Forschung

The project focuses on developing copper coatings for complex hollow structures, addressing the full manufacturing chain from substrate pre-treatment, electroless copper deposition (to metallize non-conductive polymer and wax substrates) to electroplating with thicker copper layers. Key challenges include achieving uniform copper coverage on complex geometries, controlling current density during electroplating, and ensuring proper electrolyte flow within hollow structures. Process parameters and electrolyte compositions are systematically optimized, and optical microscopy is used to evaluate coating quality. Laboratory-scale, 3D-printed fixtures are designed to hold the hollow parts, guide electrolyte flow, and position anodes, enabling experimental testing and practical process control. The work also generates input data for COMSOL simulations to model current density distribution, supporting the design of uniform copper growth and scalable industrial processes.
The final goal is to achieve high-quality copper coatings on challenging geometries with controlled processes that can be scaled up.

Selbstfließende Legierungen sind ein bewährter Beschichtungswerkstoff für Anwendungen bei komplexen Beanspruchungsprofilen. Durch das Umschmelzen der thermischen Spritzschicht bildet sich eine mediendichte und festhaftende Schicht aus. Im Bereich des Armaturenbaus sind umgeschmolzene Nickelbasislegierungen etablierte metallische Dichtsysteme. Eine Reduzierung der Reibverluste in Dichtsystemen steigert die Kosten- und Energieeffizienz maßgeblich. Gegenwärtig werden zusätzlich reibungsreduzierende diamantähnliche Kohlenstoffschichten (DLC) auf die umgeschmolzene metallische Oberfläche aufgebracht. Eine vielversprechende Alternative zu dem beschriebenen Schichtverbund stellen in die Schicht eingebrachte Festschmierstoffe dar. Ziel aktueller FuE Aktivitäten ist die Entwicklung einer selbstfließenden Legierung mit strukturell eingebundenen Festschmierstoffen sowie deren prozesstechnische Verarbeitung im thermischen Spritzprozess.

Leichtbau gewinnt in vielen Branchen an Bedeutung, da geringere Massen bewegter Bauteile große Energieeinsparungen ermöglichen. Faserverstärkte Kunststoffe bieten hierfür sehr gute gewichtsspezifische Eigenschaften, sind jedoch in Verarbeitung und Gestaltung anspruchsvoll. Während etablierte Verfahren wie Handlaminieren, PrePreg-Autoklav oder Harzinjektion endkonturnahe Bauteile ermöglichen, eröffnet die additive Fertigung neue konstruktive Freiheiten. Sie erlaubt komplexe Geometrien und die Integration mehrerer Bauteile zu einer einzigen funktionsintegrierten Komponente. Dadurch steigt das Interesse von Maschinenbau, Automobil-, Elektro- und Medizintechnik an kosteneffizient herstellbaren Hybridbauteilen aus Metall und Kunststoff.
Für solche Hybridstrukturen ist eine geeignete Oberflächenbehandlung der Metallhalbzeuge entscheidend, damit Kunststoffe im FFF Verfahren direkt und dauerhaft haftend aufgedruckt werden können. Das geplante Projekt entwickelt dafür neue Beschichtungen für 3D geformte Metallsubstrate. AxynTeC erarbeitet eine erweiterte Diamond Like Carbon Technologie sowie Kombinationen aus DLC und Organosilikaten. Die TU Chemnitz formuliert die Organosilikat Beschichtungen und untersucht das Kunststoff-Aufdrucken im FFF Prozess. Der innovative Ansatz liegt insbesondere im In situ Einbau der Organosilikatkomponente in die DLC Schicht, was sowohl technologisch als auch prozesstechnisch neuartig ist und die Grundlage für leistungsfähige Metall Kunststoff Hybridbauteile schaffen soll.

Im IGF-Projekt KOPRA wird eine großserienfähige Prozesskette zur Herstellung oxidationsgeschützter C/C-Profilstrukturen für Hochtemperaturanwendungen entwickelt. Ausgangspunkt sind pultrudierte CFK-Profile auf Basis von Kohlenstofffasern und Phenolharz (Fraunhofer IWU Chemnitz), die anschließend über Pyrolyse und Nachverdichtung zu kohlenstofffaserverstärktem Kohlenstoff (C/C) umgewandelt werden (Professur Verbundwerkstoffe und Werkstoffverbunde). Diese Werkstoffklasse zeichnet sich durch geringe Dichte, hohe Warmfestigkeit und sehr gute Thermoschockbeständigkeit aus und bietet damit großes Potenzial für Bauteile in Industrieöfen, beispielsweise für Chargiergestelle. Eine zentrale Herausforderung stellt zudem die Oxidationsanfälligkeit des C/C-Werkstoffs sowie dessen begrenzter Verschleißwiderstand dar.
Die Arbeiten der Professur Werkstoff- und Oberflächentechnik (WOT) fokussieren sich daher auf die Entwicklung geeigneter keramischer Schutzschichten, die mittels atmosphärischem Plasmaspritzen auf die C/C-Substrate appliziert werden. Ziel ist die Realisierung dichter, haftfester Beschichtungen, die den Werkstoff vor Oxidation, abrasivem Verschleiß sowie vor der Diffusion von Kohlenstoff in die zu behandelnden metallischen Bauteile schützen. Durch die gezielte Einstellung der Phasenstruktur und der thermischen Ausdehnung sollen thermisch induzierte Spannungen reduziert und die Rissbildung unter thermozyklischer Beanspruchung minimiert werden.
Die Arbeiten umfassen die werkstoffspezifische Anpassung des Spritzprozesses, die Charakterisierung der Mikrostruktur sowie umfangreiche Funktionsprüfungen hinsichtlich Haftfestigkeit, Thermowechselbeständigkeit, Verschleißverhalten und Oxidationsschutz. Ziel ist die Entwicklung eines robusten Beschichtungssystems für pultrudierte C/C-Profile, das eine signifikante Lebensdauersteigerung der Bauteile ermöglicht und damit neue wirtschaftliche Einsatzmöglichkeiten für C/C-Werkstoffe im Industrieofenbau eröffnet.

Die plasmaelektrolytische Oxidation (PEO) ist ein Verfahren zur Erzeugung von oxidischen Konversionsschichten, die sich u. a. hervorragend als Korrosionsbarriere und zur Adhäsionsförderung im Interface von Metall-Kunststoff-Verbunden eignen. Industriell wird die PEO im Elektrolytbad durchgeführt. Angesichts hoher Prozessspannungen und Stromdichten ist eine Energieeinsparung durch Begrenzung des PEO-Prozesses auf ausgewählte Funktionsflächen sinnvoll. Dies gelingt bislang ausschließlich durch aufwendiges Maskieren. Dazu stellt die PEO mit einem Elektrolytstrahl (Jet-PEO) eine vielversprechende Alternative dar. Zudem können Bauteile, die bislang im Badprozess nicht handhabbar sind, lokal begrenzt mit PEO-Schichten versehen werden. Die gezielte Herstellung adhäsionsfördernder PEO-Schichten mit poröser, hinterschnittreicher Schichtoberfläche ist jedoch derzeit nicht möglich. Deshalb zielt das vorliegende Projekt auf die wissenschaftliche Durchdringung der Prozess-Mikrostruktur-Eigenschafts-Beziehungen bei der Jet-PEO ab. Zunächst werden die notwendigen Grundlagen für einen stabilen Jet-PEO-Prozess mit möglichst geringer Zündspannung und hoher Schichtbildungsrate durch gezieltes Elektrolytdesign geschaffen. Basierend auf den Zusammenhängen zwischen elektrischen Parametern, Entladungscharakteristik und Mikrostruktur sowie Morphologie der PEO-Schichten wird ein FEM-Simulationsmodell entwickelt. Multiphysikalische FEM-Simulationen finden für die Gestaltung des freistrahlgeführten Prozesses hinsichtlich Strömungsmechanik, Strahlgeometrie und elektrischer Prozessführung Anwendung. Mit dem Jet-PEO-Prozess werden punkt- und linienförmige Oxidstrukturen auf Substratoberflächen realisiert. Die Charakterisierung der Oxidstrukturen erfolgt insbesondere durch elektrochemische Prüfung der Mediendichtheit mittels Mikrokapillartechnik sowie durch die Bewertung der Oberflächentopografie anhand fraktaler Algorithmen.

Das Vorhaben REDUCE hat die signifikante Senkung des Ressourcenverbrauchs der industriellen Produktion zum Ziel. Damit adressiert es den maßgeblichen Anteil dieses Sektors am nationalen Verbrauch von Ressourcen wie Energie (aktuell ca. 70 %) und trägt zu den (inter)nationalen Bestrebungen hin zu einer ressourceneffizienten Gestaltung der Industrie bei, welche vor dem Hintergrund der aktuellen Klimakrise dringend notwendig ist. Erreicht wird dieses Ziel durch einen transdisziplinären Lösungsansatz, der technikbezogene Digitalisierung und effiziente Automatisierungslösungen mit einer konsequent menschzentrierten Technikgestaltung verbindet, welche Anwendende zu ressourceneffizientem Handeln in der Produktion befähigt. Diesem Ansatz folgend sieht der Arbeitsplan zwei komplementäre Analyseansätze vor, welche in konkreten Gestaltungslösungen zusammengeführt werden. So wird einerseits mittels moderner Sensor- und Messtechnik eine umfangreiche Datenbank aller für den Ressourcenverbrauch relevanten technischen Parameter auf verschiedenen Ebenen der Produktion erstellt, auf deren Basis konkrete Einsparungspotenziale identifiziert werden. Andererseits werden in einer umfassenden Prozessanalyse Arbeits- und Prozessabläufe menschlicher Akteure systematisch beschrieben, woraus Handlungsoptionen zur Verbrauchssenkung abgeleitet werden. In systemischer Betrachtung beider Analysen werden Maßnahmen zur Reduktion des Ressourcenverbrauchs entwickelt und in Form eines Demonstrators umgesetzt. Das Vorhaben schafft belastbare Erkenntnisse über Ressourceneinsparungspotenziale im produzierenden Gewerbe durch menschzentrierte Energiemanagment- und Informationssysteme. Die Ergebnisse haben hohes Transferpotenzial und können neben der wissenschaftlichen Verbreitung auch in kommerziellen Anwendungen industrienah verwertet werden. Ermöglicht wird der transdisziplinäre Ansatz des Vorhabens durch ein Konsortium mit Partnern aus Technik und Produktion, Visualistik und Psychologie.

Seit Jahren findet die Prozess- und Werkstoffentwicklung in hohen Maßen auch virtuell statt, wodurch wichtige Ressourcen (z. B. Material, Energie, Zeit etc.) eingespart werden. Um die Berechnungsgenauigkeit zu erhöhen, ist es zwingend erforderlich, reale Werkstoffdaten prozessgerecht zu ermitteln und idealerweise mathematisch zu beschreiben. Dafür bieten sich in Kombination mit einer FEM-basierten Technologiesimulation analytische oder halbphysikalische Gesetzmäßigkeiten an. Neben dem Grundwerkstoff ist vor allem bei Warmumformprozessen und da wiederum speziell bei Warmschmiedeprozessen auch der Materialverlust in Form von Oxiden (bis zu 2 % der Ausgangsmasse bei Stahlanwendungen) entscheidend und beeinflusst die Prozessführung in mehrerlei Hinsicht (Temperaturfeldausbildung, Reibungsbedingung, Werkzeugverscheiß). Deswegen sind auch diese vom Grundwerkstoff abhängigen Oberflächenveränderungen und deren Verhalten während der Erwärmungs- und Umformprozesse mittlerweile von großem Interesse, da sich der Stofffluss durch unterschiedliche Reibbedingungen, aber auch durch die Isolationswirkung von Zunder instationär ausbildet. Im vorliegenden Fortsetzungsantrag wird der Fokus auf das Zunderverhalten und -versagen beim Erwärmen und dem nachfolgendem Gesenkschmieden unter detaillierter Beschreibung seiner thermischen und mechanischen Eigenschaften gerichtet. Nur so können die Oberflächenveränderungen in Folge komplexer Beanspruchungszustände innerhalb eines realen Umformprozesses als auch deren Einfluss auf das Tribosystem numerisch beschrieben und mit den realen Versuchen kalibriert werden.

In über 90 % der Fälle ist eine zyklische Beanspruchung ursächlich für das Versagen von Konstruktionsbauteilen. Neben der Ermüdungsfestigkeit ist der Rissfortschrittswiderstand von entscheidender Bedeutung für die technische Anwendbarkeit eines Werkstoffes. Um Werkstoffe weiterzuentwickeln, muss konzeptionell in die Mikrostruktur eingegriffen werden. In klassischen Legierungen mit einem eigenschaftsbestimmenden Basiselement stößt diese Vorgehensweise allerdings zunehmend an ihre Grenzen. Anders gestaltet sich dies bei Hoch- (HEA) und Medium-Entropie-Legierungen (MEA), deren Entwicklungspotential weitestgehend unerschlossen ist. Einen vielversprechenden Vertreter dieses Legierungskonzepts für eine Anwendung unter zyklischer Beanspruchung stellt die MEA CrCoNi dar, da sie sich durch einen hohen Schwellenwert für Rissfortschritt auszeichnet. Dieser wird maßgeblich durch die chemische Zusammensetzung der Legierung als auch durch das gezielte Einbringen von Mikrostrukturdefekten beeinflusst. Besonders durch letztere Methode kann die Mikrostruktur eines Werkstoffes auf den jeweiligen Anwendungsfall abgestimmt werden. Deshalb liegt der Forschungsschwerpunkt auf der Mikrostruktureinstellung im System CrCoNi mithilfe einer hochgradig plastischen Umformung in Kombination mit einer darauf abgestimmten Wärmebehandlungsroute. Ziel ist es, eigenschaftsrelevante Mikrostrukturelemente zur Beeinflussung des Schwellenwertes zu identifizieren und deren Einfluss bezogen auf den Anteil im Gefüge zu beurteilen. Dadurch lassen sich Mikrostrukturelemente wie Zwillinge, Korngröße und deren Verteilung sowie deren Wechselwirkung mit anderen Gitterfehlern, wie Stapelfehlern, in Bezug auf ihre Wirkung auf den Schwellenwert für Rissfortschritt erforschen. Besonders die Wirkung von Zwillingen soll ermittelt werden, da diesen eine Schlüsselrolle bei der Entwicklung ermüdungsfester Werkstoffe zukommt.

Die plasmaelektrolytische Oxidation (PEO) ist ein innovatives Verfahren zur Erzeugung keramischer Schutzschichten. Komplex geformte Aluminiumbauteile können für Einsatzgebiete qualifiziert werden, die eine hohe Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit erfordern, sodass über den werkstofflichen Leichtbau ein Beitrag zur Ressourceneffizienz gewährleistet werden kann. Ein limitierender Faktor für die Einsatzgebiete ist die häufig aus der PEO resultierende Herabsetzung der Schwingfestigkeit aufgrund des spröden Schichtcharakters. Da zyklische Beanspruchungen aber in den meisten Anwendungsgebieten und im Besonderen bei bewegten Systemen vorliegen, ist es notwendig, die Schadenstoleranz der Schichten und somit die Lebensdauer des beschichteten Bauteils zu erhöhen. Keramische Werkstoffe, die hohe Anforderungen an die zyklische Belastbarkeit erfüllen, basieren in der Regel auf Zirkoniumoxid, da dieses eine höhere Risszähigkeit im Vergleich zu Aluminiumoxid aufweist. Das Ziel des beantragten Vorhabens ist daher, die Schwingfestigkeit von plasmaelektrolytisch oxidierten Aluminiumsubstraten durch die Formierung risszäher, schadenstoleranter Kompositkeramikschichten bestehend aus Al2O3/ZrO2 zu verbessern. Dafür werden REACH-konforme Zr-haltige Elektrolyte entwickelt, die eine Erzeugung dieser Schichten durch PEO ermöglichen. Die komplexen Zusammenhänge zwischen dem PEO-Prozess (Elektrolytzusammensetzung, elektrisches Regime und Behandlungszeit) und der Zusammensetzung der Kompositkeramikschichten (Volumenanteil, Phasenverteilung der ZrO2-Verbindungen) werden mit optischer Emissionsspektroskopie und der Verwendung und Weiterentwicklung einer in vorhergehenden DFG-Vorhaben erarbeiteten Prozessdiagnostiksoftware, die optische, elektrische und spektrale Prozessinformation zusammenfasst und auswertet, systematisch erforscht. In Rückkopplung mit mikrostrukturellen, mikro- und makromechanischen Analysen, können grundlegende Erkenntnisse hinsichtlich der Wirkbeziehungen zwischen der Schichtmikrostruktur und den bruchmechanischen Eigenschaften der Schicht sowie der resultierenden zyklischen Belastbarkeit des Systems aus Schicht und Aluminiumsubstrat gewonnen werden. Im Fokus steht ein umfassendes Verständnis der Inkorporationsmechanismen von ZrO2-Phasen in die Aluminiumoxidschicht in Abhängigkeit des PEO-Prozessregimes sowie die Einflussbewertung der Zirkoniumoxidphasen auf die Rissinitiierung unter zyklischer Belastung und die lokale Risszähigkeit in Korrelation mit der Schichtmikrostruktur und der Schadenstoleranz der Kompositkeramikschichten.

Im Zusammenhang mit dem Erreichen globaler Ziele, wie der Verringerung der Nutzung fossiler Energieträger sowie des Ausstoßes von Treibhausgasen, spielen Leichtbaukonzepte eine zentrale Rolle. Die Substitution metallischer Bauteile durch Metall-Kunststoff-Verbunde geht mit einer Reduzierung der Masse einher. Entsprechende Verbindungen unter dem Einsatz von Duroplasten sind im Luftfahrsektor etabliert. Der hohe Herstellungsaufwand steht allerdings einem breiten Einsatzbereich entgegen. Die Substitution durch Thermoplaste stellt einen geeigneten Lösungsansatz dar. Die resultierende Verbundfestigkeit kombiniert form-, stoff- sowie kraftschlüssige Anteile und beruht größtenteils auf mechanischer Verklammerung. Durch eine gezielte Bearbeitung bzw. Mikrostrukturierung des metallischen Verbundpartners sind eine Erhöhung der Verbundfestigkeit und eine Erweiterung des Einsatzspektrums möglich.
Im Projekt werden die Ziele verfolgt, Algorithmen zur Bewertung definiert eingestellter Oberflächenfeingestalten anhand der fraktalen Geometrie zu formulieren sowie die Zusammenhänge zwischen dieser und der interlaminaren Festigkeit unter der Berücksichtigung chemischer Ober- bzw. Grenzflächeneigenschaften zu ermitteln. Durch die Oberflächenkonditionierung auf unterschiedlichen Skalierungsebenen sowie die Modifikation mit Organosilanen sollen die Gültigkeitsbereiche der getroffenen Annahmen identifiziert werden. Zur gezielten Steigerung der Verbindungsfestigkeit soll ein Prozess mit geometrisch bestimmten Schneiden zur definierten Einstellung der Oberflächenfeingestalt entwickelt werden.
Die Herstellung definierter Oberflächenfeingestalten erfolgt zunächst mittels Laserbearbeitung. Entsprechend bearbeitete Probekörper werden u. a. zur Bestimmung der Messbedingungen für die Erfassung der Eigenschaften der Mikrostrukturen genutzt, um anschließend die fraktale Dimension bestimmen zu können. Ähnliche Probekörper werden ebenfalls für die Beschichtung mit haftvermittelnden Organosilanschichten verwendet. Auf Basis der Scherfestigkeitsuntersuchungen können eine Steigerung der Verbindungsfestigkeit mit größer werdender Strukturdichte sowie eine weitere Erhöhung durch die Beschichtung mit Organosilan nachgewiesen werden. Zur Mikrostrukturierung des metallischen Fügepartners wird das Ultrasonic vibration assisted deformational machining (UVADM) entwickelt. Unter Nutzung von FE-Simulationen erfolgt die Auslegung der Werkzeuggeometrie sowie relevanter Bereiche der Bearbeitungsparameter. In den experimentellen Untersuchungen werden die Einflüsse der Werkzeuggeometrie und der Bearbeitungsbedingungen auf die Oberflächeneigenschaften ermittelt. Die Analyse zeigt eine hohe Übereinstimmung mit den Simulationen. Zusammenhänge zwischen Oberflächenfeingestalt und Festigkeit des Metall-Kunststoff-Verbundes wurden ermittelt. Im Ergebnis der Untersuchungen hat sich gezeigt, dass die fraktale Dimension ein geeignetes Mittel zur quantitativen Bewertung der Zusammenhänge darstellt.

Das Erfüllen der zunehmenden Anforderungen in der Galvanotechnik, Schichtabscheidungen auch auf komplex ausgeformter Ware in hoher Qualität und Homogenität auszuführen, erfordert neben einem tiefgehenden Prozessverständnis üblicherweise auch eine aufwendige Elektrolyt- und Prozessentwicklung. Um diese Aufwendungen zu reduzieren, kommen zunehmend numerische Simulationen zum Einsatz. Nach dem Stand der Technik besteht jedoch nur unter starken Vereinfachungen bzw. der Nutzung angenommener, aber unbelegter, Randbedingungen die Möglichkeit zur Simulation galvanischer Abscheidungen. Moderne Entwicklungen in der mathematischen Modellierung, Informationstechnik und in der mathematischen Algorithmik sowie immer leistungsfähigere Hardware ermöglichen aber, die Anzahl solcher, die Genauigkeit einschränkender Modellannahmen immer mehr zu reduzieren.
Das Projekt dreht sich um die Einbindung der Komplexierung und der Erweiterung der Formulierung der Elektrodenreaktionen in die Modelle galvanischer Abscheidungen. Neben der mathematischen Modellierung galvanischer Abscheidungen ist auch die inverse Berechnung der Modellparameter aus eigens angepassten Experimenten wie der ortsaufgelösten Titration in einer Strömungszelle zur Bestimmung der Elektrodenreaktionen ein wesentlicher Teil des Projektes. Ziel des Projektes ist die Erweiterung der vorhandenen Werkzeuge in der Simulation und Parameterbestimmung, um den Schichtbildungsprozess präziser als bisher abbilden zu können.

Die Energiewende ist ein zentraler Baustein für eine nachhaltige und klimaneutrale Zukunft. Wasserstofftechnologien, insbesondere Brennstoffzellen, spielen dabei eine Schlüsselrolle, da sie hohe Wirkungsgrade, kurze Betankungszeiten und große Reichweiten ermöglichen. Eine zentrale Komponente der Brennstoffzelle ist die Bipolarplatte (BPP), die die Verteilung der Reaktionsgase sowie den Abtransport von Strom, Wärme und Wasser gewährleistet. Die breite Anwendung wird derzeit jedoch durch hohe Systemkosten begrenzt, wobei die BPP einen wesentlichen Kostenanteil darstellt.
Ein vielversprechender Ansatz zur Steigerung der Wirtschaftlichkeit ist die Reduzierung der Foliendicke metallischer BPP von derzeit etwa 100 µm auf 50-75 µm. Dies ermöglicht Material- und Gewichtseinsparungen, eine höhere Leistungsdichte sowie kompaktere Flussfeldstrukturen. Allerdings stellt die Umformung ultradünner Folien eine erhebliche Herausforderung dar. Bei Dicken ≤ 75 µm treten vermehrt lokale Ausdünnungen und Rissbildungen auf, die sich mit konventionellen mechanischen Modellen nur unzureichend vorhersehen lassen. Einen entscheidenden Einfluss hat hierbei die Mikrostruktur, insbesondere das Verhältnis von Korngröße zu Foliendicke.
Ziel des Vorhabens ist die Entwicklung einer Methodik zur Qualifizierung metallischer Folien zur Herstellung ultradünner BPP. Dazu werden dünne Folien gezielt rekristallisiert, um geeignete Mikrostrukturen zu erzeugen und die Umformbarkeit zu verbessern. Auf dieser Basis werden Flussfeldgeometrien numerisch ausgelegt, gefertigt und unter praxisnahen Bedingungen experimentell validiert.
Durch die Verknüpfung von Werkstoffwissenschaft und Umformtechnik soll die Prozesssicherheit bei der Verarbeitung ultradünner Folien deutlich erhöht werden. Dies ermöglicht die Herstellung leichterer und leistungsfähigerer Brennstoffzellen und trägt wesentlich zur Kostensenkung sowie zur Weiterentwicklung nachhaltiger Wasserstofftechnologien bei.

Das Ziel des Vorhabens besteht darin, eine Absenkung der Prozessenergie beim Diffusionsschweißen von Nickel bei hoher Verbindungsfestigkeit zu erreichen. Die Reduktion von Fügetemperatur und Haltezeit erfolgt durch eine wissensbasierte Gestaltung definierter Randschichteigenschaften der Fügeflächen. Hierzu werden die Fügeflächen durch Drehbearbeitung und durch Diamantglätten vorkonditioniert. Die dadurch beschleunigte Diffusion reduziert die nötige Prozessenergie und erlaubt somit das Fügen temperaturempfindlicher Bauteile. Die Ergebnisse werden in einem Vorhersagemodell zusammengeführt, das die Fügeparameter und die zu erwartende Verbindungsfestigkeit mit der Mikrostruktur der Randschicht korreliert.

Wolframcarbid-Kobalt (WC-Co) Hartmetallschichten dominieren seit vielen Jahren als Verschleißschutzschichten in zahlreichen Anwendungsgebieten. Die extrem hohe Leistungsfähigkeit der Schichten basiert auf der nahezu perfekten Wechselwirkung zwischen hartem Wolframcarbid und duktiler Kobaltmatrix. In den vergangenen Jahren intensivieren sich jedoch die Bestrebungen zur Substitution dieses dominierenden Schichtsystems, da die zukünftige Verwendung von Kobalt aufgrund der kanzerogenen Wirkung (REACH-Verordnung) und Wolfram durch die Einordnung der EU als „critical raw material“ (CRM) eingeschränkt werden könnte. Zur Verbesserung der Wettbewerbsfähigkeit ist die Entwicklung alternativer Schichtsysteme erforderlich. Im Rahmen des Forschungsvorhabens wird daher die Leistungsfähigkeit niobcarbidbasierter, kobaltfreier Hartmetallschichten untersucht. Niobcarbid weist dabei einige vielversprechende Eigenschaften auf. Hierzu zählen hohe Härte, gute Oxidationsbeständigkeit und verbesserte Wechselwirkungen mit kobaltfreien Bindern (z. B. Fe-basiert) im Vergleich zu WC. Innerhalb des Projektes werden mehrere experimentelle Pulverwerkstoffe durch Agglomerieren und Sintern hergestellt und mittels Hochgeschwindigkeitsflammspritzen und Laserauftragschweißen verarbeitet. Durch Anpassung des Pulverwerkstoffs und der Verarbeitungsprozesse wird die Applikation qualitativ hochwertiger NbC-basierter Hartmetallschichten angestrebt, deren Eigenschaftsprofil abschließend ausführlich charakterisiert und mit industriell eingesetzten Referenzsystemen (WC-Co, Cr3C2-NiCr, (Ti,Mo)(C,N)) verglichen wird.

Neben dem verstärkten Einsatz von batteriebasierten Antrieben stellt die Nutzung von grünem Wasserstoff für Brennstoffzellen die Antriebstechnik der Zukunft dar. Im Vergleich zu batteriegetriebenen Fahrzeugen geht diese Technologie mit einem deutlich geringeren Gewicht der Antriebseinheit sowie dem weitgehenden Verzicht auf nur im begrenztem Maße vorhandenen und mit starker geopolitischer Abhängigkeit verbundenen Werkstoffen wie dem nur aufwendig zu gewinnenden Element Lithium. Zur Wasserstoffspeicherung bei erhöhtem Druck hat sich Magnesium bewährt, das Magnesiumhydride bildet und damit den Wasserstoff aufnehmen und ihn bei Bedarf wieder abgeben kann.

Die zentrale Zielstellung des Vorhabens besteht in der Verbesserung der Kinetik der Wasserstoffaufnahme und -abgabe von Magnesium. Mit unterschiedlichen Verfahren erfolgt hierzu die gezielte Modifikation von magnesiumbasiertem Pulver zur Erhöhung der Versetzungsdichte und zum Einbau von katalytisch wirksamen Verbindungen.

Das Hauptziel des Projektes ist die Entwicklung einer simulationsbasierten Prozesskettenoptimierung zur Energie- und Ressourceneinsparung bei energieintensiven Verfahren sowie die Erhöhung des Digitalisierungsgrades durch die Zusammenführung der notwendigen Prozessmodelle. Dafür werden durch den Einsatz und die Weiterentwicklung von Simulationssoftware für das Ur- und Umformen die verschiedenen Prozessketten optimiert und somit kostenintensive Energieeinträge sowie Ausschuss verringert, um hohe Energieeinsparpotentiale zu erreichen und die bei der Produktion entstehenden CO2-Emissionen deutlich zu verringern. Mit Hilfe von kommerzieller Simulationssoftware sollen anfangs die existierenden Ur- und anschließenden Umformprozesse visualisiert werden, um auch die weitestgehend getrennt existierenden Simulationsansätze ("Insellösungen") miteinander zu kombinieren. Die Messergebnisse aus Labor und Praxis sowie die kalibrierten Simulationsergebnisse werden gemeinsam genutzt, um Optimierungspotenziale über alle Prozessschritte hinweg zu erarbeiten. Dazu zählen vor allem die Energieeinsparung im Bereich der Wärmebehandlung und Umformung und der ebenfalls angestrebte reduzierte Ausschussanteil. Am Projektende werden weiterentwickelte Simulationsprogramme auf dem Markt angeboten, um solch verknüpfte Prozesse abbilden zu können. Weiterhin wird eine Modellierungsstrategie entwickelt, um diese auf andere Werkstoffe oder artverwandte Prozesse zu übertragen. Zudem werden Prozesskarten für diverse Ur- und Umformverfahren und eine breite Werkstoffgruppe entwickelt, bei denen die optimierten Strategien Berücksichtigung finden, um Energie und Ausschuss zu reduzieren.

Das Verfahren der inkrementellen Blechumformung (IBU) bietet die Möglichkeit, Bauteile in kleinen Losgrößen anforderungsgerecht und wirtschaftlich zu fertigen. Das Einsatzverhalten wird maßgeblich durch den im Bauteil vorherrschenden Eigenspannungszustand bestimmt. Ziel des Forschungsvorhabens ist die Verbesserung des Einsatzverhaltens inkrementell umgeformter Bauteile durch die gezielte Einstellung des Eigenspannungszustands. Die Eigenspannungen werden durch die Prozessführung der inkrementellen Blechumformung lokal definiert in das Werkstück eingebracht. Im Rahmen der ersten Förderperiode wurde gezeigt, dass die Prozessparameter der IBU die Umformmechanismen Biegung, Scherung und Normalspannung unmittelbar beeinflussen und sich auf Höhe und Vorzeichen der Eigenspannungen auswirken. Im Fokus der zweiten Förderperiode steht die Überprüfung der erzielbaren Eigenschaftsverbesserung umformtechnisch hergestellter Bauteile durch die Eigenspannungseinbringung. Dabei werden Prozesserweiterungen betrachtet, die eine Intensivierung oder Vorzeichenumkehrung der Eigenspannungen ermöglichen. In der dritten Projektphase steht die Vorhersagbarkeit der Eigenschaftsverbesserung für den Betrieb der Bauteile sowie die Eigenspannungsstabilität unter den spezifischen Einsatzbedingungen im Dauerbetrieb und korrosiver Umgebung im Fokus. Die gewonnenen Erkenntnisse ermöglichen eine anforderungsgerechte Auslegung und Fertigung von Bauteilen.

Die Erhöhung der Lebensdauer von Funktionsoberflächen bildet die Grundlage eines verantwortungsvollen Umgangs mit den vorhandenen natürlichen Ressourcen. Dies gilt insbesondere für Schutzbeschichtungen, die bei Bearbeitungs- und Schneidanwendungen eingesetzt werden. Das Projektziel ist die Entwicklung neuartiger superharter Schutzschichten für Holzschneide- und -bearbeitungswerkzeuge. Um unter punktueller Krafteinwirkung ein sprödes Versagen der Dünnschichten zu verhindern, werden verschiedene Möglichkeiten der Oberflächenfunktionalisierung erforscht. Neben thermochemischen Prozessen zur Randschichthärtung werden mechanische Prozesse zur Kaltverfestigung betrachtet. Die Verknüpfung beider Oberflächentechnologien erlaubt die Entwicklung hierarchischer Nano-/Mikrobeschichtungen. Der Einsatz der neuen Generation von Schneidwerkzeugen zielt darauf ab, den Energieverbrauch und die Betriebskosten zu senken und die Einsatzgrenzen zu erweitern.

Der Einsatz von Cyanid als Komplexbildner für die galvanische Feingoldabscheidung wird aufgrund der potenziellen Gefährdung durch die Toxizität der Verbindungen als kritisch bewertet. Für die Anwender, die sich in der Galvanikbranche überwiegend aus KMU zusammensetzen, ist damit ein erhöhter anlagentechnischer und bürokratischer Aufwand verbunden. Eine flächendeckende Substitution scheiterte bisher an der Entwicklung geeignet Alternativen. Im Projekt wird an der Entwicklung entsprechender Alternativen gearbeitet. Die erzeugten Goldschichten bilden die Grundlage für die Herstellung sicherer Bond- und Lötverbindungen für die Verbindungstechnik. Trotz der breiten Anwendung in diesem Bereich haben cyanidische Elektrolyte neben der potenziellen Gefahr für Umwelt und Unternehmensmitarbeiter Nachteile bezüglich der Kompatibilität mit verschiedenen Resisten, die zur Strukturierung der Oberflächen eingesetzt werden. Hierdurch ergibt sich ein erhöhtes Risiko zum „Underplating“.
Im Projekt sollen neue Goldkomplexe synthetisiert und als Ausgangsverbindung für die galvanische Goldabscheidung eingesetzt werden. Am Beispiel eines neuen Di-Thioharnstoff-MSA-Gold(I)komplexes konnte die prinzipielle Machbarkeit bereits nachgewiesen werden. Auf Grundlage der erzeugten Goldkomplexe soll ein cyanidfreier Goldelektrolyt mit hoher Resist-Verträglichkeit entwickelt werden. Neben der Entwicklung des Prozessbades werden auch die Abwasserbehandlung und die benötigte Analytik in enger Abstimmung mit den beteiligten KMU in die Betrachtungen einbezogen.

Die plasmaelektrolytische Oxidation (PEO) besitzt ein großes Potenzial für den Korrosionsschutz hochfester Stähle bei gleichzeitig hervorragender Anbindung von polymeren Matrizes in modernen Werkstoffverbunden für den Leichtbau. Dafür fehlen jedoch die notwendigen Grundlagen. Im Rahmen dieses Vorhabens sollen die grundlegenden Mechanismen der Passivierung und Schichtbildung erforscht werden, um die gezielte Passivierung und Oberflächenstrukturierung von Stählen durch PEO zu ermöglichen. Für die anodische Passivierung von un- und niedriglegierten Stählen und das Erreichen der Zündspannung ist die Zugabe von Passivatoren (Silikate, Aluminate) zum Elektrolyten erforderlich. Deshalb wird zunächst das Passivierungs- und Zündverhalten mithilfe von potenzialgesteuerten Rampenversuchen erforscht. Die Passivatoren bestimmen darüber hinaus maßgeblich die chemische Zusammensetzung der PEO-Schicht. Unter Verwendung eines instrumentierten Versuchsaufbaus wird der Einfluss des Stromregimes auf Verteilung und Intensität der Funkenentladungen und die resultierende Schichtmikrostruktur ermittelt. Zudem werden optische und elektrische Prozessgrößen als Abbruchkriterien nach Entstehung einer vergleichsweise dünnen, porösen PEO-Schicht genutzt. Im Forschungsvorhaben werden im Weiteren zur Einstellung einer beanspruchbaren, formschlüssigen Metall-Kunststoff-Verbindung effektive, ausgeprägte Hinterschnitte auf der Metallseite erzeugt. Dieser Prozessschritt erfolgt vor der PEO im gleichen Bad und nutzt die anodische Metallauflösung unterhalb des Passivierungspotenzials. Die anwendungsrelevanten Eigenschaften der PEO-Schichthaftung, der Metall-Kunststoff-Verbundhaftung sowie des Korrosionsverhaltens werden in Abhängigkeit von der Schichtmikrostruktur und der Oberflächentopografie mithilfe mechanischer und elektrochemischer Methoden charakterisiert.

Infolge der vielseitigen produktionstechnischen Möglichkeiten additiver Fertigungsverfahren hinsichtlich Gestaltungs- und Designfreiheit steigt deren Marktrelevanz zunehmend an. Jedoch weisen additiv gefertigte Bauteile prozessbedingt häufig eine vergleichsweise hohe Rauheit auf, durch die das gesamte Potenzial der additiven Fertigungsverfahren zumeist nicht ausgenutzt werden kann, da die Nachbearbeitung integrierter Kühlkanäle, kleiner Bohrungen, etc. zur Verringerung der Rauheit mit einem hohen Aufwand verbunden ist. Ziel des Forschungsvorhabens ist die Entwicklung einer Prozesskette zur Oberflächenkonditionierung additiv gefertigter (SLM) Bauteile aus 17-4 PH durch Plasmapolieren und Niedertemperaturrandschichthärten. Als zentrale Forschungsfragen werden hierbei die Möglichkeiten und Grenzen des Plasmapolierens zur Reduzierung der Rauheit in schwer erreichbaren Bereichen (z. B. Mantelfläche kleiner Bohrungen) sowie die Auswirkung der prozessbedingten Mikrostruktur und des Plasmapolierens auf eine nachgelagerte Niedertemperaturrandschichthärtung untersucht. Mit Hilfe der Randschichthärtung wird das Ziel verfolgt, durch interstitielle Einlagerung von Kohlenstoff und Stickstoff im Randbereich die Verschleißbeständigkeit zu erhöhen, ohne die Korrosionsbeständigkeit zu beeinträchtigen. Innerhalb des Projekts wird zudem der Einfluss der verwendeten Pulverfraktion auf die Mikrostruktur und das Eigenschaftsprofil SLM-gefertigter Bauteile betrachtet.

Der im Projekt angestrebte technische Ansatz ist das wirtschaftliche und reproduzierbare Sintern von pulverförmigen Werkstoffen in gemischter und definierter Anordnung. Hierfür wird eine Heißpresse entwickelt welche es ermöglicht eine Druck- und Strompulsung während des Sintervorgangs durchzuführen. Ein Aufbrechen von Oberflächenoxiden soll mittels der Verwendung von Wechselstrom zur konduktiven Bauteilerwärmung erreicht werden. Mit Hilfe innovativer und zielführend eingesetzter sowie synchronisierter Messtechnik kann der gesamte Sintervorgang überwacht und analysiert werden. Auf Basis dessen wird ein Sinter- und Qualitätskriterium entwickelt, welcher es ermöglicht den Verbindungszustand zu charakterisieren und eine zerstörungsfreie Bauteilüberwachung zu erzielen. Gleichzeitig soll der Parameter Sinter- bzw. Fügezeit auf die sich ausbildende reale Anbindungscharakteristik und nicht auf Erfahrungswerte bezogen werden. Damit sinkt einerseits die Ausschussrate (Grund zu kurz gewählte Sinterzeit und somit nicht vollständige bzw. zu geringe Anbindung) und andererseits kann die Sinterzeit verkürzt werden, da der Sintervorgang nach der vollständigen Anbindung abgeschlossen werden kann.
In Kooperation erfolgt mit einem etablierten Anlagenhersteller und Dienstleister, dessen Kernkompetenz in der anwendungs- und bauteilorientierten Anlagenentwicklung für Sinterprozesse besteht, während die fügetechnische und messtechnische Kompetenz der Professur Schweißtechnik genutzt werden soll. Der Bereich der werkstofflichen Charakterisierung und Analytik zur Überprüfung der angestrebten Werkstoffqualitätsmerkmale wird durch die Professur Werkstoff- und Oberflächentechnik abgebildet.

Im ZIM-Kooperationsprojekt KorroGel wird ein neuartiges Verfahren zur schnellen und möglichst zerstörungsarmen Korrosionsprüfung thermisch gespritzter Beschichtungen entwickelt. Thermisch gespritzte Schichtsysteme werden häufig zum Verschleiß- und Korrosionsschutz eingesetzt, ihre Korrosionsbeständigkeit kann jedoch mit etablierten Prüfmethoden wie Salzsprühnebel- oder elektrochemischen Standardtests nur eingeschränkt und meist mit hohem Zeit- und Probenaufwand bewertet werden. Zudem dringen flüssige Elektrolyte häufig in die poröse Schichtstruktur ein und verursachen Korrosionsprozesse am Substrat, wodurch eine gezielte Bewertung der Beschichtung erschwert wird.
Ziel des Projekts ist daher die Entwicklung einer Korrosionsmesszelle, die in Kombination mit hochviskosen Gelelektrolyten eine schnelle elektrochemische Bewertung der Korrosionsbeständigkeit direkt am beschichteten Bauteil ermöglicht. Durch die gelartige Konsistenz des Elektrolyten wird eine Infiltration in die mikroporöse Spritzschicht verhindert, sodass der Korrosionsangriff auf oberflächennahe Bereiche beschränkt bleibt und die Eigenschaften der Beschichtung unabhängig vom Substrat bewertet werden können. Gleichzeitig erlaubt der Ansatz eine quasi-zerstörungsfreie Prüfung, die ohne aufwendige Probenpräparation durchgeführt werden kann.
Im Verbund entwickeln die Projektpartner geeignete Gelelektrolyte mit definierter korrosiver Wirkung, applizieren thermisch gespritzte Schichten mit variierter Mikrostruktur und konstruieren sowie validieren die Messzelle. Durch die Verknüpfung dieser Arbeiten sollen zuverlässige elektrochemische Kennwerte zur schnellen Bewertung der Korrosionsbeständigkeit ermittelt werden. Die entwickelte Prüfmethode soll künftig in der Werkstoffentwicklung sowie in der prozessbegleitenden Qualitätssicherung eingesetzt werden und damit eine deutlich schnellere und kosteneffizientere Bewertung von Beschichtungssystemen ermöglichen.

Elektrochemische Konversionsbehandlungen, wie eine anodische oder plasma-elektrolytische Oxidation, sind eine effektive Maßnahme, um die Korrosions- und Verschleißbeständigkeit von Aluminiumlegierungen zu verbessern. Der Konversionsschichttyp mit seiner jeweiligen Struktur und seinen Eigenschaften nimmt direkten Einfluss auf die Schwingfestigkeit und die Versagensmechanismen unter zyklischer Belastung. Dieser komplexe Zusammenhang zwischen dem einstellbaren System „Substrat mit anodischer/ plasma-elektrolytischer Schicht“ und den Ermüdungseigenschaften ist noch nicht grundlegend verstanden. Ziel des beantragten Forschungsvorhabens ist die Gewinnung eines umfassenden Verständnisses für die Auswirkung von Substrat- und Schichtmikrostruktur, der Schichtdicke, sowie einer Kaltverfestigung der Oberfläche des Substrats und einer Nachbehandlung der Konversionsschichten auf die Schwingfestigkeit im HCF-Bereich und die Schichtschädigungsmechanismen. Grundlegende Erkenntnisse zu den Wirkbeziehungen zwischen einer Konversionsschicht, deren mikrostrukturellen Eigenschaften und Eigenspannungen mit der zyklischen Belastbarkeit, der Rissinitiierung und dem Rissübergang von der Schicht in das Substrat sind im Fokus.

Das Forschungsprojekt adressiert die Reduktion verkehrsbedingter Feststoffemissionen durch die Entwicklung verschleißarmer Bremssysteme für PKW. Konventionelle Bremsscheiben aus Eisenguss unterliegen einem signifikanten Verschleiß und tragen damit wesentlich zur Partikelemission im Straßenverkehr bei.
Zur Minimierung des Verschleißes werden partikelverstärkte Aluminiummatrix-Verbundwerkstoffe (AMCs) als alternative Werkstoffe für Bremsscheiben untersucht. Eine industrielle Großserienanwendung dieser Werkstoffe ist derzeit jedoch durch unzureichend verstandene tribologische Wechselwirkungen sowie fehlende geeignete Verfahren zur funktionsorientierten Endbearbeitung eingeschränkt. Ziel des Projekts ist daher die Erarbeitung eines grundlegenden Verständnisses der Zusammenhänge zwischen Oberflächencharakteristik, Vorkonditionierung und Verschleißverhalten von AMC-basierten Bremssystemen unter anwendungsrelevanten Belastungen. Im Fokus steht das Tribosystem Bremsscheibe/Bremsbelag.
Ein zentraler Forschungsschwerpunkt ist die Entwicklung von Fertigungsstrategien zur Erzeugung funktionaler Reibflächen. Untersucht werden Oberflächenstrukturen, die eine kontrollierte Ausbildung des Tribofilms sowie ein optimiertes Einlaufverhalten ermöglichen. Hierzu werden zwei Ansätze verfolgt: der gezielte mikrometergenaue Abtrag der Matrixlegierung und die Erzeugung definierter Mikrokanten durch ultraschallunterstützte spanende Endbearbeitung. Die erzeugten Oberflächen werden mithilfe optischer, taktiler und mikrostrukturauflösender Verfahren charakterisiert. Die im Labormaßstab gewonnenen Erkenntnisse werden auf reale Bremsscheiben übertragen und gemeinsam mit dem Anwendungspartner validiert. Das Projekt verbindet werkstoffwissenschaftliche und fertigungstechnische Ansätze zu einem interdisziplinären Konzept für emissionsarme Bremssysteme.

Das Beschichtungsverfahren Kaltgasspritzen hat großes Potenzial für die additive Fertigung insbesondere von oxidationsempfindlichen Metallen, da der Werkstoff im Prozess nicht aufgeschmolzen wird. Darüber hinaus können wesentlich höhere Abscheideraten erzielt werden als mit herkömmlichen additiven Fertigungsverfahren wie dem selektiven Laserschmelzen oder dem Laserauftragschweißen. Titan gilt aufgrund seiner einzigartigen Eigenschaftskombination aus guter Korrosionsbeständigkeit, Biokompatibilität und hoher Festigkeit bei vergleichsweise geringer Dichte als Hochleistungswerkstoff. Aufgrund seines hohen Preises erscheint es jedoch für viele Anwendungen sinnvoll, Werkstoffverbunde zu verwenden, bei denen Titan nur an der Oberfläche des Werkstücks eingesetzt wird, während für das restliche Volumen kostengünstigere Werkstoffe wie Aluminium verwendet werden. Im vorliegenden Projekt wurden kaltgasgespritzte Reintitanschichten auf Al-Substraten abgeschieden und anschließend durch Gesenkschmieden und Rundkneten zu definierten 3-dimensionalen Endkonturen umgeformt.

Das übergeordnete Ziel des geplanten Vorhabens ist die Entwicklung einer geeigneten Methode zur Vorhersage von randbedingungs- und bauteilabhängigen Wärmebehandlungsparametern zur zielgerichteten Einstellung von Verarbeitungs- oder Gebrauchseigenschaften bei gleichzeitig optimierten Energieeinsatz. Die Vorhersage der Wärmebehandlungsparameter soll dabei mittels Künstlicher Neuronaler Netzwerke (KNN) in Abhängigkeit der Bauteilgeomtrie und der Chargierung erfolgen. Zeitaufwendige Vorversuche zur Einstellung des gewünschten Wärmebehandlungsergebnisses können dadurch vermieden und eine wirtschaftlichere und energieeffiziente Fertigung ermöglicht werden. Dazu wird ein datenbankbasiertes Prognosetool entwickelt und validiert, das allen interessierten Anwendern zur Verfügung gestellt wird und teure und zeitaufwendige „Trial-and-Error“-Versuche, die für jede neue Geometrie- und Chargiervariation notwendig wären, deutlich reduziert. Dieses Tool ist zweistufig aufgebaut und leistet Folgendes:
1) Zuverlässige Vorhersage der WÜK und der Wärmebehandlungsergebnisse (Eigenschaften) für verschiedene Bauteile (Wellen) in heterogen aufgebauten Chargen in Abhängigkeit vom Werk-stoff bei vorgegebenen Wärmebehandlungsparametern (Zeit, Temperatur).
2) Daraus abgeleitet erfolgt durch inverse Optimierung die energetisch und technisch optimierte Einstellung der Wärmebehandlungsparameter zur Erzielung der geforderten Bauteileigenschaften (Härte). Die Optimierung der Wärmebehandlungsparameter erfolgt dabei unter Berücksichtigung eines minimalen Energieverbrauches.

Magnesium ist der leichteste metallische Konstruktionswerkstoff und bietet daher ein enormes Gewichtseinsparungspotenzial in mobilen Systemen. Darüber hinaus ist Mg sehr gut recyclebar. Exzellente gießtechnische Verarbeitungseigenschaften sowie gutes Dämpfungsvermögen gegenüber elektromagnetischen und mechanischen Schwingungen prädestinieren Mg-Werkstoffe für den Bau von Maschinengehäusen sowie für Gestelle und Ummantelungen sensibler sensorischer, optischer und unterhaltungselektronischer Geräte.
Trotz dieser positiven Verarbeitungs- und Anwendungseigenschaften wird das Einsatzspektrum von Mg-Legierungen gegenwärtig durch deren geringe Beständigkeit gegenüber korrosiven und tribologischen Beanspruchungen limitiert. Die plasmaelektrolytische Oxidation ist ein vielversprechendes, umweltfreundliches Oberflächenveredelungsverfahren zur Begegnung dieser technischen Herausforderung. In einem vorherigen DFG-Projekt (LA 1274/34-1) gelang bereits der gezielte Einbau von Elektrolytkomponenten in die erzeugte PEO-Schicht. Es konnte gezeigt werden, dass sich durch Verwendung hochkonzentrierter Elektrolyte sehr harte, chemisch beständige Mischoxidschichten (chemische Zusammensetzung wird nicht durch Substrat-, sondern Elektrolytkomponenten dominiert) auf Mg-Oberflächen erzeugen lassen, deren Härte jene von MgO-Schichten deutlich übersteigt. Jedoch wirkt sich die fehlstellenbehaftete Morphologie derartiger Überzüge negativ auf die resultierende Korrosions- und Verschleißbeständigkeit aus. Eine Charakterisierung der komplexen Schichtbildungsvorgänge sowie der Wechselwirkungen aus chemischen und elektrischen Prozessparameter während des plasmaelektrolytischen Beschichtungsprozesses ist nach dem gegenwärtigen Stand der Technik in Ermangelung eines durchgängigen Prozessmodells jedoch nur empirisch möglich. Gegenstand des Projektes ist daher die Erforschung von Wechselwirkmechanismen der chemischen und elektrischen Prozesse während der PEO von Mg unter Mischoxidbildung.

Im beantragten Transferprojekt wurde ein zuvor in einem öffentlich geförderten Projekt ent-wickelter Direktgieß-Prozess für AMC-Werkstoffe vom Demonstrationsstadium in die in-dustrielle Anwendbarkeit überführt. Zum Ende des Förderzeitraums stand eine für Klein- und Sonderserien geeignete Gießstrecke zur Verfügung, auf der AMC-Halbzeuge für eine Weiterverarbeitung mit anwendungsrelevanten Werkstoffspezifikationen reproduzierbar hergestellt werden können. Gleichzeitig wurde eine weitere Kommerzialisierung durch die Ausgründung eines Start-Ups, der CMMC GmbH (https://www.cmmc-engineering.com/), erreicht. Produkte sind dabei sowohl Werkstoffe und Halbzeuge in Einzel- und Kleinserien als auch der Prozess und dessen lizensierte Nutzbarkeit. Anwender von AMC-Halbzeugen, AMC-Produkten und AMC-Ausgangswerkstoffen und damit potenzielle Interessenten wur-den bereits während der Dauer des Förderprojekts akquiriert und in Entwicklungen eingebunden.

Ziel des Vorhabens ist die Erarbeitung eines technikorientierten Dienstleistungs- und Softwareangebots zur Entwicklung und Realisierung kognitionsbasierter Schnittstellen für die Mensch-Technik-Interaktion (KoMTI). Durch KoMTI werden kognitionspsychologische Erkenntnisse (u.a. zu Verstehens- und Entscheidungsprozessen) mit möglichst transparenten und leistungsfähigen Algorithmen des Maschinellen Lernens abgebildet, um eine neue Interaktionsqualität zwischen Mensch und (teil)autonomen technischen/digitalen Systemen zu ermöglichen. Das Vorhaben folgt der Leitidee einer hilfsbereiten Technik, die menschliche Selbstbestimmtheit unterstützt und nicht kontrolliert bzw. einschränkt. KoMTI richtet sich an Produktentwickler aus den Applikationsbereichen "Intelligente Mobilität" und "Digitale Gesellschaft". Es adressiert neue Fragestellungen, beispielsweise die nutzerzentrierte Gestaltung automatisierter Fahrfunktionen (u.a. bzgl. des Fahrkomforts) oder die Optimierung des individuellen Umgangs mit digitalen Produkten wie Apps (z.B. hinsichtlich Interaktionsfehlern, Daten- und Privatsphärensicherheit). Ergebnis des Projektes ist ein modularer KoMTI Methodenbaukasten sowie eine Vorgehensstrategie zur Entwicklung und Realisierung menschengemäßer Interaktionsschnittstellen in komplexen Mensch-Technik-Systemen.

Das Projekt hat die Erforschung der Haftmechanismen und die Beschreibung der Haftkriterien zum Inhalt, die mittels PACVD abgeschiedene DLC-Schichten auf plasmanitrierten Stahloberflächen aufweisen. Durch ein grundlagenorientiertes und systematisches Vorgehen sollte daraufhin die Bewertung der identifizierten Haftkriterien ermöglicht werden. Ziel der Arbeiten war die Schaffung einer wissensbasierten Modellvorstellung zur Haftung von DLC-Schichten auf plasmanitrierten Stählen, die anwendungsbezogene Aussagen erlaubt, bspw. in Hinblick auf eine Haftungsmaximierung. Ausgangspunkt war die Erfahrung, dass DLC-Schichten auf plasmanitrierten Stahloberflächen im Vergleich zu unbehandelten Stählen sehr hohe Haftwerte auch ohne metallische Zwischen- bzw. Haftschichten aufweisen. Gleichzeitig ist es möglich, durch Variation der Plasmanitrierparameter unterschiedliche chemische, strukturelle und formbezogene Modifikationen der behandelten Stahloberfläche zu erhalten.

Ziel des Vorhabens ist die Weiterentwicklung von Hochentropielegierungen (HEAs) für die auf Beschichtungstechnologien angepasste Verarbeitung. Damit können kostengünstige Grundwerkstoffe so beschichtet werden, dass sie komplexe Oberflächenschutzanforderungen erfüllen. Ein zentrales Anliegen der Forschergruppe besteht darin, diese neue Werkstoffklasse auf Halbzeuge und Bauteile mit unterschiedlichen Schichtdickenanforderungen zu übertragen. Dieser Ansatz dient dem stofflichen Leichtbau. Durch den begrenzten Werkstoffeinsatz entsteht eine wirtschaftliche Verwendung dieser kostenintensiven Komplexlegierungen. HEAs bieten durch ihre herausragenden Werkstoffeigenschaften ein weitreichendes Forschungs- und Entwicklungspotenzial, das sich insbesondere auf eine höhere Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit, Temperaturfestigkeit und Kriechbeständigkeit erstreckt. Eine hohe technisch-wirtschaftliche Relevanz besitzen derartige Legierungen unter anderem für tribologisch beanspruchte Komponenten unter erhöhten Einsatztemperaturen.

Thermisch gespritzte Schichten werden im Maschinen- und Anlagenbau sowie im Werkzeug- und Formenbau angewendet. Geforderte Einsatzeigenschaften stehen dabei häufig im Zusammenhang mit der Feingestalt der Bauteiloberflächen. Beispielsweise werden für Oberflächen in tribologischen Systemen häufig definierte Ölrückhaltevolumina gefordert, um Notlaufeigenschaften sicherzustellen. Die Finishbearbeitung beeinflusst somit die Tribologie von Gleitsystemen, den entstehenden Bauteilverschleiß, thermische Effekte im Bauteilbetrieb, die Eigenschaften eingreifender Werkstoffoberflächen und vieles mehr. Sie muss deshalb einerseits an die Zielanwendung angepasst sein, andererseits zu reproduzierbaren Ergebnissen in Bezug auf die geometrischen und werkstofflichen Oberflächeneigenschaften führen.
Im Rahmen eines Forschungsprojektes wurden offenporige thermisch gespritzten Schichten gasnitriert und anschließend spanend endbearbeitet, um so einen gezielten und robust reproduzierbaren Oberflächenzustand einzustellen. Die Zielgrößen der Bearbeitung betreffen gleichermaßen die mikroskalige Oberflächentopographie, d.h. Rauheit und oberflächenoffene Porosität, als auch den mikrostrukturellen und chemischen Zustand der oberflächennahen Randzonen der endbearbeiteten Bauteile. Mit experimentellen Untersuchungen am Tribometer wurden die Bauteile abschließend auch funktional charakterisiert.

Das Verkehrswesen hat einen sehr hohen Anteil am Verbrauch von Primärenergieressourcen sowie am Ausstoß kritischer Emissionen. Folglich sind Energieeinsparung und Emissionsreduzierung von großer Bedeutung für eine nachhaltige Mobilität. Mit maßgeschneiderten Leichtbaulösungen lassen sich Synergien erreichen, die beide Problemfelder bedienen. Im Fokus des Vorhabens standen Leichtmetallbremsscheiben aus hochverstärkten Aluminium-Verbundwerkstoffen (AMC) und deren Endbearbeitung für den Großserieneinsatz in Fahrzeugen.
Ziel des beantragten Vorhabens war es, während der AMC-Bremsscheibenendbearbeitung mit Hilfe eines Smart-Tools eine Vorkonditionierung in Form eines artifiziell aufgebrachten Tribofilms auf der AMC-Oberfläche zu generieren, der einen stabilen stationären Zustands des Tribosystems zur Folge hat.

In diesem Transferprojekt sollen die im Rahmen des SFB692 gewonnenen Erkenntnisse zum Precipitation Engineering (Umformung im lösungsgeglühten Zustand und nachfolgender Ausscheidungshärtung) an Aluminiumlegierungen in die Praxis der Schraubenherstellung übertragen werden. Ziel ist es, die positiven Effekte einer verkürzten Auslagerungsdauer und einer gesteigerten Festigkeit in einer neuartigen Prozesskette nutzbar zu machen. Zusammen mit dem Praxispartner EJOT GmbH & Co. KG wird die veränderte Ausscheidungskinetik nach einer inhomogenen und mit Richtungswechseln behafteten Umformung in Modell- und Prozesskettenversuchen erforscht.

Hochlegierte martensitische nichtrostende Stähle (MNS) weisen eine gute Korrosionsbeständigkeit sowie hohe Härte und Festigkeit auf. Bauteile aus diesen Stählen werden gegenwärtig größtenteils durch Kaltumformung des weichgeglühten Zustandes hergestellt. Nach der Formgebung ist es er-forderlich, die gewünschten mechanischen Eigenschaften durch Härten und Anlassen einzustellen. Die mit einer Kaltumformung erzielbaren Umformgrade sind jedoch für die Herstellung komplexer Bauteile oftmals nicht ausreichend. Mit einer thermomechanischen Behandlung (TMB), d. h. einer Umformung bei erhöhten Temperaturen mit gezielter Steuerung des Umform- und Temperaturre-gimes, kann diesem Nachteil begegnet werden. Bei der TMB von martensitischen nichtrostenden Stählen laufen verschiedene metallphysikalische Prozesse (Phasenumwandlung, Rekristallisation, Ausscheidungsbildung) ab, die die Verarbeitungs- (Umformbarkeit) und Gebrauchseigenschaften (Härte, Festigkeit, Korrosionsverhalten) gleichermaßen stark beeinflussen. Dadurch stellen sich dem Anwender grundsätzliche Herausforderungen im Hinblick auf prozesstechnische und werkstoffwis-senschaftliche Zusammenhänge. So sind die Einflüsse der thermischen und thermomechanischen Behandlung auf die Verarbeitungs- und Gebrauchseigenschaften für MNS bisher nur unzureichend erforscht. Im Vorhaben wurden daher die maßgeblichen Prozessparameter der thermischen und thermomechanischen Behandlung (Austenitisierungstemperatur, Haltezeit, Umformgrad, -tempera-tur und -geschwindigkeit) in ihrer Wirkung auf die Gefüge von Vertretern dieser Stähle systematisch erforscht. Auf diese Weise wurden einerseits die spezifischen Randbedingungen der Prozessfüh-rung ermittelt. Andererseits wurden die durch die TMB beeinflussten metallphysikalischen Vorgänge und deren Einfluss auf die Ausscheidungs- und Umwandlungskinetik sowie darauf beruhende Ge-fügeänderungen identifiziert. Daraus wurden die Potenziale von TMB-Prozessen für eine erweiterte Anwendbarkeit auf MNS abgeleitet.

Im Teilprojekt sollen grundlegende mikrostrukturelle Untersuchungen zu den Schädigungsabläufen in hochgradig plastisch umgeformten Werkstoffen mit nanoskaliger Struktur durchgeführt werden. Dabei wird bewusst zwischen unverstärkten und verstärkten Materialen unterschieden. Für die sicherheitsrelevante Auslegung von Bauteilen sind grundlegende werkstoffphysikalisch basierende Erkenntnisse zum Versagensablauf notwendig. Neben der Charakterisierung des Schädigungsablaufes sind Experimente zur Identifikation von Materialmodellparametern für die numerische Simulation geplant.