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.

Quelle: Fraunhofer IWU

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