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Wednesday, September 16, 2020, Virtueller Raum 2 3:15 PM Faszination Oberfläche - Auftragschweißen II |
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Steigern der Standzeiten von Mikroabformwerkzeugen durch den Einsatz laserdispergierter MMC-Werkstoffschichten |
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Annika Bohlen / BIAS - Bremer Institut fuer angewandte Strahltechnik GmbH, Deutschland Annika Bohlen* / BIAS - Bremer Institut fuer angewandte Strahltechnik GmbH, Deutschland Anatoly Fedorov Kukk/ BIAS - Bremer Institut fuer angewandte Strahltechnik GmbH, Deutschland Frank Vollertsen/ BIAS - Bremer Institut fuer angewandte Strahltechnik GmbH, Deutschland Christian Jahnke/ Fraunhofer-Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik IPK, Deutschland |
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Der Mikrospritzguss ist ein wichtiges Fertigungsverfahren für die Massenproduktion von Kleinteilen aus Kunststoff. In dieser Branche unterliegen die Abformwerkzeuge lokal hohen Belastungen und Verschleiß, die die Lebensdauer des Werkzeugs und so auch die maximalen Standzeiten deutlich reduzieren. Der Ersatz von verschlissenen Werkzeugen führt zu hohen Kosten und Maschinenstillstandzeit in der Produktion. Ein typischerweise genutzter Werkstoff für Abformwerkzeuge ist gehärteter Stahl. Die Zerspanung von gehärtetem Stahl ist problematisch aufgrund des starken chemischen Verschleißes der Mikrofräswerkzeuge. Hierdurch wird die Präzision der Abformwerkzeuge reduziert und die Produktionskosten drastisch erhöht. Alternative Werkstoffe für Abformwerkzeuge sind leicht zerspanbare Kupfer- und Aluminiumlegierungen. Diese bieten eine bessere Bearbeitbarkeit, ermöglichen höhere Produktionsgeschwindigkeiten und führen zu einer höheren Gesamtqualität der Werkzeuge. Die Abformwerkzeuge aus diesen Werkstoffen weisen jedoch im Vergleich zu Werkzeugen aus gehärtetem Stahl deutliche geringere Standzeiten auf, da sie eine geringere Verschleißfestigkeit besitzen. Darüber hinaus sind bei der Abformung von Verbundwerkstoffen mit Füllstoffen, wie z. B. Glaskugeln, Glasfasern, CFK-Fasern und Cellulose-Fasern, die Standzeiten aufgrund eines stärkeren abrasiven Verschleißes bis zu einem Faktor 1000 niedriger. Eine Lösung für dieses Problem ist die Verstärkung der Kupfer- bzw. Aluminiumoberflächen des Abformwerkzeugs mittels Laserdispergieren. Durch das Schmelzen von Oberflächen mit einem Laser und die Einbringung von Hartpartikeln ins Schmelzbad wird in den Bereichen des Werkzeugs, in denen mit hohen Beanspruchungen oder Verschleiß zu rechnen ist, ein Metallmatrix-Verbundwerkstoff (metal matrix composite-MMC) erzeugt. Bei der Einbringung von Hartpartikeln mit einer hohen Härte von bis zu 3000 HV, wie z. B. sphärischem Wolframschmelzcarbid (sWSC), wird eine MMC-Schicht mit einer sehr hohen Verschleißfestigkeit erzielt, die die Standzeiten des Abformwerkzeugs signifikant erhöhen kann. Die Homogenität der MMC-Schicht, die für eine bessere Verschleißfestigkeit erforderlich ist, wird unter anderem durch ein ungleichmäßiges Temperaturfeld beeinträchtigt. Eine Wärmeakkumulation soll vermieden werden, indem ein Quotienten-Pyrometer für die Reglung der Laserleistung benutzt wird. Die Regelung ermöglicht die Fertigung von MMC-Beschichtungen mit einer homogenen Einschweißtiefe sowie einer homogenen Hartpartikelverteilung und einem homogenen Hartpartikelgehalt. |