Model generation of the damage behavior of coated forming tools
Authors: Neugebauer R. , Hochmuth C. , Schmidt G. , Oppermann Ch. 
Published: September 2010

AbstractIm Streben nach verbesserter Energie‐ und Ressourceneffizienz gewinnen der Leichtbau im Maschinen‐ und Fahrzeugbau und damit auch die Anwendung leichter aber hochfester Aluminiumlegierungen immer mehr an Bedeutung. Bauteile aus neuentwickelten Verbundwerkstoffen und Werkstoffverbunden ermöglichen deutliche Größen‐ und Gewichtsverringerungen im Vergleich zu konventionellen Materialien. Bei der umformenden Bearbeitung derartiger Werkstoffe werden die verwendeten Werkzeuge jedoch mechanisch und thermisch wesentlich höher belastet. Problematisch sind besonders eine erhöhte Adhäsionsneigung und die abrasive Wirkung eingelagerter Verstärkungspartikel. Gleichzeitig soll aus Gründen des Umweltschutzes der Einsatz von Trenn‐ und Schmiermitteln reduziert werden. Aus diesem Grunde ist ein verbesserter Verschleißschutz der Werkzeugoberflächen durch Beschichtung oder Randschichtveränderungen erforderlich. In der Regel genügt es nicht, vorhandene Werkzeuge zu beschichten, sondern Werkzeuggeometrie, Schicht‐Substrat‐Paarung und Schichtdicke müssen auf die Beanspruchungen abgestimmt werden. Dazu ist die Methode der Finiten Elemente (FEM) ein gut geeignetes Mittel. Im Teilprojekt B1 des SFB 692 werden deshalb numerische Modelle zur Analyse und Optimierung beschichteter Umformwerkzeuge für hochfeste Aluminiumlegierungen entwickelt. Ein wesentlicher Bestandteil dieser Arbeiten ist die Bestimmung unbekannter Modellparameter. Auch hierzu wird die FEM in Verbindung mit experimentellen Untersuchungen eingesetzt. Der Beitrag beschreibt die Vorgehensweise an ausgewählten Beispielen für DLC‐Beschichtungen (DLC = diamond like carbon). In Voruntersuchungen haben sich DLC‐Schichten trotz der hohen Kohlenstoffaffinität von Aluminium als vielversprechend herausgestellt.With the ambition for improved efficiency of energy and resources the light weight construction in engineering and vehicle construction and therefore also the usage of light but high strength aluminum alloys gains importance. Components made from new composite materials and combinations of materials offer the ability of considerable decrease in size and weight compared with conventional materials. But in the forming machining of such materials the mechanical and thermal demand on the tools is much higher. Especially the higher affinity towards adhesion and the abrasive impact of embedded reinforcement particles is critical. Simultaneously the usage of lubricants and release agents shall be reduced due to antipollution reasons. Therefore an improved wear resistance of the tool surfaces by coatings or modification of the surface layer is necessary. Generally it is not enough just to coat the existing tools but tool geometry, coating‐substrate‐matching and coating thickness has to be adjusted to the loading. For that purpose the method of finite elements (FEM) is a good choice. In the subproject B1 of the SFB 692 numerical models for analyzing and optimizing of coated tools for high strength aluminum alloys are to be developed. A main part of this work is the determination of model parameters. Even here the FEM in combination with experimental analysis is used. The article describes the approach via selected examples of DLC coatings. Preliminary studies pointed out the suitability of DLC coatings despite the high carbon affinity of the aluminum.