Development of thin-film based sensors for temperature and tool wear monitoring during machining = [Entwicklung von Dünnschichtsensoren zur Überwachung von Temperatur und Werkzeugverschleiß während der Zerspanung]

Die Entwicklung von Dünnschichtsensoren zur Temperatur- und Verschleißmessung in der Zerspanung wird in diesem Artikel präsentiert. Ein funktionales Dünnschichtsystem, bestehend aus einer Al$_{2}$O$_{3}$-Isolationsschicht, einer mittels Photolithographie strukturierten Chrom-Sensorschicht sowie einer Al$_{2}$O$_{3}$-Verschleiß- und Isolationsschutzschicht, wird per physikalischer Gasphasenabscheidung (engl. physical vapor deposition, PVD) auf der Oberfläche von Hartmetall-Wendeschneidplatten abgeschieden. Erste Proben konnten mit Sensoren gefertigt werden und in Labor- sowie Zerspanversuchen hinsichtlich ihrer Funktionalität getestet werden. Die werkzeugintegrierten Sensoren können zur In-process Messung der Temperaturen auf der Spanfläche im oder in der Nähe des Werkzeug-Span-Kontakts sowie zur Bestimmung der Verschleißmarkenbreite eingesetzt werden. Die Kenntnis dieser wichtigen Prozesskenngrößen bietet die Möglichkeit neuartige In-Process-Regelungsmechanismen zu entwickeln, welche eine gezielte Einstellung der Surface Integrity und damit eine Verbesserung der Leistungsfähigkeit und der Lebensdauer des Bauteils ermöglichen

Effect of tool coatings on surface grain refinement in orthogonal cutting of AISI 4140 steel

Recrystallization mechanisms leading to the generation of ultrafine grains (UFG) by surface severe plastic deformation (S2PD) at low temperatures (< 0.5Tm (melting temperature)) have been investigated over the last years. Material removal processes like broaching impose large plastic strains along the shear plane during chip formation, leading in many cases to changes in the workpiece subsurface microstructure. In this work the influence of the cutting material on surface grain recrystallization were studied on broaching of AISI 4140q&t steel. Orthogonal cutting tests were carried out in dry conditions on a broaching machine using tools with different coatings. Uncoated cemented carbide inserts were geometrically prepared using fixed abrasive grinding processes and then coated by physical vapor deposition (PVD) with Al2O3 and CrVN thin films. Workpiece subsurface layers were analyzed after machining by Focused Ion Beam (FIB-SEM) and X-ray diffraction (XRD). The presented results show the influence of the cutting material on the final microstructure of the machined workpieces through the determination of the final grain sizes and dislocation densities

Water Infiltration in Methylammonium Lead Iodide Perovskite: Fast and Inconspicuous

While the susceptibility of CH3NH3PbI3 to water is well documented, water influence on device performance is not well understood. Herein we use infrared spectroscopy to show that water infiltration into CH3NH3PbI3 occurs much faster and at much lower humidity than previously thought. We propose a molecular model where water molecules have a strong effect on the hydrogen bonding between the methylammonium cations and the Pb-I cage. Furthermore, the exposure of CH3NH3PbI3 to ambient environment increases the photocurrent of films in lateral devices by more than one order of magnitude. The observed slow component in the photocurrent buildup indicates that the effect is associated with enhanced proton conduction when light is combined with water and oxygen exposure.C.M. and M.S. acknowledge support by the Heidelberg Graduate School of Fundamental Physics. A.A.B. is a Royal Society University Research Fellow.This is the author accepted manuscript. The final version is available from the American Chemical Society via http://dx.doi.org/10.1021/acs.chemmater.5b0388

Dünnschichtsensoren zur Temperaturmessung im Mischreibungskontakt

Die Erfassung von Temperaturen an Bauteiloberflächen in Mischreibungskontakten, etwa um damit Modelle zu verifizieren, stellte eine große Herausforderung dar. Hierfür werden Dünnschichtsysteme mit einer Gesamtschichtdicke von < 10 µm als Oberflächenbeschichtung aufgebracht, welche eine ausgezeichnete Verschleißfestigkeit mit sensorischen Eigenschaften vereinen. Das Dünnschichtsystem besteht aus einer elektrisch isolierenden und tribologisch beständigen, per PVD (Physical Vapour Deposition) auf die polierte Oberfläche eines Strahlsubstrats abgeschiedenen Aluminiumoxid (Al₂O₃)-Grundschicht. Alternativ wird eine mittels PACVD (Plasma Assisted Chemical Vapour Deposition)abgeschiedene, mit Silizium und Sauerstoff modifizierte, amorphe Kohlenwasserstoffschicht (a-C:H:Si:O) verwendet, die am Fraunhofer IST entwickelt wurde und mit dem Markennamen SiCON® bezeichnet wird. Darauf wird eine elektrisch leitfähige Metallschicht aus Chrom aufgebracht. Die Strukturierung dieser Schicht erfolgt per Fotolithografie und nasschemischer Ätzung. Sie wird mit einem neu entwickelten Verfahren kombiniert, das es ermöglicht, auch auf dreidimensionalen Oberflächen minimale Strukturbreiten von 11 μm zu erreichen. Dadurch lassen sich sehr temperaturempfindliche Sensoren mit einer verbesserten Ortsauflösung realisieren. Abschließend wird eine elektrisch isolierende und vor Verschleiß schützende Deckschicht abgeschieden. Durch Ausnutzung der thermoresistiven Eigenschaften des Chroms kann mit den Sensorstrukturen die Temperatur direkt im Kontaktbereich an der Bauteiloberfläche gemessen werden