A4 - Inkrementelle Umformung

Grundlagenuntersuchungen und Verfahrensentwicklung zur Herstellung belastungsangepasster Bauteile mittels inkrementeller Blechmassivumformung

Projektstatus: abgeschlossen

Letztes Update: 29.09.2020

Mitglieder

Antragsteller

• Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. A. Erman Tekkaya (bis 31.03.2021)

Projektleiter

• Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. A. Erman Tekkaya (bis 31.03.2021)

Projektbearbeiter

• M. Sc. Sebastian Wernicke (bis 31.03.2021)

Übergeordnetes Ziel im Teilprojekt (TP) A4 ist die flexible Herstellung endkonturnaher und belastungsangepasster Funktionsbauteile mittels inkrementeller Blechmassivumformung (iBMU). Diese Technologie wurde in der zweiten Förderperiode mithilfe von analytischen, numerischen und experimentellen Untersuchungen dahingehend nutzbar gemacht, dass der Werkstofffluss beschrieben und kontrolliert gesteuert werden kann. Die identifizierten Wirkmechanismen bilden somit ein effizientes Instrument zur geometrischen Bauteilgradierung. Durch das Prinzip der Spannungsüberlagerung konnten zudem die Prozesskräfte beim Einbringen von Funktions­elementen um bis zu 30 % reduziert werden. Im Falle höherfester Werkstoffe treten aber trotz dieser Kraftreduktion im finalen Kalibrierschritt weiterhin standzeitreduzierende Werkzeugbelastungen auf. Eine erfolgreiche Kalibrierstufe ist zur Einhaltung der geforderten Maßtoleranzen jedoch zwingend notwendig und unterstreicht damit den Bedarf nach weiteren Strategien zur Reduzierung der Werkzeugbelastung. Zur Verbesserung der Formfüllung beim Zahnformen wurden drei Ansätze entwickelt und erprobt:

 

• geometrische Anpassung des Ausgangsblechkörpers,
• angepasste Prozessstrategie mit Vorformschritt und
• modifizierte Werkzeug-Wirkflächen mit bionischen Strukturen (Kooperation mit TP B2 und TP B5).

 

Neben einer weiteren Reduzierung der Prozesskräfte stellt die Gradierung der mechanischen Bauteileigenschaften das übergeordnete Ziel in der dritten Förderperiode dar. Hierdurch soll sowohl die Lebensdauer der Werkstücke wie auch die Standzeit der Werkzeuge gesteigert werden. Die Zielerreichung setzt die Beantwortung der nachfolgend abgeleiteten wissenschaftlichen Leitfragen voraus:

 

1. Die in der zweiten Förderphase entwickelten Prozessrouten ermöglichen die Herstellung von Bauteilen mit identischen Geometrien aber unterschiedlichen Formänderungsverteilungen.

→  Leitfrage AP1: Welche lokalen Festigkeitssteigerungen und –gradierungen können durch eine dehnpfadgesteuerte Gradierung der mechanischen Bauteileigenschaften erreicht werden?

→ Gegenwärtiger Stand AP1: Die numerisch untersuchten Prozesskinematiken können bereits beim Randaufdicken die maximale Formänderung im Randbereich einer Blechronde um ca. Δφ_max = 35 % variieren. Die dabei identifizierten Lastwechsel führen dazu, dass das Verfestigungspotenzial der Werkstoffe nicht vollständig ausgenutzt werden kann. Während eine vollständige Ausnutzung bauteilseitig wünschenswert wäre, profitiert hiervon die maschinenseitig erforderliche Umformkraft.

 

2. Die gemeinsame Umformung geschichteter Blechronden aus unterschiedlichen Werkstoffen zu einem Bauteil wurde im Verlauf der zweiten Förderperiode prototypisch erprobt.

→ Leitfrage AP2: Wie beeinflusst die Umformung hybrider Bauteile den Stofffluss, die Prozesskräfte und das Gradierungspotential beim Aufdicken bzw. Einbringen von Funktionselementen.

→ Gegenwärtiger Stand AP2:  Die betrachtete Hybridisierung beeinflusst den Stofffluss entsprechend der mit dünneren Stahlblechen einhergehenden Wandstärkenänderung Δs. Dies führt bei der hybriden Vorgehensweise zu einer lokal erhöhten Formänderung Δφ_max. Die Gradierung der Festigkeitsverteilung wie auch das Leichtbaupotenzial der inkrementellen Blechmassivumformung konnte somit bereits gesteigert werden.

 

3. Durch eine prozessbegleitende, impulsartige Stromdurchflutung der Umformzone konnte im Rahmen von Vorversuchen eine Verringerung der Prozesskräfte um 20 % erzielt werden.

→ Leitfrage AP3: Welche maximale Kraftreduktion kann durch die Stromdurchflutung erreicht werden ohne einen Verlust der Kaltverfestigung im Werkstück hervorzurufen?

→ Gegenwärtiger Stand AP3:  Durch eine lokale Beschichtung der Werkzeugoberfläche (B5) konnte die Stromdichte-verteilung in Bereichen erhöhter Formänderungsgeschwindigkeit konzentriert werden. Hierdurch konnte die Prozesskraft temporär um ca. 50 % verringert werden, ohne das sich die resultierende Härte signifikant reduziert.

 

Eine Übersicht der für die dritte Förderperiode vorgesehenen Forschungsinhalte ist nachfolgend dargestellt. Die dehnpfadgesteuerte Verfestigung wie auch der Einsatz hybrider Bauteile dienen der Anpassung der mechanischen Bauteileigenschaften an das in der Nutzungsphase auftretende Belastungskollektiv. Im Falle der Werkzeuge ist das Potenzial der Festigkeitssteigerung durch eine alternative Werkstoffauswahl oder dessen Konditionierung jedoch nahezu ausgeschöpft. Hier erfolgt daher eine Anpassung des Belastungskollektives an die gegebenen Belastungsgrenzen. Neben der prozessbegleitenden Stromdurchflutung der Umformzone dient auch hier der Einsatz hybrider Bauteile als Lösungsansatz.

 

Arbeitskreise

• Bauteileigenschaften und Funktion
• Werkzeuge

Veröffentlichungen