuttgart.de
Name: M.Sc. Manuel Henn
Position:
Projektbearbeiter / project team
Telefon: +49 711-685-61509
E-Mail-Adresse: manuel.henn@ifsw.uni-stuttgart.de
Universität Stuttgart - IGVP Institut für Grenzflächenverfahrenstechnik und Plasmatechnologie
Name: apl. Prof. Dr. rer. nat. Günter Tovar
Position:
Projektleitung / project management
E-Mail-Adresse: guenter.tovar@igvp.uni-stuttgart.de
Name: M.Sc. Paul Reichle
Position:
Projektbearbeiter / project team
Telefon: +49 711 970 4117
E-Mail-Adresse: paul.reichle@igvp.uni-stuttgart.de
Name: Dr. Jakob Barz
Position:
Projektbearbeiter / project team
Telefon: +49 711 970 4114