Neue Tribosysteme für die Kaltumformung

Dissertationsvorhaben von Dipl.-Ing. Georg Umlauf

Technische, wirtschaftliche aber auch gesetzliche Vorgaben führen zu gesteigerten Anforderungen an Schmierstoffe für die Blechumformung. Auch die Auswirkungen auf die Umwelt werden vor diesem Hintergrund immer relevanter. Aktuelle Forschungsarbeiten verfolgen daher das Ziel, die verwendete Schmierstoffmenge zu reduzieren, um zukünftig Bearbeitungen ohne Schmierstoffe durchführen zu können. Ausgehend vom Bestreben der Trockenumformung wird an der Universität Stuttgart daher ein neuartiges Verfahren zur Schmierung von Tiefziehprozessen mit flüssigem CO2 als Schmierstoffersatz entwickelt. Dieses Verfahren ermöglicht das Einbringen eines Zwischenmediums in das tribologische System zwischen Blech und Werkzeug mit Verzicht auf nachfolgende Reinigungsprozesse, da das flüssige CO2 bei der Entspannung auf Umgebungsdruck seinen Aggregatszustand ändert und rückstandslos verdampft.

Die Zuführung erfolgt dabei direkt in der Wirkfuge über lasergebohrte Mikrolöcher im Umformwerkzeug und wird im Modellversuch auf die grundsätzliche Eignung untersucht. Zur Verteilung des CO2 werden in die Werkzeugoberfläche lasergenerierte Strukturen eingebracht. Zur Beurteilung der ablaufenden Prozesse und zur Beschreibung des tribologischen Systems werden Strömungssimulationen durchgeführt, das Benetzungsverhalten von Werkzeug und Blech wird in einem Druckreaktor untersucht.

In ersten Experimenten konnte gezeigt werden, das Reibung bei Umformprozessen durch den Einsatz von Gas als Trennmittel verringert werden. Die Herausforderung bei einer Schmierung / Trennung mittels eines gasförmigen Fluids ist die hohe Kompressibilität des Gases, die dazu führt, dass die Schmierfilmhöhe nur im Mikrometerbereich liegt. Um eine sichere Funktion zu gewährleisten, muss die Rauigkeit der Funktionsfläche daher deutlich kleiner als die angestrebte Schmierfilmhöhe sein. Der räumlich ausgedehnte Gasfilm führt dann zu einer Verteilung der übertragenen Kräfte auf eine große Fläche. Die Relativbewegung wird durch das Rauigkeitsprofil dieser Fläche kaum mehr beeinflusst, da der Gasfilm eine mittelnde (glättende) Wirkung zeigt, wenn die Rauigkeit des Werkstoffs im Mikrometerbereich liegt.

Prinzipiell kommen verschiedene Gase für den Einsatz in der Trockenumformung in Betracht. Viele Gase, welche unter Normalbedingungen (1013 mbar, 20°C) gasförmig vorliegen, gehen ab einer bestimmten Temperatur und/oder erhöhtem Druck in die flüssige Phase über. Für eine mögliche Anwendung ist wichtig, dass der flüssige Zustand des Gases oberhalb der Raumtemperatur (ggf. unter Druck) vorliegen kann. Hierzu zählen beispielsweise alle als Kühlmittel eingesetzten Fluorkohlenstoffe (Freone) ebenso wie die Alternativen, die aus der Klimatechnik bekannt sind. Relativ umweltneutral kann Stickstoff (auch in Form von Druckluft) oder Kohlendioxid eingesetzt werden, wobei jedoch zu beachten ist, dass beide Gase nur in engen Grenzen im flüssigen Aggregatszustand verbleiben und bei sinkendem Druck und leicht steigender Temperatur rasch gasförmig werden. Kohlenstoffdioxid wird folgenden Untersuchungen näher betrachtet.

 

Alexander Southan
Dr.

Alexander Southan

Leiter Chemisch-physikalische Grenzflächen // Teamleiter Projekthaus NanoBioMater

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