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2 TP2: Rapid-Tooling-Werkzeuge mit optimierten Verschleißschutzschichten durch solvothermale Prozesse

Arbeitsfeld:

Thermisch gespritzte Verschleißschutzschichten sind relativ schnell und kostengünstig applizierbar, können großflächig und auf komplexen Geometrien aufgebracht werden und ermöglichen nahezu beliebige Werkstoffkombinationen. Guten Verschleißschutz bieten harte Keramiken. Thermisch gespritzte Keramiken weisen jedoch eine immer vorhandene Restporosität und einen relativ schwachen Verbund zum Substrat (Metall) auf. Dadurch sind Anwendungen und Lebensdauer solcher Schichtsysteme auf Werkzeugen eingeschränkt.
In Kombination mit einem Rapid-Tooling-Verfahren (Spray-Metal-Tooling) sollen die Schwachpunkte in Schichtsystemen mit oxidischen Hartstoffkomponenten minimiert werden. Hierbei werden sog. solvothermale Prozesse genutzt, die Umlagerungs-vorgänge im Übergangsbereich zwischen Metallen und Keramiken bewirken. Dabei rekristallisiert die harte Keramik mit einem dichteren Gefüge und verbessert die Haftung zum Substrat (Werkzeug) durch die Ausbildung chemischer Bindungen.
Die mineralogischen, chemischen, thermodynamischen und kinetischen Grundlagen für die Herstellung solvothermal veränderter Schichtsysteme werden bestimmt und für den Verschleißschutz optimiert. Die erarbeiteten Erkenntnisse werden sowohl in konventionell aufgebrachten Schutzschichten als auch in einem Rapid-Tooling-Verfahren umgesetzt. Bei letzterem handelt es sich um ein Aufbringen der Schichtsysteme in ein Form-Negativ und anschließendem Hinterfüttern mit einer massiven Matrix. Das dadurch entstehende Bauteil weist Endgeometrie auf und kann ohne große Nachbearbeitungsschritte als Werkzeug eingesetzt werden. Der solvothermale Prozess wird unmittelbar nach dem Beschichtungsschritt oder nach Fertigstellung der Bauteilgeometrie erfolgen. Es gilt zu untersuchen, inwieweit sich auf diese Weise die Rapid-Technologie Spray-Metal-Tooling und verschleißfeste Ausführung von Oberflächen miteinander verbinden lassen.
Die erfolgreiche Umsetzung des Vorhabens wird zu erheblichen Kosteneinsparungen im Bereich der Werkzeugfertigung und in der Lagerhaltung führen. Dies wäre bereits gegeben, wenn sich Werkzeuge für Prototypen oder Kleinserien erzeugen lassen, die den Verschleißanforderungen genügen. Angestrebt ist jedoch auch eine Umsetzung der Projektergebnisse für langlebige Werkzeuge in der Serienfertigung.