Mikrostrukturieren

Mikrostrukturieren durch Strukturrollieren ist das gezielte Einbringen von Mikrostrukturen in die Bauteiloberfläche durch Kaltumformung.  Dabei werden die auf einem Strukturierkörper des Werkzeuges aufgebrachten, definierten Mikrostrukturen als Negativform auf die Oberfläche des Bauteiles abgeprägt.  Durch die Kaltumformung wird die Bauteiloberfläche gleichzeitig verfestigt.  Die Oberfläche zwischen den Strukturen kann dabei zusätzlich geglättet werden.

Die allgemeine Wirkung mikrostrukturierter Oberflächen hinsichtlich einer Reibungs- und Verschleißreduzierung in geschmierten Kontakten ist in zahlreichen Publikationen sowohl simulativ als auch experimentell beschrieben und unter Laborbedingungen nachgewiesen.  Speziell vor dem Hintergrund der Erzeugung von Mikrostrukturen in Bohrungsinnenflächen, wie beispielsweise in Zylinderbohrungen und in Radialgleitlagern, sind verschiedene Fertigungsverfahren bekannt.

Unter den Begriffen Strukturrollieren bzw. Rollprägen ist ein umformendes Verfahren zur Applizierung von Mikrostrukturen bekannt.

Das Strukturrollieren wird vorwiegend für die Bearbeitung von Außen- und Innenflächen an rotationssymmetrischen Bauteilen eingesetzt.  Es ähnelt dem Glattwalzen und Rändeln.  Mit der Strukturgeometrie, dem Bedeckungsgrad sowie der Eindringtiefe können beispielsweise tribologische Effekte, Ölhaltevolumina oder Partikelfallen an verschiedene Anwendungsfälle individuell und gezielt eingestellt werden.  Das Strukturrollieren ist ein in Entwicklung stehendes Verfahren und kann im Vergleich zu herkömmlichen Strukturierungsprozessen deutliche Zeit- und Kostenersparnisse hervorrufen.

Projekt "Entwicklung von Werkzeugen und Verfahren zum Strukturrollieren – STROLL"

Im Rahmen unseres Forschungsprojekts "STROLL" entwickeln wir eine Werkzeuglösung, mit der wir in der Lage sind, zylindrische Oberflächen sowohl glattzuwalzen als auch zu mikrostrukturieren.  Beide Bearbeitungsformen können mit demselben Werkzeugtyp abgedeckt werden, erfordern jedoch unterschiedliche Wälzkörper und Prozessparameter.

Eigenschaften des Werkzeugs (Stand Februar 2020):

  • Werkzeugaufnahme:  ZS32 oder ZS40 (DIN1835B)
  • Rotierendes Werkzeug
  • Das Werkzeug ist in der Einstellung des Minimalnenndurchmessers feingewuchtet.  Im Verstellbereich kann das Werkzeug gewuchtet werden.
  • Durchmesserbereich:  Ø78 bis Ø90 mm (stufenlos einstellbar)
  • Bearbeitungslänge:  ca. 100 mm (abhängig von Werkstückspannung und Werkzeugaufnahme)
  • Kühlung/Spülung:  Innenkühlung mit Öl oder KSS
  • Rollenanstellung:  -0,5° bis 0,5° (stufenlos einstellbar)
  • Ziehend und schiebend einsetzbar

Weiterhin wird im Rahmen des Projekts STROLL unsere Glattwalzsimulation SurfSim weiterentwickelt zur Simulation der Mikrostrukturierung.  Dabei können Eindringtiefen und damit zu erzielende Rückhaltevolumina ermittelt und berechnet werden.

Verfahrenscharakterisierung Electromechanical Machining (Jet-ECM) Laserstrukturierung Piezoaktorisch gesteuertes Ausspindeln Mikrostrukturieren

Verfahrensprinzip

abtragend

abtragend

zerspanend

umformend

realisierbare Dimensionen
(lateral, Tiefe)

>100 bis 200 µm
>1 µm

>10 µm
>3 µm

>600 x 200 µm
>10 µm

>40 µm
5 bis 10 µm

Prozessschritte

1

1

1-2

1-2

Nachbearbeitung erforderlich

keine

keine bei UKP-Laser

keine bei "2-Stufenprozess"

keine bei "2-Stufenprozess"

Flexibilität Mikrogeometrieform

gering

sehr hoch

mittel bis gering

hoch

Bearbeitungszeit

hoch bis mittel

hoch bis mittel

gering

gering

Erforderlicher Maschinenpark

separate Jet-ECM-Anlage

separate Laser-Anlage

BAZ und aktorisch angesteuerte Spindel

3-Achs-BAZ, Drehmaschine

Investitionskosten

hoch

hoch

mittel

gering

Produktivität, Automatisierung

mittel über Parallelisierung

mittel über Parallelisierung

hoch

hoch