Prof. Dr.-Ing. Bernd-Arno Behrens

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Veröffentlichungen

Die Prozesskette Tailored Forming dient der Herstellung hybrider Bauteile und besteht aus einem Fügeprozess für verschiedene Werkstoffe (z. B. Auftragschweißen), anschließender Warmumformung, spanender Bearbeitung und Wärmebehandlung. Auf diese Weise können Bauteile mit an den Lastfall angepassten Werkstoffen hergestellt werden. In dieser Arbeit werden Hybridwellen durch Auftragschweißen einer Beschichtung aus X45CrSi9-3 auf ein Werkstück aus 20MnCr5 hergestellt. Die Hybridwellen werden dann durch Querkeilwalzen umgeformt. Es wird untersucht, wie sich die Dicke der Schicht und die Art der Abkühlung nach der Warmumformung (an Luft oder in Wasser) auf die Eigenschaften der Schicht auswirken. Die Hybridwellen werden ohne Schichtablösung umgeformt. Allerdings kommt es im Bereich des Lagersitzes durch den Mannesmann-Effekt zu leichten Kernauflockerungen. Die Mikrohärte der Auftragschicht wird durch die Kühlstrategie nur geringfügig beeinflusst, während die Mikrohärte des Grundmaterials bei wassergekühlten Wellen deutlich höher ist. Das Gefüge der Plattierung besteht nach beiden Abkühlstrategien hauptsächlich aus Martensit. Im Grundwerkstoff führt die Luftkühlung zu einem überwiegend ferritischen Gefüge mit Ferrit-Perlit-Körnern. Abschrecken in Wasser führt zu einem Gefüge, das hauptsächlich aus Martensit besteht.

Laser-Heißdraht-Auftragschweißen, Querkeilwalzen, Hybridbauteile, Auftragschweißen

Im Automobil- und Maschinenbau werden massivumgeformte Bauteile in vielen Anwendungen eingesetzt. Die Gesenke für die Bauteile erfahren während der Umformung aufgrund von hohen Umformkräften und Temperaturen einen hohen Verschleiß. Um einen wirtschaftlichen Produktionsbetrieb zu ermöglichen, wurden Methoden zur Verminderung des Verschleißes bei der Halbwarmumformung untersucht. Eine vielversprechende Methode ist der Einsatz von Diamondlike-Carbon (DLC)-Verschleißschutzschichten.

Halbwarm, DLC, Verschleißschutz

Aufgrund der zunehmenden Integration von Funktionen müssen viele Bauteile hohe und manchmal widersprüchliche Anforderungen erfüllen. Eine Möglichkeit, dieses Problem zu lösen, ist Tailored Forming. Dabei werden hybride Halbzeuge durch einen Füge- oder Beschichtungsprozess hergestellt, die anschließend warm umgeformt und nachzerspant werden. Für die Auslegung von hybriden Bauteilen für eine mögliche spätere industrielle Anwendung sind Kenntnisse über die Eigenschaften von hybriden Bauteilen erforderlich. In dieser Arbeit wird untersucht, wie die jeweiligen Prozessschritte der Tailored-Forming-Prozesskette die Eigenschaften der aufgebrachten Beschichtung verändern. Dazu werden Wellen aus unlegiertem Stahl durch Laserheißdraht-Auftragschweißen mit einem hochlegierten austenitischen Stahl X2CrNiMo19-12 beschichtet. Anschließend erfolgt die Warmumformung durch Querkeilwalzen und die Endbearbeitung durch Drehen und Festwalzen. Nach jedem Prozessschritt werden die Oberflächeneigenschaften der Auftragschicht wie Gefüge, Härte und Eigenspannungszustand untersucht. So kann der Einfluss der verschiedenen Prozessschritte auf die Oberflächeneigenschaften in der Prozesskette der Herstellung von Hybridwellen analysiert werden. Dieses Wissen ist notwendig, um definierte Eigenschaften für ein gewünschtes Einsatzverhalten gezielt einzustellen.

 

Querkeilwalzen, Tailored Forming, Hybrid

Die Reduzierung der Planungs- und Entwicklungszeit für effiziente Stadienfolgen beim Gesenkschmieden bietet für Unternehmen der Schmiedebranche ein hohes Potenzial, um auf die Herausforderungen im Wettbewerb zu reagieren und konkurrenzfähig zu bleiben. Die Digitalisierung von Entwicklungsprozessen eröffnet den Unternehmen innovative Unterstützungsmöglichkeiten

Stadienplanung, Umformtechnik, Digitalisierung, Prozessentwicklung, CAD

In der KMU-geprägten Schmiedeindustrie wird die Lebensdauer von Schmiedegesenken meist auf Basis von Erfahrungswerten und subjektiven Entscheidungen bestimmt. Um erhebliche logistische und wirtschaftliche Aufwände in Folge von ungeplanten Stillstandzeiten und Werkzeugversagen zu verhindern, wird die Lebensdauer oft um ein Vielfaches geringer festgelegt und eine Verschwendung von bestehender Reststandmenge hervorgerufen. Eine Möglichkeit die Reststandmenge von Schmiedewerkzeugen zu bestimmen, stellt ein kombiniertes Messverfahren dar, das im Institut für Integrierte Produktion Hannover (IPH) gGmbH entwickelt werden soll.

Umformtechnik, Reststandmenge, Prozessüberwachung

Die manuelle Handhabung von Schmiedeteilen ist für Schmiedemitar-beiter körperlich stark belastend. Diese körperlichen Belastungen spiegeln sich in Schädigungen des Hand-Arm-Systems und Rückens wider und führen zum Ausfall der Schmiedemitarbeiter. Um die Ge-sundheit der Schmiedemitarbeiter zu schonen, ist das Ziel die Grund-belastung durch das Eigengewicht der Schmiedezange durch Leicht-bau-Schmiedezangen zu verringern.

Schmiedezange, Ergonomie, Leichtbau

Das Flachbackenwalzen ist der Massivumformung zuzuordnen, in welchem zwei mit Gravuren versehene Werkzeugplatten aneinander vorbeilaufen und dabei ein zylindrisches Halbzeug umformen. Mithilfe des Unrundwalzens als Vorformverfahren soll es ermöglicht werden, lokal unrunde Abschnitte, beispielsweise Ellipsen oder Exzenter in ein Halbzeug zu formen. Der Stofffluss soll ausschließlich in radialer Richtung vorliegen. Erste Simulationen zeigen, dass die genannten Anforderungen erfüllt werden können.

Unrundwalzen, Querkeilwalzen, Flachbackenwerkzeuge, Vor- und Zwischenformen, FEM

Für die effiziente Herstellung komplexer Geometrien werden häufig mehrstufige Schmiedeprozessketten eingesetzt. Diese bestehen typischerweise aus einer homogenen Erwärmung, einer oder mehreren Vorformstufen und dem Fertigschmieden. Durch inhomogen erwärmte Rohteile können die Prozessketten vereinfacht oder verkürzt werden. Dies soll erreicht werden, indem innerhalb eines Rohteils verschiedene Temperaturbereiche eingestellt werden, die zu unterschiedlichen Fließspannungen führen. Diese können den Materialfluss beeinflussen, was zu einer einfacheren Herstellung komplexer Teile führt. In dieser Studie wird der Einfluss von inhomogen erwärmten Rohteilen auf den Umformprozess mittels FEA untersucht. Dazu werden zwei Prozessketten mit inhomogener Erwärmung und drei homogen erwärmte Referenzprozessketten entwickelt und verglichen. Jede Prozesskette wird so lange optimiert, bis die Formfüllung erreicht ist und keine Fehler mehr auftreten. Zielgrößen für die Bewertung sind die notwendige Umformkraft, die zur Formfüllung notwendige Materialmenge und der Werkzeugverschleiß. Die Ergebnisse zeigen für Prozessketten mit inhomogen erwärmten Rohteilen ein kleines Zeitfenster von ca. 5 s für eine erfolgreiche Umformung im Sinne einer Formfüllung. Umformkräfte und Werkzeugverschleiß steigen bei inhomogen erwärmten Rohteilen aufgrund höherer anfänglicher Fließspannungen an. Allerdings sinkt der Gratanteil bei inhomogen erwärmten Rohteilen. Je nach Größe weisen inhomogen erwärmte Rohteile bis zu 11,8 % weniger Grat auf als homogen erwärmte Rohteile. Dies zeigt ein Potenzial für den Einsatz der inhomogenen Erwärmung, um Schmiedeprozesse effizienter zu gestalten. Anschließend werden experimentelle Versuche durchgeführt, um die Ergebnisse der Simulationen zu verifizieren.

Inhomogene Erwärmung, Schmieden, FEA, Ressourceneffizienz, Vorformoperationen

Um die Wirtschaftlichkeit bei der Herstellung geometrisch komplizierter Schmiedeteile zu erhöhen, ist die Materialeffizienz ein entscheidender Faktor. In dieser Studie wird eine Methode validiert, die eine mehrstufige Stadienfolge auf Basis der CAD-Datei des Schmiedeteils automatisch entwirft. Die Methode soll materialeffiziente Stadienfolgen generieren und die Entwicklungszeit sowie die Abhängigkeit von Referenzprozessen bei der Auslegung von Stadienfolgen reduzieren. Mittels künstlicher neuronaler Netze wird die Geometrie des Schmiedeteils analysiert und in eine Formklasse eingeordnet. Ergebnis der Analyse sind Informationen über die Bauteileigenschaften, wie z. B. Biegung und Löcher. Daraus lassen sich spezielle Operationen wie z. B. ein Biegevorgang in der Stadienfolge ableiten. Mit einem Slicer-Algorithmus wird die CAD-Datei des Schmiedeteils in Schnittebenen aufgeteilt und die Massenverteilung um die Schwerpunktslinie des Schmiedeteils berechnet. Ein Algorithmus nähert die Massenverteilung und die Querschnittskontur vom Schmiedeteil schrittweise bis zum Halbzeug an. Jede Zwischenform wird als CAD-Datei exportiert. Der Algorithmus benötigt wenige Minuten, um eine mehrstufige Stadienfolge zu generieren. Die entworfenen Stadienfolge werden durch FEM-Simulationen überprüft. Qualitätskriterien, die bewertet und untersucht werden, sind Formfüllung und Falten. Erste FEM-Simulationen zeigen, dass die automatisch generierten Stadienfolgen die Herstellung unterschiedlicher Schmiedeteile ermöglichen. In einem iterativen Anpassungsprozess werden die Ergebnisse der FEM-Simulationen zur Anpassung der Methode genutzt, um materialeffiziente und prozesssichere Stadienfolgen zu gewährleisten.

Automatische Prozessauslegung, Schmieden, FEM, Ressourceneffizienz, CAD

Es wird eine Methode vorgestellt, die es ermöglicht die Komplexität eines Schmiedeteils automatisiert auf Basis der CAD-Datei des Schmiedeteils zu bestimmen. Eine automatisierte Bewertung der Schmiedeteilkomplexität ist für eine digitalisierte und automatisierte Auslegung von Stadienfolgen notwendig, um wichtige Auslegungsparameter wie den Gratanteil oder die Anzahl der Stadien festlegen zu können.

CAD, Umformtechnik, Algorithmen

Die Produktion von Hybridbauteilen beinhaltet eine lange Prozesskette, die bereits vor der Bearbeitung zu hohen Investitionskosten führt. Um die Prozesssicherheit und Prozessqualität bei der Endbearbeitung zu erhöhen, ist es notwendig, Informationen über die Halbzeuggeometrie für den Bearbeitungsprozess bereitzustellen und fehlerhafte Bauteile frühzeitig zu identifizieren. In diesem Beitrag wird eine Untersuchung zur Vorhersage von Maßabweichungen und Lunkern im Material während des Querkeilwalzens von Wellen auf Basis des gemessenen Werkzeugkraft vorgestellt. Zunächst wird der Prozess in Bezug auf die Variation des Durchmessers für drei Walzspalte und zwei Materialien untersucht. Anschließend werden aus den hydraulischen Drücken der Werkzeuge Merkmale generiert und multi-lineare Regressionsmodelle entwickelt, um die resultierenden Durchmesser der Wellenschulter zu bestimmen. Diese Modelle zeigen eine bessere Vorhersagegenauigkeit als Modelle, die auf Metadaten über den eingestellten Walzenspalt und das geformte Material basieren. Die Merkmale werden zusätzlich genutzt, um den Prozess hinsichtlich des Mannesmann-Effekts erfolgreich zu überwachen. Abschließend wird ein Sensorkonzept für eine neue Querkeilwalzmaschine zur Verbesserung der Vorhersage der Werkstückgeometrie und ein neuer Ansatz zur Überwachung von Bearbeitungsprozessen von Werkstücken mit Maßabweichungen für kommende Studien vorgestellt.

Querkeilwalzen, Umformtechnik, Hybrid, Halbzeuge, Tailored Forming

Warmgeschmiedete Bauteile haben bessere Oberflächeneigenschaften und eine höhere Maßhaltigkeit als warmgeschmiedete Bauteile. Als Verschleißschutzschichten können diamantähnliche Kohlenstoffschichten (DLC) eingesetzt werden, die antiadhäsiv und extrem hart (bis 3500 HV) sind, um die Standzeit der Werkzeuge zu erhöhen. In der ersten Förderperiode des Forschungsprojekts am IPH - Institut für Integrierte Produktion Hannover gGmbH und dem Institut für Oberflächentechnik (IOT) der Technischen Universität Braunschweig in Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik (IST) wurde der Einfluss verschiedener Schichttypen und Prozesstemperaturen auf den Werkzeugverschleiß untersucht. Das Ergebnis ist, dass DLC-Beschichtungen den Werkzeugverschleiß zum Teil deutlich reduzieren können, ihre Standzeit aber stark von der Temperatur abhängig ist. Eine schichtintegrierte Temperaturmessung konnte zu diesem Zeitpunkt aufgrund von Adhäsionsproblemen nicht realisiert werden. In der zweiten Förderperiode wurde der Einfluss von mehrlagigen DLC-Schichten auf den Werkzeugverschleiß untersucht. Außerdem wurde eine zusätzliche Methode der Temperaturmessung auf der Gravuroberfläche mittels Dünnschichtsensoren entwickelt, um die lokale Prozesstemperatur und den lokalen Schichtverschleiß zu korrelieren. In dieser Arbeit werden die Entwicklung und die Ergebnisse der Dünnschicht-Temperatursensoren vorgestellt, die genauere Temperaturmessungen als die üblicherweise verwendeten Thermoelemente ermöglichen. Ihre Funktionalität und Haltbarkeit unter hohen Belastungen wurden untersucht und erwiesen sich als vielversprechend.

DLC2, Halbwarmschmieden, Schmieden, Verschleiß, Umformung

An massivumgeformte Bauteile werden immer höhere Belastungsanforderungen bei gelichzeitigem Bestreben nach Ressour-
ceneffizienz gestellt. Durch ein ultrafeinkörniges Gefüge können Festigkeit und Duktilität des Bauteils verbessert werden. Dadurch wird esmöglich, kleinere und leichtere Bauteile zu konstruieren und Leichtbaupotentiale zu nutzen. Eine Möglichkeit
zur Erzeugung von ultrafeinkörnigem Gefüge stellt der Prozess des Querkeilwalzens dar.

Querkeilwalzen, Feinkörniges Gefüge, Leichtbau

In einem Forschungsvorhaben am Institut für Integrierte Produktion Hannover sollen die Prozessparameter für das Querkeilwalzen ermittelt werden, mit denen sich bei zylindrischen Rohteilen ein ultrafeines Gefüge einstellen lässt. Angestrebt werden Korngrößen des Walzteils im Bereich von 500 nm.

Prozessentwicklung, Querkeilwalzen, Werkstoffeigenschaften, Ultranfeines Gefüge

Dieser Beitrag stellt Konzepte zur Stoß- und Schwingungs­reduktion einer Schmiedezange vor. In der Schmiedeindustrie werden bei der Bearbeitung von Schmiedeteilen häufig hand­geführte Schmiedezangen eingesetzt. Hierbei wirken auf die Mit­arbeiter hohe Belastungen durch Stöße und Schwingungen der Umformmaschinen ein. Ein erstelltes Simulationsmodell evaluiert Konzepte zur Reduzierung der Stöße und Schwingungen während des Schmiedens.

Ergonomie, Schmieden, Stoß- und Schwingungsreduktion

Glühend heiße, kiloschwere Stahlteile zu handhaben ist körperlich belastend. Eine neuartige Schmiedezange soll Belastungen bei der Arbeit reduzieren, Schmerzen vorbeugen und den Krankenstand senken.  

Schmieden, Ergonomie, Belastungsreduktion

Das Ziel des Teilprojektes B1 des Sonderforschungsbereiches (SFB) 1153 ist die Ermittlung der Umformbarkeit neuartiger hybrider Halbzeuge mittels des inkrementell umformenden Querkeilwalzens. Hauptaspekt ist die Umformung verschieden hergestellter Hybridhalbzeuge aus Stahl, Aluminium und Hartwerkstofflegierungen. Zur Reduktion des Bauteilgewichts ist es durch die Verwendung hybrider Halbzeuge möglich, weniger belastete Segmente eines zuvor monolithischen Bauteils aus einem Leichtmetall zu fertigen. Zur Erhöhung des Verschleißwiderstandes kann ein Bauteilbereich (z. B. ein Lagersitz) mit einem Hartwerkstoff ummantelt werden. Darüber hinaus sollen zukünftig Prozessgrößen (z. B. Temperatur und Kraft) im Werkzeug-Werkstück-Kontakt gemessen werden. Für die verwendeten Halbzeuge gibt es primär zwei Werkstoffanordnungen: ummantelt (koaxial - Demonstrator Welle 1) und stirnseitig gefügt (seriell - Demonstrator Welle 3). Eine Herausforderung ist die für die Umformung notwendige Erwärmung der Halbzeuge, da das Hybridhalbzeug aufgrund der verschiedenen Werkstoffe unterschiedliche Fließwiderstände besitzt und ggf. inhomogen erwärmt werden muss, um eine gleichmäßige Umformung zu ermöglichen.

Umformtechnik, Querkeilwalzen, Hybride Halbzeuge, Tailored Forming

Bis heute ist die Auslegung von Vorformen für Gesenkschmiedeprozesse ein zeitaufwändiger und manueller Trial-and-Error Prozess. Die Qualität der Vorform ist dabei maßgeblich abhängig vom konstruierenden Ingenieur. Gleichzeitig besitzt die Vorform einen großen Einfluss auf das spätere Schmiedeergebnis. Um unabhängig von der Erfahrung des Ingenieurs und zeitaufwändigen Optimierungsprozessen zu werden, präsentiert und untersucht dieser Artikel einen Algorithmus zur Vorformoptimierung von querkeilgewalzten Vorformen. Der Algorithmus berücksichtigt dafür die Massenverteilung des fertigen Bauteils, das Vorformvolumen, die Komplexität der Vorformkontur, die Auftrittswahrscheinlichkeit von Falten im fertigen Bauteil und den notwendigen Gratzuschlag. So bildet sich ein multikriterielles Optimierungsproblem, das zu einem großen Suchraum führt. Daher wird ein evolutionärer Algorithmus zur Optimierung verwendet. Der entwickelte Algorithmus wird anhand eines Pleuels getestet, um den Einfluss der Algorithmusparameter zu bestimmen. Es zeigt sich, dass der Algorithmus in der Lage ist, innerhalb einer Minute eine geeignete Vorform hinsichtlich der gegebenen Kriterien, auszulegen. Darüber hinaus zeigen zwei der fünf Algorithmusparameter, der Selektionsdruck und die Populationsgröße, einen signifikanten Einfluss auf die Laufzeit und Qualität der Optimierung.

Vorformoptimierung, Genetischer Algorithmus, Querkeilwalzen, Adaptiver Grat

Im Beitrag wird eine Methode auf Basis Künstlicher Neuronaler Netze vorgestellt, die es erlaubt, schmiedetechnisch hergestellte Bauteile automatisiert zur Einordnung in Formenklassen zu klassifizieren. Dadurch ist es möglich, direkt aus der CAD-Datei des Schmiedeteils eine Formenklasse und für die Auslegung des Prozesses relevante Charakteristika zu ermitteln, die in einem übergeordneten Ziel dazu genutzt werden, eine automatisierte Stadienplanung durchzuführen.

Schmieden, KNN, CAD

Das Hybridschmiedeverfahren erfüllt die Anforderungen des modernen Struktur- und Werkstoffleichtbaus durch die Kombination von Umform- und mechanischen Fügeoperationen in einem Prozess. In diesem Beitrag wird ein analytischer Ansatz zur Vorhersage von symmetrischen Fügeverbindungen von Schüttgut und Blech vorgestellt. Finite-Elemente-Simulationen verifizieren, dass der analytische Ansatz einen Schwellenwert für die Blechdicke liefert, bei dem die Biegedehnung deutlich reduziert wird. Darüber hinaus betont der analytische Ansatz, dass das Überschreiten des Schwellenwertes zu einer Sättigung der Biegedehnungsreduzierung führt und durch eine Erhöhung der Blechdicke nur ein geringer Nutzen erzielt wird.

Hybridschmieden, Verbinden, Fügen, Elastomechanik, Leichtbau, Multimaterialfertigung