Schichten für ein langes Werkzeugleben

Werkzeuge zum Biegen, Drücken oder Tiefziehen von Aluminium und Edelstahl hatten bisher keine hohe Lebenserwartung: An ihrer Oberfläche klebten schon bald Kaltaufschweißungen, Metallreste, die Beschädigungen des Werkstücks oder Werkzeugs verursachen

In der Praxis mussten Werkzeuge daher häufig gereinigt oder frühzeitig ausgetauscht werden. Auf der EuroBLECH 2002 (22-24. Oktober) stellen Forscher vom Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik IST in Braunschweig neuartige Werkzeugbeschichtungen vor, die die Adhäsion von Kaltaufschweißungen verhindern und gleichzeitig hochbelastbar sind.

Harte Kohlenwasserstoffschichten gelten schon seit längerem als heißer Kandidat für die Beschichtung von Umformwerkzeugen. Diamond-Like-Carbon, kurz DLC, verhindert die Adhäsion von Aluminium oder Edelstahl. Die Anwendungstests waren bisher allerdings ernüchternd: »Es zeigte sich immer wieder, dass DLC-Schichten den hohen Belastungen an Umformwerkzeugen nicht gewachsen waren: Da konventionelle DLC-Schichten sehr spröde sind, bekommen sie schon bei der geringsten Überlastung Risse, die dann zum vorzeitigen Versagen der Schicht führen«, erklärt Martin Weber,

Im Labor des Fraunhofer-Instituts gelang es dem Diplom-Ingenieur zusammen mit seinen Kollegen die Belastbarkeit der DLC-Schichten deutlich zu steigern. »Das Werkzeug wird zunächst mit einer Abfolge aus weichen Metallschichten und stützenden Hartstoffschichten überzogen, bevor die Kohlenstoffschicht aufgebracht wird. Bei Überlastung können sich die weichen Zwischenlagen begrenzt verformen und Spannungen abbauen. Die stützende Hartstoffschicht wirkt gleichzeitig als zusätzliche Verschleißschutzschicht« erläutert Weber. In Tests erwies sich das Mehrschichtsystem als erheblich belastbarer als herkömmliche Kohlenstoffbeschichtungen. Dadurch können die positiven Eigenschaften der Kohlenstoffschichten für Anwendungen nutzbar gemacht werden, die früher zu einer raschen Zerstörung der Beschichtung geführt hätten.

Mittlerweile haben die Fraunhofer-Forscher die ersten Werkzeuge mit den neuen Mehrschichtsystemen veredelt und erfolgreich erprobt. Auf der EuroBLECH in Hannover ist in Halle 11, Stand C13 ein solches Werkzeug zur Herstellung von T-Stücken aus Edelstahl der Firma TowerAutomotive Hydroforming zu sehen. Außerdem ein Werkzeugsatz zur Herstellung von Getränkedosen aus Aluminium. »Je nach Belastungsfall kommen hier unterschiedliche Varianten des Mehrschichtsystems zum Einsatz. Die Oberflächenqualität der Werkstücke ist sehr gut, die Werkzeuge zeigen so gut wie keine Kaltaufschweißungen mehr und müssen deutlich seltener ausgetauscht werden,« resümiert Weber.

Neben der Entwicklung von neuen Mehrschichtsystemen für Umformwerkzeuge aus Stahl wird am Fraunhofer-Institut in Braunschweig auch an verschleißfesten Schichten für Umformwerkzeuge aus Kunststoff gearbeitet. Kunststoffwerkzeuge werden besonders für die Herstellung von Prototypen und Kleinserien angewendet.