Techn. Universiẗat, Diss., 2007--Braunschweig. / Zsfassung in engl. Sprache u.d.T.: CFRP tooling with surface protection made of thermal sprayed metal.

Zugl.: Stuttgart, Univ., Diss., 2009

Das thermische Spritzen ist ein industrieller Beschichtungsprozess, der hauptsächlich zum Schutz oder zur Funktionalisierung von Bauteiloberflächen eingesetzt wird. In der Regel werden mit diesem Verfahren Schichten mit einer Dicke von 50 bis zu einigen 100 Mikrometern aufgetragen, die überwiegend durch mechanische Verklammerung haften, wodurch die Materialeigenschaften des Bauteils weitgehend erhalten bleiben. Mit der Einführung von Suspensionen als neue Kategorie der Spritzzusätze etabliert sich gerade eine der weitreichendsten Innovationen der letzten Jahre auf dem Gebiet des thermischen Spritzens. Suspensionen sind Stoffgemische, die aus einer feindispersen, festen Phase, dem Schichtwerkstoff, und einer flüssigen Phase als Trägermedium bestehen. Damit können Partikel mit geringerer Größe in den Beschichtungsprozess eingebracht werden, so dass sich dünnere Schichten und feinere Mikrostrukturen realisieren lassen. Das thermische Spritzen mit Suspensionen erweitert damit den Anwendungsbereich und bildet eine Brückentechnologie zu den Vakuum- Dünnschichtverfahren. Im Fokus dieser Arbeit stehen die drei wichtigen keramischen Werkstoffe Aluminiumoxid, Chromoxid und yttriumstabilisiertes Zirkonoxid, die in der Form von wasserbasierten Suspensionen als Spritzzusätze für das Atmosphärische Plasmaspritzen (APS) und das Hochgeschwindigkeitsflammspritzen (HVOF) verwendet werden. Für die Injektion der Suspension in das Plasma oder die Flamme wird ein automatisiertes Suspensionsfördersystem verwendet. Darüber hinaus werden spezielle mehrteilige Injektoren entwickelt und getestet. Es werden neue Erkenntnisse zur statistischen Auswertung der Zusammenhänge zwischen den Injektionsparametern, den messbaren Eigenschaften der Tropfenwolke während der Zerstäubung, den Partikeleigenschaften im Spritzstrahl und den daraus resultierenden Schichteigenschaften vorgestellt. Dafür wurde eine neue Kenngröße für den Beschichtungserfolg, ein sogenannter Beschichtungsfaktor, hergeleitet, der sich mit vergleichsweise geringem Aufwand bestimmen lässt und außerdem die zusätzlichen Prozessvariablen beim Suspensionsspritzen mit berücksichtigt. Im Anschluss werden Beispiele für wasserbasierte, suspensionsgespritzte Schichten aus den drei keramischen Werkstoffen vorgestellt, bei denen durch entsprechende Charakterisierungsmethoden das Anwendungspotential im Vergleich zu Spritzschichten nach dem Stand der Technik verdeutlicht wird. Die Anwendungsgebiete umfassen dabei die elektrische Isolation, den Verschleißschutz sowie die thermische Isolation. Den Abschluss der Arbeit bildet eine kritische Diskussion der Eignung von wasserbasierten Suspensionen für das thermische Spritzen mit Plasma- und Flammspritzprozessen. Es werden die Vor- und Nachteile dieser Beschichtungstechnik analysiert und Verbesserungsvorschläge sowohl für die weitere Suspensions- als auch für die Anlagenentwicklung unterbreitet.

Die Habilitation befasst sich mit neuen Verfahren und Anwendungen des Thermischen Spritzens, beleuchtet anhand einer internationalen Umfrage den Forschungsbedarf der Branche und liefert zahlreiche Lösungen, die im Rahmen von grundlagenorientierten und industrienahen Forschungsvorhaben erarbeitet wurden. Der Fokus der Arbeit liegt auf der Verbesserung individueller Arbeitsschritte der Prozesskette des Thermischen Spritzens, wobei Ergebnisse aus den Bereichen Werkstoffentwicklung, Prozessoptimierung, Qualitätssicherung und Nachbearbeitung zusammengeführt und durch konkrete Anwendungsbeispiele hinterlegt werden. Im Detail werden die Aspekte Herstellung leistungsfähiger und preiswerter Spritzzusätze (Wasserverdüsung von Metallpulvern, Hochenergiekugelmahlen, Agglomerieren und Sintern sowie Fülldrahtherstellung), die Verbesserung der Prozessführung (numerisch optimierte Spritzbrenner und automatisierbare Online-Prozessdiagnostikmethoden) und die Steigerung der Leistungsfähigkeit der Beschichtungen durch mechanische Nachbearbeitung sowie Versieglung behandelt. Anwendungsbezogen werden das Beschichten von Hochleistungspolymeren und CFC-Leichtbaustrukturen untersucht. Um Anknüpfungspunkte für weiterführende Forschungsarbeiten zu schaffen, schließt die Arbeit mit der Darstellung von Entwicklungstrends und zeigt Arbeitsgebiete auf, die perspektivisch von thermisch gespritzten Schichten profitieren können.

Die Habilitation befasst sich mit neuen Verfahren und Anwendungen des Thermischen Spritzens, beleuchtet anhand einer internationalen Umfrage den Forschungsbedarf der Branche und liefert zahlreiche Lösungen, die im Rahmen von grundlagenorientierten und industrienahen Forschungsvorhaben erarbeitet wurden. Der Fokus der Arbeit liegt auf der Verbesserung individueller Arbeitsschritte der Prozesskette des Thermischen Spritzens, wobei Ergebnisse aus den Bereichen Werkstoffentwicklung, Prozessoptimierung, Qualitätssicherung und Nachbearbeitung zusammengeführt und durch konkrete Anwendungsbeispiele hinterlegt werden. Im Detail werden die Aspekte Herstellung leistungsfähiger und preiswerter Spritzzusätze (Wasserverdüsung von Metallpulvern, Hochenergiekugelmahlen, Agglomerieren und Sintern sowie Fülldrahtherstellung), die Verbesserung der Prozessführung (numerisch optimierte Spritzbrenner und automatisierbare Online-Prozessdiagnostikmethoden) und die Steigerung der Leistungsfähigkeit der Beschichtungen durch mechanische Nachbearbeitung sowie Versieglung behandelt. Anwendungsbezogen werden das Beschichten von Hochleistungspolymeren und CFC-Leichtbaustrukturen untersucht. Um Anknüpfungspunkte für weiterführende Forschungsarbeiten zu schaffen, schließt die Arbeit mit der Darstellung von Entwicklungstrends und zeigt Arbeitsgebiete auf, die perspektivisch von thermisch gespritzten Schichten profitieren können.

Das Ziel dieser Arbeit ist die ganzheitliche Erfassung der Haftmechanismen zwischen Metallbeschichtungen (Kupfer, Aluminium) und Polymersubstraten (Polyetheretherketon) funktionalisiert durch Draht-Lichtbogenspritzen. Hierzu werden die Vorbehandlung sowie der Applikationsprozess erforscht. An den hergestellten Fügeverbindungen erfolgen unterschiedliche mechanische Versuche zur Ermittlung der Hafteigenschaften und der Auswirkungen des Beschichtungsvorgangs auf die Substrate. Zur Analyse des Interfaces kommen mikroskopische (REM, TEM, HR-TEM), spektroskopische (EDX) und diffraktometrische (SAED, XRD) Verfahren zum Einsatz. Anhand der Ergebnisse erfolgt die Durchdringung des Anbindungsprozesses. Die thermisch und mechanisch bedingten Einflüsse auf das Substrat sowie dessen Eigenschaftsprofil sind in ihrer geometrischen Ausdehnung (mikroskopisch) begrenzt. Die Bestätigung für die mechanische Verklammerung wird erbracht. Durch eine HR-TEM-Untersuchung des Interfaces erfolgt der Nachweis von Oxiden und Hydroxiden. Diese stellen die Voraussetzung für physikalisch und chemisch bedingte Haftmechanismen dar.:1 Einleitung und Problemstellung 19 2 Stand von Wissenschaft und Technik 21 2.1 Hochpolymere Werkstoffe 21 2.1.1 Bildungsreaktionen 21 2.1.2 Einteilung der Polymere 24 2.1.3 Mechanische und thermische Eigenschaften 28 2.2 Thermisches Spritzen nach DIN EN 657 28 2.2.1 Draht-Lichtbogenspritzen 30 2.2.2 Substratvorbehandlung nach DIN EN 13507 31 2.2.3 Analyse von thermisch applizierten Schichten 33 2.2.3.1 Haftzugfestigkeit (DIN EN 582) 33 2.2.3.2 Eigenspannungen 37 2.3 Polyetheretherketon als Konstruktions- und Substratwerkstoff 41 2.4 Haftmechanismen zwischen Polymer und Metall 47 2.4.1 Haftungstheorien 47 2.4.2 Resultierende Gesamthaftung 55 2.4.3 Metalloxid-Polymer-Komplexe 56 3 Zielstellung und methodische Vorgehensweise 59 4 Metallisierung von Polyetheretherketon 62 4.1 Analyse der Substratwerkstoffe 62 4.2 Auswahl der Spritzzusatzwerkstoffe 67 4.3 Substratvorbehandlung 68 4.4 Applikation metallischer Schichten durch Draht-Lichtbogenspritzen 77 5 Ergebnisse und Diskussion 85 5.1 Metallographische Analyse 85 5.2 Mechanische Charakterisierung des funktionalisierten Polyetheretherketon 90 5.2.1 Nano-Eindringprüfung 90 5.2.2 Haftzugversuch 95 5.2.3 Zugversuch und Grauwertanalyse 102 5.2.4 Scratch-Test 109 5.2.5 Biegeversuch 115 5.2.6 Schlagbiegeversuch (CHARPY) 119 5.2.7 Fazit der mechanischen Charakterisierung 122 5.3 Eigenspannungsanalyse (Krümmungsmethode) 124 5.4 Analyse des Interfaces 129 5.4.1 Rasterelektronenmikroskopie und Röntgenspektroskopie 129 5.4.2 Hochauflösende Transmissionselektronenmikroskopie (HR-TEM) 134 6 Fazit 142 7 Zusammenfassung 144 8 Ausblick 147 9 Literaturverzeichnis 148 10 Anhang 156 / The aim of this work is the holistic detection of the adhesion mechanisms between metal coatings (copper, aluminum) and polymer substrates (polyetheretherketone) functionalized by wire arc spraying. For this purpose, the pretreatment and the application process are researched. Different mechanical tests are carried out on the manufactured joints to determine the adhesive properties and the effects of the coating process on the substrates. For the analysis of the interface, microscopic (SEM, TEM, HR-TEM), spectroscopic (EDX) and diffractometric (SAED, XRD) methods are used. Based on the results, the investigation of the connection process is carried out. The ther-mally and mechanically conditioned influences on the substrate as well as its property profile are limited in their geometrical extent (microscopically). The confirmation for the mechanical clamping is provided. An HR-TEM examination of the interface reveals the presence of oxides and hydroxides. These are the requirements for physically and chemically induced adhesive mechanisms.:1 Einleitung und Problemstellung 19 2 Stand von Wissenschaft und Technik 21 2.1 Hochpolymere Werkstoffe 21 2.1.1 Bildungsreaktionen 21 2.1.2 Einteilung der Polymere 24 2.1.3 Mechanische und thermische Eigenschaften 28 2.2 Thermisches Spritzen nach DIN EN 657 28 2.2.1 Draht-Lichtbogenspritzen 30 2.2.2 Substratvorbehandlung nach DIN EN 13507 31 2.2.3 Analyse von thermisch applizierten Schichten 33 2.2.3.1 Haftzugfestigkeit (DIN EN 582) 33 2.2.3.2 Eigenspannungen 37 2.3 Polyetheretherketon als Konstruktions- und Substratwerkstoff 41 2.4 Haftmechanismen zwischen Polymer und Metall 47 2.4.1 Haftungstheorien 47 2.4.2 Resultierende Gesamthaftung 55 2.4.3 Metalloxid-Polymer-Komplexe 56 3 Zielstellung und methodische Vorgehensweise 59 4 Metallisierung von Polyetheretherketon 62 4.1 Analyse der Substratwerkstoffe 62 4.2 Auswahl der Spritzzusatzwerkstoffe 67 4.3 Substratvorbehandlung 68 4.4 Applikation metallischer Schichten durch Draht-Lichtbogenspritzen 77 5 Ergebnisse und Diskussion 85 5.1 Metallographische Analyse 85 5.2 Mechanische Charakterisierung des funktionalisierten Polyetheretherketon 90 5.2.1 Nano-Eindringprüfung 90 5.2.2 Haftzugversuch 95 5.2.3 Zugversuch und Grauwertanalyse 102 5.2.4 Scratch-Test 109 5.2.5 Biegeversuch 115 5.2.6 Schlagbiegeversuch (CHARPY) 119 5.2.7 Fazit der mechanischen Charakterisierung 122 5.3 Eigenspannungsanalyse (Krümmungsmethode) 124 5.4 Analyse des Interfaces 129 5.4.1 Rasterelektronenmikroskopie und Röntgenspektroskopie 129 5.4.2 Hochauflösende Transmissionselektronenmikroskopie (HR-TEM) 134 6 Fazit 142 7 Zusammenfassung 144 8 Ausblick 147 9 Literaturverzeichnis 148 10 Anhang 156

Thermochemische Randschichthärteverfahren ermöglichen eine ausscheidungsfreie Einlagerung von Kohlenstoff bzw. Stickstoff innerhalb des austenitischen Mischkristalls. Im Zusammenhang mit einer Randschichtbehandlung thermisch gespritzter Schichtsysteme stellen die charakteristischen Strukturmerkmale eine bislang weitgehend unerforschte Einflussgröße für die Beurteilung von Diffusionsprozessen dar. Bei der Verarbeitung von randschichtgehärtetem Pulver durch Verfahren des thermischen Spritzens ist die Phasenstabilität des Spritzzusatzwerkstoffs von übergeordneter Bedeutung. Die beiden Möglichkeiten einer Verfahrenskombination werden für hochgeschwindigkeitsflamm- und atmosphärisch plasmagespritzte Schichtsysteme des Werkstoffs EN 1.4404 durch systematische Prozess- und Parametervariation eingehend betrachtet. Für die einzelnen Schichtsysteme werden Einflussfaktoren struktur- und prozessspezifisch sowie in Abhängigkeit vom Anreicherungsmedium erfasst und im Kontext der Massivwerkstoffreferenz eingeordnet. Die daraus abgeleiteten allgemeingültigen Aussagen zu verfahrenstechnischen Wechselwirkungseffekten ermöglichen eine anwendungsorientierte Verfahrensauswahl bzw. Entwicklungsstrategie. / Thermochemical surface hardening enables a precipitation-free solvation of carbon or nitrogen on interstices of the austenitic crystal lattice. However, the interplay of the diffusion mechanisms with the structural properties of thermal spray coatings has not yet been understood. Thermal spraying of surface-hardened powders is a further opportunity, where the phase stability of the feedstock material is of crucial importance. A process and parameter study is conducted on high velocity oxy-fuel and atmospheric plasma spraying of AISI 316L considering both basic concepts. Structural and process-specific influence factors are examined for the different coating systems in comparison to the bulk material reference. Correlation effects are determined allowing for an application-oriented process selection or development strategy.

Hochentropielegierungen stellen einen neuen Entwicklungsansatz metallischer Werkstoffe ohne ein eigenschaftsbestimmendes Hauptelement dar. Die zielgerichtete Übertragung der bisher überwiegend an Massivwerkstoffen ermittelten Eigenschaften in die Beschichtungstechnik erfordert die Kenntnis der bestimmenden Einflussfaktoren. Für die Schichtherstellung werden die Verfahren des thermischen Spritzens betrachtet. Hierfür wird eine geeignete Prozessroute ermittelt. Die detaillierten Untersuchungen zu den Prozess-Struktur-Eigenschaftsbeziehungen erfolgen an Legierungen mit variabler Struktur. Diese werden anhand von thermodynamischen Parametern sowie Untersuchungen an schmelzmetallurgisch hergestellten Massivwerkstoffen ausgewählt. Zur Bewertung des Einflusses der Größe der Strukturmerkmale, der Heterogenität und möglicher Ungleichgewichtszustände werden schmelz- und pulvermetallurgisch hergestellte Massivwerkstoffe als Referenz betrachtet. Die geplanten Forschungsarbeiten tragen zu einem Verständnis der Prozess-Struktur-Eigenschaftsbeziehung von Hochentropielegierungen bei. Weiterhin wird eine geeignete Prozessroute für die pulvermetallurgische Verarbeitung sowie für Anwendungen in der Oberflächentechnik ermittelt.

Die funktionsorientierte Messtechnik ist gegenwärtig für die Optimierung von Herstellung und Endbearbeitung thermisch gespritzter, tribologisch belasteter Kontakte unterrepräsentiert. Obwohl sich das Leitmotiv „Messen, Analysieren und Verbessern“ wie ein roter Fa-den durch gängige Standards (ISO/TS 16949, VDA 6.1, …) zieht, werden kaum effektive Verbesserungspotenziale identifiziert und industriell umgesetzt. In der Praxis wird vor allem die Stückzahl von fehlerbehafteten Teilen mittels statistischer Methoden gesteuert und geregelt (IPC 9199/DGQ-Band 16). Werden Fehlerzustandspopulationen in Softwaresystemen auf solche Weise identifiziert, verifiziert und mitigiert, so spricht man gem. IEC 62304 von Black-Box-Testing. Solange der Ertrag stimmt, steht die Zahl nicht zurückweisbarer Güter im Vordergrund und nicht, ob die Ereignisse im Produktentstehungsprozess beherrschten Regeln folgen. Im Gegensatz hierzu steht das sog. White-Box-Testing. Es bietet die Möglichkeit, Qualität nach DIN 55350 Teil 11 (sowie DIN ISO 9126) entlang aller Hilfs-, Stütz-, Wertschöpfungs- und Nutzungsvorgängen der Produkte konsistent zu behandeln. Das White-Box-Testing wird in der Fertigung von tribologischen Kontakten jedoch bisher nicht angewendet. In der vorliegenden Arbeit wird aufgezeigt, warum dieser Ansatz bei erstmaliger Implementierung zwar aufwändiger, umfassender Analysen bedarf, über das veränderte Leitmotiv im Gesamten jedoch die Erfolgsaussichten von Optimierungsinitiativen steigert. „Wie etwas Positives funktioniert“ wird dabei alternativ zur Frage, „wie etwas Schlechtes“ zu verhindern ist, behandelt. Über die Methodik hinaus werden konkrete Werk-zeuge vorgeschlagen, funktionsorientierte Konformitätszustände über den Fingerabdruck der Werkstoffbelastung zu identifizieren, in smarten und vernetzten Mess- und Prüfketten zu überwachen, zu regeln sowie mittels Leistungskennzahlen zu beurteilen.:1 EINLEITUNG UND MOTIVATION 1.1 Ausgangsituation 1.2 Allgemeine Bewertungskriterien der Zylinderlaufbahn 1.3 Beurteilungsformen fertigungstechnischer Aspekte 1.3.1 Verfahrensbeurteilung der Endbearbeitung und Herstellung 1.3.2 Beurteilung von Verfahrensanwendungen unter Gesichtspunkten industrieller Messtechnik 1.4 Zusamenfassung und Rezension existierender Konzepte zur Qualitätssicherung der technischen Oberfläche 2 FORSCHUNGSBEDARF UND THEMATISCHE EINGRENZUNG 2.1 Bestimmung des Untersuchungsgegenstandes 2.2 Problemstellung Anomalien thermisch gespritzter Zylinderlaufflächen in Serie und Vorserie 2.2.1 Konsekutive Phänomene der Materialauftragungen sowie Mikrofresser in motorischer Belastung und vorheriger Endbearbeitung 2.2.2 Beeinflusste Materialparameter durch Endbearbeitung und Auswirkungen auf die Laufstabilität/ Fressneigung 2.2.3 Limitierung in der Anwendung und Deutung genormter Parameter industrieller Oberflächenmesstechnik 2.3 Hypothesen und theoretischer Ansatz 2.4 White-Box-Ansatz zur funktionsorientierten Herstellung und Endbearbeitung 3 UMFELDANALYSE ZUR METHODENENTWICKLUNG 3.1 Einordnung existierender theoretischer Modelle und Konzepte 3.2 Tribologische Systemgrößen Zylinderlaufbahn im Betrieb und während der Endbearbeitung 3.2.1 Reibungsszustände 3.2.2 Verschleißmechanismen und -kenngrößen 3.2.3 Schmierung 3.2.4 Nutz- und Verlustgrößen, Tribologische Prüfungen 3.3 Gegenwärtige Gestaltung und Ausführung der Zylinderlaufbahn 3.3.1 Zylinderlaufbahnkonzepte 3.3.2 Einfluss moderner Konzepte der Kolbengruppe und der Schmierung 3.3.3 Topographie und abgeleitete Endbearbeitungskonzepte 3.3.4 Honen von Zylinderbohrungen 3.4 Tribologie der Endbearbeitung als Schlüssel zu funktionsgerechten Oberflächen 3.4.1 Abtragsvorgänge beim Honen und Superfinishen 3.4.2 Oberflächenanalytik zur Beschreibung von Abtragsmechanismen 3.4.3 Kraftdynamik in der Endbearbeitung 3.4.4 Kombinierte Technologie: Sensitives-adaptives Honen und Superfinishen 3.5 Thermisches Spritzen von Zylinderlaufflächen 3.5.1 Vorgänge des Werkstoffauftrags im Zuge des Thermischen Spritzens 3.5.2 Lichtbogendrahtspritzen, LDS 3.5.3 Zerstäubung und Spritzstrahlausprägung 3.5.4 Auftreffen und Erstarrung der Spritzpartikel im Schichtverbund 3.6 Werkstoffintegrität der LDS-Spritzschicht 4 ABLEITUNG UND FESTLEGUNG FUNKTIONSRICHTIGER MESSSTRATEGIE 4.1 Begründung und Verwertung des White-Box-Testing-Ansatzes 4.2 Werkstoffparameter funktionaler Oberflächen 4.2.1 Struktureigenschaften und Festigkeit 4.2.2 Physikalische und chemische Eigenschaften 4.3 Technische Oberfläche, lang- und kurzwellige Gestaltabweichungen 4.3.1 Skalenabhängige, geometrische Kontaktbedingungen 4.3.2 Meso- und Mikrokontakt der Zylinderlauffläche 4.4 Operationalisierung der Testhypothese 5 NUTZUNG MESSTECHNISCH RÜCKFÜHRBARER WECHSELWIRKUNGEN FÜR HERSTELLUNG UND ENDBEARBEITUNG 5.1 Funktionsorientierte, definierte Variation lokalisierter Fertigungsmerkmale 5.1.1 Endbearbeitung der Spritzschicht 5.1.2 Herstellung der Spritzschicht 5.1.3 Spezifikation und Verifikation varianter Merkmale der Laufbahn 5.2 Versuchseinrichtung und -bauteile zur Methodenentwicklung 5.2.1 Ausführung im Sinne des White-Box-Testings 5.2.2 Flachproben 5.2.3 Zylinder 6 ANWENDUNG FUNKTIONSORIENTIERTER WERKZEUGE IM QUALITÄTSREGELKREIS 6.1 Verifikationsstrategie 6.2 Spezifische Merkmale der Werkstoffbelastung in Fertigung und Tribometrie 6.3 Fehlerinduktion, -Verifikation und -Behandlungsroutine im geschlossenen Qualitätsregelkreis 6.3.1 Charakterisierung zuordbarer Zylinderlaufbahnperformanceabweichungen 6.3.2 Rückverfolgbare Messkette von tribologischer Belastung über die Endbearbeitung bis zur Herstellung 6.3.3 Werkstoffintegrität als Einflussgröße in der Endbearbeitung und Tribometrie 6.4 Ermittlung von Leistungskennzahlen während der Fertigung mit Auswirkung auf das Verhalten bei tribologischer Prüfung zur Qualitätsregelung 7 ZUSAMMENFASSUNG UND FAZIT 8 LITERATURVERZEICHNIS 9 VERZEICHNIS DER ABBILDUNGEN UND TABELLEN 10 ANHANG 10.1 Messtechnische Grundlagen, Stichwortverzeichnis 10.2 Oberflächenunvollkommenheiten nach DIN EN ISO 8785 10.3 Weiterführende Ergebnisse der Analyse von Oberflächenunvollkommenheiten 10.4 Ausgewählte Ergebnisse im Zuge der Zusammenarbeit und Veröffentlichung Hick et al. 2018 [336] (nicht in der Form veröffentlichtes Material) / Function-oriented measurement technology is currently underestimated when it comes to optimizing layer production and finishing of thermally sprayed, tribologically stressed contacts. Although the fundamental premise 'measure, analyse and improve' runs like a common thread through all the common standards (ISO/TS 16949, VDA 6.1, ...), hardly any effective improvement potentials are identified and realized with industrial profit. In today’s industrial applications, the number of defective parts is controlled and regulated using conventional statistical methods (IPC 9199/DGQ Volume 16). This is a so-called “black box testing” according to IEC 62304 when used at error management in software applications for identifaction, verification and mitigation. Finally, quantitative production output is focussed and not the inner operating system’s processes of the manufacturing system or interdependencies at product use. Opposite to this, the so-called “white box testing” alternatively focuses on the inner functioning of the processes and the quality of its results according to DIN 55350 Part 11 (as well as DIN ISO 9126) at each value-added process from production to product use on an equal footing. While this approach is more elaborate and demanding because of wide-ranging analysis, in the presented work it is demonstrated why it is more promising at holistic optimisations efforts in terms of the leitmotiv with the question 'how something positive works' versus the more conventional defensive recognized question 'how something bad can be prevented'. However, white box testing has not yet been used in manufacturing of tribological contacts. In addition to the methodology, concrete tools are proposed to identify function-oriented states of conformity via the fingerprint of the material load, to monitor and regulate them in smart, networked measurement and test chains using suitable performance indicators.:1 EINLEITUNG UND MOTIVATION 1.1 Ausgangsituation 1.2 Allgemeine Bewertungskriterien der Zylinderlaufbahn 1.3 Beurteilungsformen fertigungstechnischer Aspekte 1.3.1 Verfahrensbeurteilung der Endbearbeitung und Herstellung 1.3.2 Beurteilung von Verfahrensanwendungen unter Gesichtspunkten industrieller Messtechnik 1.4 Zusamenfassung und Rezension existierender Konzepte zur Qualitätssicherung der technischen Oberfläche 2 FORSCHUNGSBEDARF UND THEMATISCHE EINGRENZUNG 2.1 Bestimmung des Untersuchungsgegenstandes 2.2 Problemstellung Anomalien thermisch gespritzter Zylinderlaufflächen in Serie und Vorserie 2.2.1 Konsekutive Phänomene der Materialauftragungen sowie Mikrofresser in motorischer Belastung und vorheriger Endbearbeitung 2.2.2 Beeinflusste Materialparameter durch Endbearbeitung und Auswirkungen auf die Laufstabilität/ Fressneigung 2.2.3 Limitierung in der Anwendung und Deutung genormter Parameter industrieller Oberflächenmesstechnik 2.3 Hypothesen und theoretischer Ansatz 2.4 White-Box-Ansatz zur funktionsorientierten Herstellung und Endbearbeitung 3 UMFELDANALYSE ZUR METHODENENTWICKLUNG 3.1 Einordnung existierender theoretischer Modelle und Konzepte 3.2 Tribologische Systemgrößen Zylinderlaufbahn im Betrieb und während der Endbearbeitung 3.2.1 Reibungsszustände 3.2.2 Verschleißmechanismen und -kenngrößen 3.2.3 Schmierung 3.2.4 Nutz- und Verlustgrößen, Tribologische Prüfungen 3.3 Gegenwärtige Gestaltung und Ausführung der Zylinderlaufbahn 3.3.1 Zylinderlaufbahnkonzepte 3.3.2 Einfluss moderner Konzepte der Kolbengruppe und der Schmierung 3.3.3 Topographie und abgeleitete Endbearbeitungskonzepte 3.3.4 Honen von Zylinderbohrungen 3.4 Tribologie der Endbearbeitung als Schlüssel zu funktionsgerechten Oberflächen 3.4.1 Abtragsvorgänge beim Honen und Superfinishen 3.4.2 Oberflächenanalytik zur Beschreibung von Abtragsmechanismen 3.4.3 Kraftdynamik in der Endbearbeitung 3.4.4 Kombinierte Technologie: Sensitives-adaptives Honen und Superfinishen 3.5 Thermisches Spritzen von Zylinderlaufflächen 3.5.1 Vorgänge des Werkstoffauftrags im Zuge des Thermischen Spritzens 3.5.2 Lichtbogendrahtspritzen, LDS 3.5.3 Zerstäubung und Spritzstrahlausprägung 3.5.4 Auftreffen und Erstarrung der Spritzpartikel im Schichtverbund 3.6 Werkstoffintegrität der LDS-Spritzschicht 4 ABLEITUNG UND FESTLEGUNG FUNKTIONSRICHTIGER MESSSTRATEGIE 4.1 Begründung und Verwertung des White-Box-Testing-Ansatzes 4.2 Werkstoffparameter funktionaler Oberflächen 4.2.1 Struktureigenschaften und Festigkeit 4.2.2 Physikalische und chemische Eigenschaften 4.3 Technische Oberfläche, lang- und kurzwellige Gestaltabweichungen 4.3.1 Skalenabhängige, geometrische Kontaktbedingungen 4.3.2 Meso- und Mikrokontakt der Zylinderlauffläche 4.4 Operationalisierung der Testhypothese 5 NUTZUNG MESSTECHNISCH RÜCKFÜHRBARER WECHSELWIRKUNGEN FÜR HERSTELLUNG UND ENDBEARBEITUNG 5.1 Funktionsorientierte, definierte Variation lokalisierter Fertigungsmerkmale 5.1.1 Endbearbeitung der Spritzschicht 5.1.2 Herstellung der Spritzschicht 5.1.3 Spezifikation und Verifikation varianter Merkmale der Laufbahn 5.2 Versuchseinrichtung und -bauteile zur Methodenentwicklung 5.2.1 Ausführung im Sinne des White-Box-Testings 5.2.2 Flachproben 5.2.3 Zylinder 6 ANWENDUNG FUNKTIONSORIENTIERTER WERKZEUGE IM QUALITÄTSREGELKREIS 6.1 Verifikationsstrategie 6.2 Spezifische Merkmale der Werkstoffbelastung in Fertigung und Tribometrie 6.3 Fehlerinduktion, -Verifikation und -Behandlungsroutine im geschlossenen Qualitätsregelkreis 6.3.1 Charakterisierung zuordbarer Zylinderlaufbahnperformanceabweichungen 6.3.2 Rückverfolgbare Messkette von tribologischer Belastung über die Endbearbeitung bis zur Herstellung 6.3.3 Werkstoffintegrität als Einflussgröße in der Endbearbeitung und Tribometrie 6.4 Ermittlung von Leistungskennzahlen während der Fertigung mit Auswirkung auf das Verhalten bei tribologischer Prüfung zur Qualitätsregelung 7 ZUSAMMENFASSUNG UND FAZIT 8 LITERATURVERZEICHNIS 9 VERZEICHNIS DER ABBILDUNGEN UND TABELLEN 10 ANHANG 10.1 Messtechnische Grundlagen, Stichwortverzeichnis 10.2 Oberflächenunvollkommenheiten nach DIN EN ISO 8785 10.3 Weiterführende Ergebnisse der Analyse von Oberflächenunvollkommenheiten 10.4 Ausgewählte Ergebnisse im Zuge der Zusammenarbeit und Veröffentlichung Hick et al. 2018 [336] (nicht in der Form veröffentlichtes Material)

Das Ziel der Dissertation ist die Charakterisierung und Optimierung der Prozessbedingungen beim Hochgeschwindigkeitsdrahtflammspritzen. Dazu werden diagnostische Methoden wie das LDA-Verfahren, die Bewertung von Schichten und numerische Betrachtungen herangezogen. Verschiedene Spritzzusatzwerkstoffe wie Massiv- und Fülldrähte sowie hoch- und niedrigschmelzende Materialien werden verarbeitet. Zur Bewertung der Gebrauchseigenschaften erfolgen Korrosions- und Verschleißtests. Aus den Untersuchungsergebnissen resultieren Hinweise und Konzepte zur Verbesserung der Brennertechnik. Die Entwicklung eines neuen HVCW-Systems wird vorgestellt, welches Spritzpartikelgeschwindigkeiten im Überschallbereich ermöglicht, die deutlich über denen klassischer Systeme liegen. In einem gesonderten Abschnitt der Dissertation wird ein neuartiges Verfahren zur Herstellung hydrolysefähigen Materials vorgestellt. Der hergestellte Al-Sn-Werkstoff zersetzt sich in Kontakt mit Wasser unter Abgabe großer Mengen Wasserstoff in kürzester Zeit vollständig.