F R A U N H O F E R - I n s T I T U T f ü r P R O d U K T I O N s T E c H N O l o g I E I P T. ProzessstrATegien für defektfreie

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1 F R A U N H O F E R - I n s T I T U T f ü r P R O d U K T I O N s T E c H N O l o g I E I P T ProzessstrATegien für defektfreie polierte stahloberflächen

2 Untersuchungen der Einfluss- PArameter Im Transferprojekt T3 des Sonderforschungsbereichs SFB/TR4 hat das Fraunhofer IPT die Einflussgrößen der Polierbearbeitung wissenschaftlich analysiert. Ziel war es, schlüssige Erklärungsmodelle für die Ursachen von Polierfehlern zu erarbeiten. Relevante Einflussparameter, die innerhalb des Projekts untersucht wurden, sind die Zusammensetzung und das Gefüge, die Herstellungsverfahren, die Polierkinematiken, die Reinigungsstrategien und die Poliersysteme. Aus den Versuchsergebnissen wurden robuste Prozessstrategien abgeleitet, um den manuellen Polierer in seiner Arbeit zu unterstützen, Fehler zu vermeiden, Polierzeit zu verkürzen, die Basis für eine automatisierte Bearbeitung zu schaffen und auf diese Weise schädigungsfreie Oberflächen zu erhalten. Dazu untersuchte das Fraunhofer IPT verschiedene Stahlsorten: Die Arbeiten an Standard-Werkzeugstählen dienten dazu, den industriellen Praxisbezug zu sichern. Darüber hinaus wurde auch bewusst ein Stahl untersucht (1.2379), der üblicherweise im Werkzeugbau nicht poliert wird. So lässt sich der Einfluss der Stahlzusammensetzung verdeutlichen. Untersuchte Werkzeugstähle (X40Cr14) (40CrMnMo7) (X36CrMo17) (X38CrMoV5-1) mod. (X35CrMoV5-1) (X38CrMoV5-3) (X153CrMoV12) (40CrMnNiMo 8.6.4) mod. (26MnCrNiMo 6.5.4) (X45NiCrMo4) Versuche mit verschiedenen Stahlzusammensetzungen zeigten, dass geringfügige Unterschiede in den Legierungsbestandteilen Mangan, Molybdän und Vanadium sich nicht auf das Polierergebnis auswirken. Die Untersuchungen unterschiedlicher Gefügestrukturen und Stahlherstellungsverfahren belegen hingegen eindeutig, dass die Anzahl der Karbide und der nichtmetallischen Einschlüsse ausschlaggebend für die Qualität des Polierergebnisses sind. Sa = 11,4 nm Sz = 224,4 nm nm 67 Sa = 2,5 nm Sz = 40,5nm nm 25, µm 94 µm 124 µm µm -20,3 Messergebnisse von polierten Stahlproben (links), (rechts) mittels Weißlichtinterferometer

3 Klassifizierung von Polierfehlern Flächenhafte Defekte Kratzer Ungerichtete flache Vertiefungen, meist verursacht durch die Schneidkanten der Polierpartikel oder Fremdpartikel (Tiefe ~ Rauheit Rt). In Abhängigkeit von den Anforderungen an die Oberfläche können feine Kratzer auch bestehen bleiben. Auf die Sauberkeit der Umgebung achten, damit keine Fremdpartikel zu Kratzern führen Endpolieren mit kleinen Abrasivpartikeln Orangenhaut Feine Täler und Hügel, die den Anschein einer Orangenhaut erwecken. Durch zu hohen Druck oder zu lange Polierdauer kann ein solcher Defekt entstehen. Mit geringen Drücken arbeiten Nicht zu lange polieren (»Überpolitur«) Nebel Weniger glänzende Flächen. Nebel kann durch Ablagerungen des Poliermittels entstehen. ph-neutrale Poliermittel verwenden, die keine chemische Reaktion hervorrufen Mit geringen Drücken arbeiten, um ein Eindrücken der Polierkörner zu vermeiden Pitting Auch»Grübchen«. Viele kleine Löcher, die über die gesamte Oberfläche verteilt sind. Druck konstant halten Kurze Polierschritte, zwischendurch reinigen und gut trocknen, um Korrosion zu vermeiden Relief Unterschiede im Abtrag einzelner Phasen aufgrund verschiedener Materialphasen (hart/weich). Vor dem Polieren bei der Materialauswahl auf möglichst homogenes Gefüge achten, um die unterschiedlichen Materialphasen gering zu halten Beim Polieren ein möglichst hartes Werkzeug wählen, damit die Materialphasen trotz unterschiedlicher Härten gleichmäßig abgetragen werden Formabweichungen Kantenverrundung Unerwünschter Materialabtrag an Werkstückkanten Passendes Polierwerkzeug verwenden: hartes Poliertuch mit geringer Stoßelastizität Druck reduzieren Welligkeit Nach DIN EN ISO 8785 ist die Welligkeit eine Abweichung der eigentlichen Geometrie im Millimeter- bis Zentimeterbereich. Sie tritt vor allem beim manuellen Polieren auf. Homogene Druckverteilung während des Polierprozesses, um einen gleichmäßigen Abtrag zu erzielen

4 Löcher/Ausbrüche Orangenhaut Pitting Örtlich begrenzte Defekte Peak Riefen Tiefe, gerichtete Spuren (Tiefe >> Rauheit Rt). Sie entstehen, wenn die Bearbeitungsspuren des vorherigen Schrittes (meist der Vorbearbeitung) nicht vollkommen beseitigt wurden. Vorbearbeitungsspuren immer gründlich beseitigen Risse Sehr tiefe Kratzer, scharfe Kanten, meist durch hohe Materialbeanspruchung. Eine Vermeidung während des Poliervorgangs ist nicht möglich, da es sich eher um einen Materialfehler handelt. Aus diesem Grund sollte das Werkstück im Vorfeld auf unsichtbare Risse/Materialfehler untersucht werden Löcher/Ausbrüche Ungleichmäßig auftretende Erhebungen. Hier handelt es sich entweder um Werkstückmaterial, das beim Polierprozess ungleichmäßig abgetragen wurde, oder um Polierpartikel, die sich während des Polierprozesses in die Oberfläche hineingedrückt haben. Homogene Druckverteilung Poliermittel mit hoher Viskosität nutzen Kometenschweife Einschlüsse, die einen»schweif«nach sich ziehen und deshalb das Aussehen eines Kometen haben. In der metallographischen Probenpräparation sollte beim Auftreten von Kometen möglichst nicht im Gleichlauf poliert werden. Beim manuellen Polieren kann eine höhere Drehzahl Kometenbildung verhindern. Ungleichmäßig geformte Löcher. Sie entstehen dort, wo nichtmetallische Einschlüsse und Karbide im Gefüge vorhanden sind. Mit geringen Drücken arbeiten, um ein Ausreißen zu vermeiden Im Vorfeld ein möglichst homogenes Stahlgefüge einsetzen, wenn die Anforderungen an die Oberflächengüte sehr hoch sind (Reinheitsgrad) Florfreies Poliertuch nutzen, da dieses ein Herausreißen der Karbide und Einschlüsse begünstigt Geringe Drücke schon beim Vor- und Feinschleifen einstellen Verunreinigungen Loch, das mit Fremdmaterial (Schmutzpartikel oder Materialabtragsprodukte) gefüllt ist. Sauber arbeiten Geringe Drücke nutzen, damit sich die Partikel nicht in das Loch hineindrücken können

5 Assembly Technology Ovidemporion porum quiae nemporro cone venderferia coris dio officia voluptiur, utat minctemque eatecust ent eostem enime lamendandunt odi ad et volesero incipsa ntiuntiunt, sitat. Relief Riefen Verunreinigung Weitere Defekte Korrosion Defekttabelle: Systematische Bezeichnung von Polierfehlern Reaktion der bearbeiteten Werkstücke mit Stoffen aus der Umgebung. Korrosion entsteht oft durch schlechte Trocknung nach der Reinigung. Proben direkt nach der Bearbeitung gut reinigen und trocknen Proben trocken lagern Brandmarken Brandmuster auf der Werkstückoberfläche. Entsteht durch eine zu hohe Wärmeentwicklung während des Polierprozesses und hat oft eine Schädigung der Oberflächenstruktur zur Folge (Mikrorisse). Genügend Kühl-/Schmiermittel während des Prozesses verwenden Verfärbungen Bereich, der unterschiedlich (in den meisten Fällen matt) zur eigentlichen Oberfläche erscheint. Topographisch ist meist kein Unterschied zu erkennen. Neutrale Poliermittel nutzen, um Schädigungen der Oberfläche zu vermeiden Bei weichem Material mit geringen Drücken arbeiten, damit sich keine Polierkörner in der Oberfläche festsetzen Nach DIN 8589 gilt das Polieren nicht als eigenständiges Fertigungsverfahren und wird nur in Verbindung mit anderen Fertigungsverfahren eingesetzt, etwa als Polierschleifen, Polierhonen und Polierläppen. Auch unterschiedliche»polierstufen«wie Strichpolitur, Glanz oder Hochglanz unterliegen im Werkzeug- und Formenbau der subjektiven Bewertung des Bearbeiters. Diese unterschiedliche Qualitätswahrnehmung führt häufig zu Streitfällen bis hin zu Gerichtsverfahren zwischen Stahlherstellern, Polierfachbetrieben und kunststoffbearbeitenden Betrieben. Als ersten Schritt auf dem Weg zu einem einheitlichen Polier-Vokabular hat das Fraunhofer IPT in Zusammenarbeit mit der schwedischen Universität Halmstad eine Defekttabelle auf Basis der europäischen Norm EN ISO 8785 erstellt. Die aktuelle Tabelle entstand mit Hilfe der Ergebnisse einer Vielzahl systematischer Polierversuche. Ziel weiterer Forschungsarbeiten des Fraunhofer IPT sind automatisierte Poliersysteme, maschinen- und roboterbasiert, um die Nachteile der manuellen Bearbeitung auszugleichen und den manuellen Polierer in seiner Arbeit zu entlasten. So ließen sich bis zu 80 Prozent des aufwändigen Polierprozesses automatisieren. Nur noch 20 Prozent der Arbeiten müssten dann von Hand ausgeführt werden. Weitere Forschungsprojekte befassen sich mit dem Prozessverständnis des manuellen Poliervorgangs, der Automatisierung der Feinbearbeitungsprozesse und der Qualifizierung der bearbeiteten Oberfläche.

6 Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT Steinbachstraße Aachen Telefon Fax Ansprechpartner Dr.-Ing. Olaf Dambon Telefon Fax Dipl.-Ing. Barbara Behrens Telefon Fax