TR73

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A4 - Inkrementelle Umformung (Förderperiode 2)



Grundlagenuntersuchungen und Verfahrensentwicklung zur Herstellung belastungsangepasster Bauteile mittels inkrementeller Blechmassivumformung

Projektstatus: abgeschlossen

Letztes Update: 23.01.2017



Mitglieder


Ziel dieses Projekts ist die flexible Herstellung endkonturnaher und belastungsangepasster Funktionsbauteile aus Feinblechen mittels inkrementeller Blechmassivumformung. Dabei sollen definierte Blechdickenzunahmen sowie lokale Einstellungen der mechanischen Bauteileigenschaften realisiert werden. Anders als bei der bisherigen Beschreibung von Blechumformprozessen durch die Verwendung eines ebenen Spannungs- und Dehnungszustandes mit überwiegend in der Ebene liegendem Stofffluss, wirkt bei der Anwendung von Massivumformprozessen auf Bleche ein dreidimensionaler Werkstofffluss. Die Herausforderung liegt in der Beschreibung und Beherrschung sowie gezielten Steuerung dieses neuartigen Stoffflusses, wobei auch eine gegenseitige Beeinflussung der zu erzeugenden Formelemente bei der Umformung beachtet werden muss. Des Weiteren führt der hohe lokale Kontaktdruck sowohl zu einer verminderten Werkzeugstandzeit als auch zu einer Werkzeugdeformation. Zur Erreichung hoher Formgenauigkeiten gilt es daher die hohe Werkzeugbelastung zu reduzieren.

Bei den Untersuchungen werden Massivumformprozesse inkrementell, und somit lokal begrenzt, auf Blechwerkstoffe angewandt. Aufbauend auf einer erarbeiteten Kinematikmatrix wurde eine fünfachsige Sonderpresse entwickelt und realisiert, mit der es möglich ist, unterschiedlichste Umformoperationen mit sehr flexibler zeitlicher und räumlicher Anordnung durchzuführen (Abbildung 1). Der besonders steife Maschinenaufbau sowie das erarbeitete Antriebskonzept ermöglichen präzise Werkzeugbewegungen im Hundertstel-Millimeter-Bereich, auch unter Last.

Abbildung 1: Mehrachspresse mit ihren fünf Bewegungsachsen  (1. Stößel, 2. Maschinentisch, 3. Drehtisch, 4a+4b Zusatzachsen).

Die Technologie wurde in der zweiten Förderperiode dahingehend nutzbar gemacht, dass der Werkstofffluss beschrieben und kontrolliert gesteuert werden kann. Die identifizierten Wirkmechanismen bilden somit ein effizientes Instrument zur geometrischen Bauteilgradierung. Unterteilt in kontinuierliche und diskrete Prozesse sowie nach dem Ort der Bearbeitung (Blechebene oder Blechrand) wurden die Prozesse grundlegend experimentell und numerisch analysiert. Zur Beschreibung der physikalischen Wirkzusammenhänge wurden drei analytische Prozessmodelle entwickelt und experimentell sowie numerisch verifiziert:

  1. Werkstoffaufwurf und Prozesskräfte beim horizontalen Aufdicken in der Blechebene (Ansatz: Gleitlinientheorie).
  2. Kraftniveau und Kräftezusammensetzung beim Eindrücken in die Blechkante (Ansatz: Obere Schranke Methode).
  3. Kraftreduktion durch Spannungsüberlagerung beim inkrementellen Zahnformen (Ansatz: Gleitlinientheorie).

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Abbildung 2: Kraftreduktion durch Spannungsüberlagerung (Versuchsaufbau und erzielte Kraftreduktion).

 

Durch das Prinzip der Spannungsüberlagerung konnten die Prozesskräfte beim Einbringen von Funktionselementen um bis zu 30% reduziert werden (Abbildung 2). Zur Verbesserung der Formfüllung des ersten Eindrucks beim Zahnformen (Abbilung 3, links) wurden drei Ansätze entwickelt und erprobt:

  • Geometrische Anpassung des Ausgangsblechkörpers (Abbildung 3, rechts),
  • modifizierte Werkzeug-Wirkflächen mit bionischen Strukturen (Kooperation mit TP B2 und TP B5) und
  • angepasste Prozessstrategie mit Vorformschritt.

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Abbildung 3: Numerische Analyse des ersten und der weiteren Eindrücke beim Zahnformen (links), Verbesserte Formfüllung des ersten Zahns durch Geometrieanpassung der Ronde (rechts).

 


Arbeitskreise


Veröffentlichungen

    2016

    • Gröbel, D.; Schulte, R.; Hildenbrand, P.; Lechner, M.; Engel, U.; Sieczkarek, P.; Wernicke, S.; Tekkaya, A.; Behrens, B.; Hübner, S.; Vucetic, M.; Koch, S.; Merklein, M.: Manufacturing of functional elements by sheet-bulk metal forming processes. In: Production Engineering, 10(2016)1, S. 63-80
    • Sieczkarek, P.; Wernicke, S.; Weddeling, C.; Martins, P. A. F.; Tekkaya, A.: Local Forming of Gears by Indentation of Sheets. In: Journal of Engineering Manufacture, (2016), DOI: 10.1177/0954405416654190, akzeptiert
    • Wernicke, S.; Sieczkarek, P.; Martins, P. A. F.; Tekkaya, A.: Local Sheet Thickening by In-Plane Swaging. In: International Journal of Mechanical Sciences, (2016), DOI: 10.1016/j.ijmecsci.2016.10.003, akzeptiert
    • Sieczkarek, P.; Silva, C. M. A.; Wernicke, S.; Tekkaya, A.; Martins, P. A. F.: Mechanical Characterization of Materials for Sheet-Bulk Metal Forming. In: RTME Conference, July 11-13, (2016), Aveiro, Portugal, im Druck
    • Kersting, P.; Gröbel, D.; Merklein, M.; Sieczkarek, P.; Wernicke, S.; Tekkaya, A.; Krebs, E.; Freiburg, D.; Biermann, D.; Weikert, T.; Tremmel, S.; Stangier, D.; Tillmann, W.; Matthias, S.; Reithmeier, E.; Löffler, M.; Beyer, F.; Willner, K.: Experimental and numcerial analysis of tribological effective surfaces for forming tools in Sheet-Bulk Metal Forming. In: Production Engineering, 10(2016)1, Springer, S. 37-50
    • Sieczkarek, P.; Wernicke, S.; Gies, S.; Martins, P. A. F.; Tekkaya, A.: Incipient and repeatable plastic flow in incremental sheet-bulk forming of gears. In: International Journal of Advanced Manufacturing Technology, (2016)86, DOI 10.1007/s00170-016-8442-6, S. 3091-3100
    • Isik, K.; Wernicke, S.; Silva, M.B.; Martins, P.A.F.; Tekkaya, A.: Failure by fracture in sheet–bulk metal forming. In: Journal of Strain Analysis; DOI: 10.1177/0309324716639773, 51(2016)5, S. 387-394
    • Sieczkarek, P.; Wernicke, S.; Gies, S.; Tekkaya, A.; Krebs, E.; Wiederkehr, P.; Biermann, D.; Tillmann, W.; Stangier, D.: Wear Behavior of Tribologically Optimized Tool Surfaces for Incremental Forming Processes. In: Tribology International, 104(2016), S. 64 - 72

    2015

    • Hildenbrand, P.; Sieczkarek, P.; Matthias, S.; Löffler, M.; Besserer, H.; Merklein, M.; Tekkaya, A.; Reithmeier, E.; Maier, H.: Inkrementelles Umformen dünnwandiger Funktionsbauteile unter Einsatz prozessangepasster Halbzeuge durch Verfahren der Blechmassivumformung. In: Tekkaya, A. E.; Liewald, M.; Merklein, M.; Behrens, B.-A. (Hrsg.): Tagungsband zum 18. Workshop Simulation in der Umformtechnik & 3. Industriekolloquium Blechmassivumformung 2015 - DFG Transregio 73, (2015), Aachen: Shaker Verlag, S. 149-170
    • Matthias, S.; Kästner, M.; Reithmeier, E.; Sieczkarek, P.; Tekkaya, A.: Forming tool inspection using fiber-optic sensor heads. In: João Tavares, Natal Jorge (Hrsg.): Computational Vision and Medical Image Processing V, (2015), London, UK: Taylor & Francis Group, S. 335-339

    2014

    • Sieczkarek, P.; Isik, K.; Ben Khalifa, N.; Martins, P. A. F.; Tekkaya, A.: Mechanics of Sheet-Bulk Indentation. In: Journal of Materials Processing Technology (JMPT), 214(2014), Elsevier, S. 2387-2394

    2013

    • Sieczkarek, P.; Kwiatkowski, L.; Ben Khalifa, N.; Tekkaya, A.: Novel five-axis forming press for the incremental sheet-bulk metal forming. In: Key Engineering Materials, 554(2013), S. 1478-1483
    • Salfeld, V.; Krimm, R.; Behrens, B.; Sieczkarek, P.; Ben Khalifa, N.; Tekkaya, A.; Tremmel, S.; Wartzack, S.: Maschinen- und werkzeugseitige Herausforderungen bei der Blechmassivumformung von komplexen Bauteilen. In: Merklein, M., Behrens, B.-A., Tekkaya, A. E. (Hrsg.): Tagungsband zum 2. Workshop Blechmassivumformung 2013 - DFG Transregio 73, (2013), Bamberg: Meisenbach , S. 13-36
    • Sieczkarek, P.; Kwiatkowski, L.; Tekkaya, A.; Krebs, E.; Kersting, P.; Tillmann, W.; Herper, J.: Innovative tools to improve incremental bulk forming processes. In: Key Engineering Materials , 554(2013), S. 1490-1497
    • Kästner, M.; Hausotte, T.; Reithmeier, E.; Loderer, A.; Ohrt, C.; Sieczkarek, P.: Fertigungsnahe Qualitätskontrolle von Werkzeug und Werkstück. In: M. Merklein, B.-A. Behrens, A. E. Tekkaya (Hrsg.): Tagungsband zum 2. Erlanger Workshop Blechmassivumformung 2013, (2013), Bamberg: Meisenbach, S. 101-118
    • Sieczkarek, P.; Kwiatkowski, L.; Tekkaya, A.; Krebs, E.; Kersting, P.; Tillmann, W.; Herper, J.: Innovative tools to improve incremental bulk forming processes. In: Key Engineering Materials, 554(2013), S. 1490-1497
    • Sieczkarek, P.; Kwiatkowski, L.; Ben Khalifa, N.; Tekkaya, A.: Novel five-axis forming press for the incremental sheet-bulk metal forming. In: Key Engineering Materials, 554(2013), S. 1478-1483
    • Salfeld, V.; , .; Krimm, R.; Behrens, B.; Sieczkarek, P.; Ben Khalifa, N.; Tekkaya, A.; Hetzner, H.; Tremmel, S.; Wartzack, S.: Maschinen- und werkzeugseitige Herausforderungen bei der Blechmassivumformung von komplexen Bauteilen. In: Merklein,M., Behrens, B.-A., Tekkaya, A. E. (Hrsg.): Tagungsband zum 2. Erlanger Workshop Blechmassivumformung 2013, 2(2013), Meisenberg Bambach, veröffentlicht
    • Kästner, M.; Hausotte, T.; Reithmeier, E.; Loderer, A.; Ohrt, C.; Sieczkarek, P.: Fertigungsnahe Qualitätskontrolle von Werkzeug und Werkstück. In: Merklein, M., Behrens, B.-A., Tekkaya, A. E. (Hrsg.): Tagungsband zum 2. Erlanger Workshop Blechmassivumformung 2013, 2(2013), Meisenberg Bambach, veröffentlicht

    Vorträge

      2016

      • 13.07.2016: Mechanical Characterization of Materials for Sheet-Bulk Metal Forming Processes, RTME 2016 Conference, Aveiro, Portugal

      2015

      • 27.02.2015: Hildenbrand, P.: Inkrementelles Umformen dünnwandiger Funktionsbauteile unter Einsatz prozessangepasster Halbzeuge durch Verfahren der Blechmassivumformung, 18. Workshop Simulation in der Umformtechnik & 3. Industriekolloquium Blechmassivumformung, Dortmund

      2014

      • 26.02.2014: Sieczkarek, P.; Weddeling, C.; Ben Khalifa, N.; Tekkaya, A.: Herstellung von belastungsangepassten Funktionsbauteilen mittels inkrementeller Blechmassivumformung, 21. Umformtechnisches Kolloquium Hannover, (Poster-Präsentation)

      2013

      • 23.04.2013: Sieczkarek, P.; Kwiatkowski, L.; Ben Khalifa, N.; Tekkaya, A.: Novel five-axis forming press for the incremental sheet-bulk metal forming, ESAFORM Conference 2013, Aveiro, Portugal
      • 23.04.2013: Sieczkarek, P.; Kwiatkowski, L.; Tekkaya, A.; Krebs, E.; Kersting, P.; Tillmann, W.; Herper, J.: Innovative tools to improve incremental bulk forming processes, ESAFORM Conference 2013, Aveiro, Portugal