TR73

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Werkzeuge



Letztes Update: 19.11.2020


Der Arbeitskreis Werkzeuge befasst sich mit den Eigenschaften und der konstruktiven Auslegung der Umformwerkzeuge im SFB/TR 73. Durch die enge Zusammenarbeit aller Projektbereiche wird zum einen eine funktionsgerechte Umsetzung der neu entwickelten Verfahren zur Werkzeugherstellung sichergestellt, zum anderen können neue Produktionstechnologien in der Blechmassivumformung mit speziell hergestellten Werkzeugen schnell umgesetzt und erprobt werden. Ein Schwerpunkt des Arbeitskreises ist die Umsetzung und Erprobung von angepassten Werkzeugoberflächen zur Beeinflussung der Reibung während des Umformprozesses (Tailored Surfaces).

 

Im Folgenden werden beispielhaft einige Untersuchungen, welchen in der Gemeinschaft des Arbeitskreises Werkzeuge durchgeführt wurden, dargestellt:

Beteiligte Teilprojekte: A7, B2, B5, B7, C2 - 2019

Untersuchungen strukturierter Werkzeugflächen und der Einfluss auf den Werkzeugverschleiß

Die Untersuchungen befassen sich mit dem Einfluss deterministischer Oberflächenstrukturen auf die tribologischen Eigenschaften von Umformwerkzeugen und deren Verschleiß unter Prozessbelastung. Die Verschleißentwicklung funktionaler Oberflächenstrukturen wird sowohl simulativ als auch experimentell untersucht. Es wird gezeigt, dass die eingesetzten Oberflächenstrukturen sowohl hinsichtlich der tribologischen Eigenschaften als auch der Widerstandsfähigkeit Potential zur Optimierung von BMU Prozessen bieten.

 

Beteiligte Teilprojekte: A1, B3 - 2019

Maßgeschneiderte Werkzeugoberflächen in einem flexibeln Walzprozess

Die Anwendung prozessangepasster Halbzeuge in Verfahren der Blechmassivumformung führt zu einigen Vorteile in Bezug auf nachgelagerte Umformprozesse. Durch eine definierte Materialvorverteilung wird sowohl eine ressourceneffizientere Nutzung des Materials als auch eine Steigerung der Bauteilqualität durch lokale Vorverfestigung erreicht. Die umformtechnische Herstellung rotationssymmetrischer, prozessangepasster Halbzeuge variabler Blechdicke ist durch ein flexibles Walzverfahren möglich, welches durch translatorische Bewegung zweier Umformwalzen einen Stofffluss in definierte Werkzeugkavitäten erzeugt. In Abhängigkeit des Aufdickungsvolumens und der Homogenität der Materialvorverteilung kann so in nachfolgenden Umformstufen, wie z. B. einem kombinierten Tiefzieh-Stauchprozess, eine höhere Formfüllung von Funktionselementen erreicht werden. Bedingt durch die tribologischen Eigenschaften zwischen Halbzeug und Walztisch kann in Abhängigkeit von Geometrie und Prozessführungsstrategie nicht immer eine homogene Materialvorverteilung erzielt werden. Durch den Einsatz von maßgeschneiderten Werk zeugoberflächen im Umformprozess soll eine Möglichkeit zur Steigerung der Stoffflusskontrolle aufgezeigt werden, um so ein höheres Materialvolumen im Aufdickungsbereich bereitstellen zu können. Durch den anschließenden Einsatz der gewalzten Tailored Blanks in einem kombinierten Tiefzieh-Stauchprozess werden Erkenntnisse des Potentials zum Einsatz von Tailored Surfaces in der Halbzeugherstellung gewonnen und ein Prozessverständnis für den industriellen Einsatz abgeleitet.

 

Beteiligte Teilprojekte: A4, B2, B5 – 2017

Strategien zur Verbesserung der Formfüllung bei inkrementeller Zahnumformung

Die inkrementelle Blechmassivumformung bietet einen innovativen und flexiblen Ansatz für die Herstellung von Zahnrädern. Es wird jedoch eine unzureichende Formfüllung der erzeugten Verzahnung, insbesondere des ersten geformten Zahnes, beobachtet. Um eine Verbesserung der Formfüllung des ersten Zahnelements zu erreichen, wurden drei Einflussfaktoren untersucht. Zunächst wird die vorherrschende Reibung analysiert und eine Möglichkeit zu deren Einstellung durch eine maßgeschneiderte Anpassung der Werkzeugoberflächentopographien erläutert. Diese wurden durch Mikrofräsen, Erodieren und Polieren hergestellt und teilweise durch CrAlN-PVD-Beschichtungen konserviert. Basierend auf Ringversuchen, die zur Ermittlung der resultierenden Reibungsverhältnisse durchgeführt wurden, sind die analysierten Topographien auf reale Werkzeugoberflächen übertragen und im inkrementellen Zahnradumformprozess eingesetzt worden. Zweitens wurde der Einfluss auf die Formfüllung des Rohlingsschneidprozesses und die resultierenden Blechkanteneigenschaften untersucht. Der dritte Aspekt zur Verbesserung der Formfüllung der Verzahnungselemente war die Modifikation der Prozessstrategie des inkrementellen Umformprozesses. Aufgrund unterschiedlicher Bedingungen für den Anfangs- und die folgenden Eindrücke wurde ein Vorformvorgang untersucht, um einen vergleichbaren Materialfluss für alle Eindrücke zu realisieren. Durch die Kombination der besten Parameter bezüglich der Werkzeugoberfläche, des Schneidprozesses und der Umformstrategie wurde eine Verbesserung der Formfüllung des ersten umgeformten Verzahnungselementes um bis zu 33% und für die folgenden Verzahnungen um bis zu 13% erreicht.

 

 

Beteiligte Teilprojekte: A4, B2, B5 – 2016

Verschleißverhalten tribologisch optimierter Werkzeugoberflächen für inkrementelle Umformprozesse

Das mechanische Verschleißverhalten von Umformwerkzeugen ist der limitierende Faktor bei einem inkrementellen Zahnradumformprozess. Diese Umformwerkzeuge mit einer einfach geformten Geometrie sind hohen Umformkräften ausgesetzt. Zusätzlich schränkt die für diesen inkrementalen Prozess charakteristische notwendige Werkstückkammerung die Dimensionierung der Werkzeuge ein. Dadurch wird die geometrische Auslegung der Umformwerkzeuge eingeschränkt, was zu einer verringerten Lebensdauer führt. Funktionelle Strukturen an den Werkzeugoberflächen können das auftretende Belastungs- und Verschleißverhalten durch eine Reduzierung der Kontaktfläche, die Zuführung von Schmiermitteltaschen und durch eine kontrollierte Beeinflussung und Einstellung des auftretenden Materialflusses beeinflussen. Zur Verlängerung der Werkzeuglebensdauer werden verschiedene Oberflächenkonzepte und Kombinationen mit CrAlN-PVD-Beschichtungen untersucht. Um Bedingungen mit hohen Belastungen zu bieten, konzentrieren sich die Untersuchungen auf einen inkrementellen Zahnradumformprozess mit einem Umformwerkzeug, das aus einem einfachen Einkeil-Umformwerkzeug besteht.

Die Ergebnisse zeigen abrasives und adhäsives Verschleißverhalten sowie Ausbrüche und Rissbildungen. Die Rissausbreitung an der Flanke führt zu einem Abplatzen der Werkzeugspitze und damit zu einer Begrenzung der Werkzeugstandzeit. Im Vergleich zum Referenzwerkzeug führt eine Oberflächenstruktur in Kombination mit einer PVD-Beschichtung zu einer signifikanten Erhöhung der Werkzeugstandzeit um 84%.




Projekte


Beteiligte Personen

Arbeitskreisleiter

    Mitglieder


    Veröffentlichungen

      2021

      • Schewe, M.; Wilbuer, H.; Menzel, A.: Simulation of wear and effective friction properties of microstructured surfaces . In: Wear, 464(2021), elsevier, S. 203491
      • Wild, T.; Merklein, M.: Tool Sided Surface Modifications in the Industrial Environment. In: M. Merklein, A.E. Tekkaya, B.-A. Behrens (Hrsg.): Sheet Bulk Metal Forming, (2021), Springer Nature Switzerland AG, S. 477-492
      • Platt, T.; Biermann, D.: Functionalization of Tool Topographies for Material Flow Control and Tool Life Optimization in Hot Sheet-Bulk Metal Forming – A Concept Study. In: M. Merklein, A.E. Tekkaya, B.-A. Behrens (Hrsg.): Sheet Bulk Metal Forming, (2021), Springer Nature Switzerland AG, S. 0
      • Meijer, A.; Biermann, D.: Machining of Molds with Filigree Structures for Sheet-Bulk Metal Forming. In: M. Merklein, A.E. Tekkaya, B.-A. Behrens (Hrsg.): Sheet Bulk Metal Forming - Research Results of the TCRC73, (2021), Springer Nature Switzerland AG, S. 141-171
      • Wernicke, S.; Hahn, M.; Detzel, A.; Tillmann, W.; Stangier, D.; Lopes Dias, N. F.; Tekkaya, A.: Force Reduction by Electrical Assistance in Incremental Sheet-Bulk Metal Forming of Gears. In: Journal of Materials Processing Technology, 296(2021), Elsevier, S. 117194
      • Platt, T.; Meijer, A.; Merhofe, T.; Biermann, D.: Simulation-Based and Experimental Investigation of Micro End Mills with Wiper Geometry. In: Micromachines (Hrsg.): Micro-Manufacturing and Applications: Advanced Micro Processing Technology, Devices and Equipment, Volume II, 12(2021)5, S. 496
      • Wernicke, S.: Inkrementelle Blechmassivumformung belastungsangepasster Funktionsbauteile. In: Prof. Dr.-Ing. M. Kleiner (Hrsg.): Dissertation an der Fakultät Maschinenbau der Technischen Universität Dortmund, Dortmunder Umformtechnik, ISBN 978-3-8440-7980-7, 112(2021), Düren: Shaker Verlag, S. 196

      2020

      • Henneberg, J.; Merklein, M.: Investigation on extrusion processes in sheet-bulk metal forming from coil. In: CIRP Journal of Manufacturing Science and Technology, (2020), akzeptiert
      • Wernicke, S.; Hahn, M.; Tekkaya, A.; Gerstein, G.; Nürnberger, F.: Strain path dependency in incremental sheet-bulk metal forming. In: International Journal of Material Forming, (2020), DOI: 10.1007/s12289-020-01537-0, veröffentlicht
      • Weikert, T.; Tremmel, S.; Stangier, D.; Tillmann, W.; Krebs, E.; Biermann, D.: Tribological Studies on Multi-Coated Forming Tools. In: Journal of Manufacturing Processes, 49(2020), S. 141-152
      • Wild, T.; Merklein, M.: Analyse des tribologischen Einsatzverhaltens von modifizierten Werkzeugoberflächen. In: Bernd-Arno Behrens (Hrsg.): Aktuelle Entwicklungen im Bereich der Umformtechnik - 23. Umformtechnisches Kolloquium Hannover 04. und 05. März 2020, (2020), TEWISS, S. 35-42
      • Behrens, B.; Meijer, A.; Stangier, D.; Hübner, S.; Biermann, D.; Tillmann, W.; Rosenbusch, D.; , .: Static and oscillation superimposed ring compression tests with structured and coated tools for Sheet-Bulk Metal Forming. In: Journal of Manufacturing Processes, 55(2020), S. 78-86
      • Wild, T.; Bestenlehrer, M.; Merklein, M.: Analysis of the Modification of Tool Surfaces by Abrasive Blasting and Laser Polishing. In: Defect and Diffusion Forum, 404(2020), S. 124-131
      • Henneberg, J.; Merklein, M.: Measures for controlling the material flow when extruding sheet-bulk metal forming parts from coil. In: Manufacturing Review, 7(2020)36, S. 1-13
      • Platt, T.; Meijer, A.; Biermann, D.: Conduction-Based Thermally Assisted Micromilling Process for Cutting Difficult-to-Machine Materials. In: Journal of Manufacturing and Materials Processing (Hrsg.): Advanced Manufacturing and Machining Processes, 4(2020)2, S. 34

      2019

      • Wernicke, S.; Sieczkarek, P.; Gies, S.; Tekkaya, A.: Verfahren und Vorrichtung zur Verdickung des Randes eines Blechkörpers. In: Europäische Patentschrift (Hrsg.): EP 3 323 527 B1, (2019), akzeptiert
      • Clausmeyer, T.; Nürnberger, F.; Gutknecht, F.; Isik, K.; Besserer, H.; Gerstein, G.; Wernicke, S.; Schulte, R.; Tekkaya, A.; Merklein, M.; Maier, H.: Analyse und Modellierung von Schädigung und Versagen in der Blechmassivumformung. In: Merklein, M.; Behrens, B.-A.; Tekkaya, A. E. (Hrsg.): 4. Workshop Blechmassivumformung, (2019), Erlangen: FAU University Press, S. 33-60
      • Wernicke, S.; Gies, S.; Tekkaya, A.: Manufacturing of Hybrid Gears by Incremental Sheet-Bulk Metal Forming. In: Procedia Manufacturing, 27(2019), ELSEVIER, S. 152-157
      • Behrens, B.; Biermann, D.; Tillmann, W.; Krimm, R.; Meijer, A.; Schewe, M.; Stangier, D.; Commichau, O.; Müller, P.; Rosenbusch, D.; Menzel, A.: Untersuchungen strukturierter Werkzeugflächen und der Einfluss auf den Werkzeugverschleiß. In: 4. Industriekolloquium Blechmassivumformung 2019 – DFG Transregio 73, (2019), S. 7-30
      • Vogel, M.; Schulte, R.; Freiburg, D.; Lechner, M.; Biermann, D.; Merklein, M.: Maßgeschneiderte Werkzeugoberflächen in einem flexibeln Walzprozess. In: M. Merklein, B.-A. Behrens, A. E. Tekkaya (Hrsg.): 4. Workshop Blechmassivumformung, (2019), FAU University Press, S. 89-108
      • Pulvermetallurgie der Hartmetalle - Schlüsseltechnologie für die spanende Fertigung und ihre Anwendungsgebiete. In: Danninger, H.; Sigl, L.; Broeckmann, C. (Hrsg.): Pulvermetallurgie- Schlüsseltechnologie für innovative Systemlösungen, 35(2019)1, Heimdall Verlag, S. 3-27
      • Schewe, M.; Menzel, A.: Aspects of the Particle Finite Element Method applied to contact problems. In: Proc. Appl. Math. Mech., 19(2019)1, Weinheim: Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, S. e201900403

      2018

      • Sieczkarek, P.; Wernicke, S.; Gies, S.; Tekkaya, A.: Inkrementelle Blechmassivumformung: Entwicklung einer neuen Fertigungstechnologie. In: wt Werkstattstechnik online, 108(2018), S. 679-685
      • Sieczkarek, P.: Inkrementelle Blechmassivumformung. In: M. Kleiner (Hrsg.): Reihe: Dortmunder Umformtechnik, 99(2018), ISBN: 978-3-8440-6118-5: Shaker, veröffentlicht
      • Gutknecht, F.; Clausmeyer, T.; Wernicke, S.; Gies, S.; Tekkaya, A.: Vorstellung eines Lastpfadindikators für die Blechmassivumformung. In: 19. Simufact RoundTable, 17.05.2018 in Marbung, (2018), veröffentlicht
      • Meijer, A.; Krebs, E.; Wiederkehr, P.; Biermann, D.: Prediction of Feed-Rate Slowdowns in Precise Micromilling Processes. In: J. Manuf. Mater. Process, 2(2018)1, MPDI, S. 1-14
      • Biermann, D.; , .; Ott: Präparation von Mikrofräswerkzeugen aus Vollhartmetall mit elastisch gebundenen Schleifkörpern. In: Jahrbuch Schleifen, Honen, Läppen und Polieren: Verfahren und Maschinen, 68(2018)1, Vulkan Verlag GmbH, S. 80-98
      • Biermann, D.; , .; Krebs, E.; Michel, S.; Jaeger, J.: Neue Entwicklungen für den produktiven Einsatz von Hartmetallwerkzeugen in kleinsten Dimensionen. In: Danninger, H.; Sigl, L.; Broeckmann, C. (Hrsg.): Pulvermetallurgie - neue Herausforderungen und neue Wege, 34(2018)1, Heimdall Verlag, S. 135-155
      • Schewe, M.; Menzel, A.: The Particle Finite Element Method for the modelling and simulation of solid body interactions. In: Proc. Appl. Math. Mech., 18(2018)1, Weinheim: Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, S. e201800110

      2017

      • Sieczkarek, P.; Wernicke, S.; Gies, S.; Tekkaya, A.: Incremental Sheet-Bulk Metal Forming – Overview on the development of a new forming technology. In: Proceedings of the 50 th ICFG Plenary Meeting, (2017), Shanghai, China, S. 196-205
      • Sieczkarek, P.; Wernicke, S.; Gies, S.; Tekkaya, A.; Krebs, E.; Wiederkehr, P.; Biermann, D.; Tillmann, W.; Stangier, D.: Improvement strategies for the formfilling in incremental gear forming processes. In: Production Engineering – Research and Development, 11(2017), Springer, S. 623-631
      • Tillmann, W.; Stangier, D.; Lopes-Dias, N.-F.; Biermann, D.; Krebs, E.: Adjustment of Friction by Duplex-Treated, Bionic Structures for Sheet-Bulk Metal Forming. In: Tribology International, 111(2017), S. 9-17
      • Gerstein, G.; Isik, K.; Sieczkarek, P.; Ewerth, J.; Tekkaya, A.; Clausmeyer, T.; Nürnberger, F.: MICROSTRUCTURAL CHARACTERIZATION AND SIMULATION OF DAMAGE FOR GEARED SHEET COMPONENTS. In: Journal of Physics: Conference Series 36th IDDRG Conference - Materials Modelling and Testing for Sheet Metal Forming 2–6 July 2017, Munich, Germany, 896(2017), veröffentlicht
      • Berthelsen, R.; Wilbuer, H.; Menzel, A.: Computational modelling of wear and the effective frictional behaviour of elastoplastic tools. In: Proceedings of the 7th GACM Colloquium on Computational Mechanics, 7(2017), Institute for Structural Mechanics, University of Stuttgart, http://dx.doi.org/10.18419/opus-9334, S. 786-789

      2016

      • Berthelsen, R.; Wilbuer, H.; Holtermann, R.; Menzel, A.: Computational modelling of wear – application to structured surfaces of elastoplastic tools. In: GAMM-Mitt., 39(2016)2, Weinheim: Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, S. 210-228

      Vorträge

        2019

        • 20.02.2019: Schewe, M.; Menzel, A.: Aspekte der Partikel Finite Elemente Methode angewendet auf Kontaktprobleme, 90th GAMM Annual Meething, Wien
        • 10.04.2019: Freiburg, D.: Oberflächenstrukturen in der spanenden Fertigung, DGM Fortbildungsseminar Moderne Hochleistungswerkstoffe spanend bearbeiten, Dortmund
        • 15.05.2019: , .: Mikrozerspanung gehärteter Schnellarbeitsstähle , 11. Tooling Konferenz, Aachen

        2018

        • 08.02.2018: Krebs, E.: Simulationsgestützte Prozessanalyse und –vorhersage bei der Mikrofräsbearbeitung, Dortmund
        • 21.03.2018: Schewe, M.; Menzel, A.: Die Partikel-Finite-Elemente-Methode für die Modellierung und Simulation von Festkörper Interaktionen, 89th GAMM Annual Meething, München
        • 24.08.2018: , .: Mikrobearbeitung - Von der Simulation des Materialabtrages bis zur intelligenten Fabrik , Sino Summer School, ISF, Dortmund
        • 17.09.2018: Freiburg, D.: Simulationsbasierte Werkzeugentwicklung zur Oberflächenstrukturierung von Werkzeugen der Blechmassivumformung, Metal Forming, Toyohashi, Japan
        • 28.09.2018: Wiederkehr, P.: Mikrobearbeitung bionischer Oberflächenstrukturen zur tribologischen Optimierung von Umfromprozessen, 2. Sino Symposium, Bochum
        • 28.11.2018: , .: Prozessauslegung zur Strukturierung von Freiformflächen durch Replikation und Verzerrung von Sektionen eines NC Programmes, Euspen - SIG: Structured & Freeform Surfaces, Paris

        2016

        • 26.10.2016: Menzel, A.: Anwendung eines numerischen Verschleiß Modells auf strukturierte Oberflächen, 29th Nordic Seminar on Computational Mechanics, Chalmers University of Technology, Göteborg