Prof. Dr.-Ing. Bernd-Arno Behrens

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Veröffentlichungen

Aufgrund der guten Fließeigenschaften von Aluminium neigt das Material beim gratlosen Präzisionsschmieden dazu, in Werkzeugspalte zu fließen und den sogenannten Flittergrat zu erzeugen. Zur industriellen Umsetzung von gratlosen Präzisionsschmiedeprozessen sollen, in Kooperation mit einem Industriepartner, eine innovative Prognosemethode für Flittergrat sowie Dichtungskonzepte erarbeitet werden. Simulative Untersuchungen zeigen, dass die lokale Formfüllung nicht gleichzusetzen ist mit einem hohen Druck respektive einer erhöhten Wahrscheinlichkeit für Flittergrat.

Flittergrat, FEM-Simulation, Dichtungskonzept, Präzisionsschmieden, Umformtechnik

Es wird eine neue Prozesskette für die Herstellung von lastangepassten Hybridbauteilen vorgestellt. Die Prozesskette "Tailored Forming" besteht aus einem Auftragschweißprozess, der Warmumformung, der spanenden Bearbeitung und einer optionalen Wärmebehandlung. Im Mittelpunkt dieser Arbeit steht die Kombination des Laserstrahl-Warmdraht-Auftragschweißens mit anschließender Warmumformung zur Herstellung von Hybridbauteilen. Die Anwendbarkeit wird für verschiedene Werkstoffkombinationen und Bauteilgeometrien, z. B. eine Welle mit Lagersitz oder ein Kegelrad, untersucht. Als Plattierungswerkstoffe werden der austenitische Edelstahl AISI 316L und der martensitische Ventilstahl AISI HNV3 verwendet, als Grundwerkstoffe werden Baustahl AISI 1022M und Einsatzstahl AISI 5120 eingesetzt. Die resultierenden Bauteileigenschaften nach dem Laserwarmdraht-Auftragschweißen und der Warmumformung wie Härte, Gefüge und Eigenspannungszustand werden vorgestellt. Die Warmumformung bewirkt im Auftragschweißen und in der Wärmeeinflusszone eine Umwandlung von einem Schweißgefüge in ein feinkörniges Umformgefüge. Die Warmumformung beeinflusst den Eigenspannungszustand in der Umhüllung erheblich, wobei der resultierende Eigenspannungszustand von der Werkstoffkombination abhängt.

Laser-Heißdraht-Auftragschweißen, Auftragschweißen, Warmumformung, Eigenspannung, Tailored Forming

Im Unrundwalzen wird die Machbarkeit untersucht, mehrere zueinander versetzte, lokal unrunde Formelemente in
ein zylindrisches Halbzeug zu walzen. Ein Teilgebiet der Untersuchungen ist das Walzen von zwei elliptischen
Abschnitten. Aus drei unterschiedlichen Berechnungskonzepten für die Bestimmung der Werkzeuggravur wurde
einer für eine simulative Parameterstudie gewählt. Die Haupteinflussgrößen, u.a. die Länge und Breite der Gravur
und ein Prozessfenster wurden identifiziert.

Umformtechnik, Fertigungstechnik, FEM

Durch Prozessüberwachungsstrategien lassen sich verschleißbedingte Zustände von Schmiedegesenken erkennen und prognostizieren. Die Prognose des Verschleißzustands erlauben intelligente Instandhaltungsstrategien. Dadurch lassen sich Reststandmengen voll ausschöpfen, Ausschuss reduzieren und Ausfallzeiten einkalkulieren. Inhalt dieses Beitrags ist die Wirtschaftlichkeitsbetrachtung zur Kalkulation des Amortisationszeitpunkts einer Prozessüberwachung

Schmieden, Prozessüberwachung, Wirtschaftlichkeit

Während des Flachbackenwalzens laufen zwei Werkzeugplatten aneinander vorbei und formen das darin eingeschlossene zylindrische Halbzeug um. Im Rahmen des Forschungsprojekts Unrundwalzen wird das Walzen von mehreren, lokal unrunden Geometrien wie Exzentern untersucht. Unter Zuhilfenahme der statistischen Versuchsplanung ist eine simulative Parameteruntersuchung erfolgt, Haupteinflussgrößen wurden erkannt und Prozessfenster identifiziert.

Unrund, Exzenter, Flachbackenwerkzeuge, Vorform, Zwischenform, FEM

In der manuellen Massivumformung werden bei der Bearbeitung von Schmiedeteilen handgeführte Schmiedezangen eingesetzt. Beim Schmiedeprozess werden die Mitarbeiter körperlich durch hohe Schmiedeteilgewichte und übertragene Stöße belastet. Diese körperliche Belastung führt zu gesundheitlichen Einschränkungen der Mitarbeiter und erhöht die Ausfallquoten. Im IPH wurden ergonomische Schmiedezangen entwickelt, die zu einer Entlastung der Schmiedemitarbeiter führen.

Ergonomie, Schmiedezangen, Umformtechnik, Prävention

Durch die Ergebnisse der Verschleißuntersuchungen lassen sich mehrdirektionale Prozesse in der Warmmassivumformung künftig verschleißarm und wirtschaftlich optimieren. Die ermittelten, verschleißinduzierenden Prozessparameter innerhalb der Konstruktionsrichtlinie stellen elementares Grundwissen dar, welches prozessspezifisch angewendet werden kann. Grundsätzlich hängt das wirtschaftliche Potenzial mehrdirektionaler Schmiedeprozesse unter Verwendung von Schiebewerkzeugen vom Anwendungsfall und den gewünschten Bauteilgeometrien ab. Mehrdirektionale Schmiedeprozesse bieten große Einsparpotenziale und können durch die gezielte Prozessauslegung unter Verwendung der erarbeiteten Ergebnisse hohe Standmengen aufweisen und die Wettbewerbssituation von Unternehmen positiv beeinflussen. Dadurch lassen sich die Herstellkosten für explizit ausgewählte Nischenbauteile mit deutlich erhöhter Komplexität künftig bei überschaubarem Investitionsaufwand reduzieren. Neben der prozessspezifischen Optimierung der Prozessparameter müssten in Zukunft Optionen zur konstruktiven Werkzeuganpassung in Hinblick auf lokale Kühlung beziehungsweise thermischen Isolierung der Schieber-Keil-Mechanik erarbeitet werden, um die Systeme in automatisierten Serienfertigungen gezielt einsetzen zu können.

Schieberwerkzeuge, Prozessauslegung, Wirtschaftlichkeit, Massivumformung

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