Prof. Dr.-Ing. Bernd-Arno Behrens

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Veröffentlichungen

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

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

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

Folgeverbundhybridgeschmiedete Bauteile haben großes Potenzial im Leichtbau. Am Beispiel eines Querlenkers wird der Vorteil des Hybridschmiedens in Struktur- und Stoffleichtbau betrachtet. Zusätzlich zeigt die Betrachtung des Wärmeeintrags, dass beim nachträglichen Vergüten das Potenzial des Stoffleichtbaus nicht gefährdet wird.

Folgeverbund, Hybrid, Schmieden

Der Sonderforschungsbereich 1153 (SFB1153) "Prozesskette zur Herstellung hybrider Hochleistungsbauteile durch maßgeschneidertes Umformen" hat zum Ziel, neue Prozessketten für die Herstellung hybrider Massenbauteile aus gefügten Halbzeugen zu entwickeln. Das Teilprojekt B1 untersucht die Umformbarkeit von Hybridbauteilen mittels Querkeilwalzen. Diese Studie untersucht die Reduzierung der Schichtdicke von koaxial angeordneten Hybridhalbzeugen während eines Querkeilwalzprozesses. Die untersuchten Teile werden aus zwei Stählen (1.0460 und 1.4718) mittels Laserauftragschweißen hergestellt. Der Walzprozess wird mittels Finite Elemente (FE)-Simulationen ausgelegt und später experimentell untersucht. Forschungsschwerpunkte sind Untersuchungen zum Unterschied in der Schichtdicke des laserauftraggeschweißten 1.4718 vor und nach dem Querkeilwalzen in Abhängigkeit vom Keilwinkel, der Querschnittsflächenreduzierung und der Umformgeschwindigkeit. Außerdem werden die Simulationen und die experimentellen Versuche verglichen, um die Möglichkeit der Vorhersage der Dicke mittels Finite-Elemente-Analyse (FEA) zu überprüfen. Hauptergebnis war die Möglichkeit, das Umformverhalten von koaxial angeordneten Hybridbauteilen bei einer Querschnittsflächenreduzierung von 20% mittels FEA zu beschreiben. Bei einer Querschnittsreduzierung von 70% zeigten die Ergebnisse eine größere Abweichung zwischen Simulation und experimentellen Versuchen. Die Abweichungen lagen zwischen 0,8% und 26,2%.

Querkeilwalzen, Hybridschmieden, FEM, Schichtdicke

Im Rahmen des Sonderforschungsbereiches 1153 "Tailored Forming" der Deutschen Forschungsgemeinschaft werden im Teilprojekt B1 am IPH Untersuchungen zum Querkeilwalzen an hybriden Halbzeugen durchgeführt. Diese Veröffentlichung diskutiert die Ergebnisse der Untersuchungen hinsichtlich der Fügezone hybrider Halbzeuge und deren umformtechnisches Verhalten während des Querkeilwalzens. Die Form, Lage und Verschiebung der Fügezone hybrider Halbzeuge aus Aluminium und Stahl wird hierbei abhängig von verschiedenen Walzparametern wie Temperatur, Geschwindigkeit und Werkzeuggeometrie betrachtet. Die Untersuchungen wurden sowohl simulativ als auch experimentell durchgeführt. 

Tailored Forming, Querkeilwalzen, Umformtechnik, Aluminium, Stahl

Im Rahmen des Sonderforschungsbereiches 1153 "Tailored Forming" der Deutschen Forschungsgemeinschaft werden im Teilprojekt B1 am IPH Untersuchungen zum Querkeilwalzen an hybriden Halbzeugen durchgeführt. Diese Veröffentlichung diskutiert die Möglichkeiten der Umformung von Hartwerkstoffen wie 100Cr6, Stellite und Delcrome im Rahmen des Tailored Formings. Hierfür wurden von Teilprojekt A4 hybride Halbzeuge aus C22.8 und den verschiedenen Hartwerkstoffen mittels Auftragschweißen hergestellt und anschließend vom Teilprojekt B1 mittels Querkeilwalzen umgeformt. Es zeigt sich, dass die Umformung hybrider Hartwerkstoffhalbzeuge mittels Querkeilwalzen möglich ist und gute Ergebnisse liefert.

Tailored Forming, Querkeilwalzen, Hartwerkstoffe, PPA

Das Institut für Integrierte Produktion Hannover entwickeltet Prozesstechniken zum gleichzeitigen Umformen und Fügen artungleicher Werkstoffe. Sie sollen in Zukunft beispielsweise Blech-Massivteil- und Stahl-Aluminium-Verbindungen ermöglichen. Dies erweitert die Möglichkeiten für kosteneffiziente Multimaterialbauweisen im Automobil.

Schmieden, Hybrid, Folgeverbund

Werkzeugverschleiß ist für Schmiedeunternehmen von großer wirtschaftlicher Relevanz. Neben den Instandhaltungskosten fallen ebenfalls Kosten für verschleißabhängige Ausschussteile an. Im Zuge des Forschungsprojektes „Verfahren zur kostenoptimalen Losgrößenbildung unter Berücksichtigung des Verschleißes von Schmiedewerkzeugen“ wurde eine Methode zur Ermittlung bauteilindividueller Kostenfunktionen in Abhängigkeit des Verschleißes entwickelt. Die Methode ermöglicht die Bestimmung einer Losgröße, mit der eine maximale Kosteneinsparung erzielt werden kann.

Losgrößenbildung, Werkzeugverschleiß, Methode, Softwaredemonstrator, Schmiedewerkzeuge

Massivumgeformte Bauteile werden in vielen Anwendungen im Automobil- und Anlagenbau verwendet. Die Bedingungen unter denen die Bauteile hergestellt werden, häufig bei mehr als 800 °C und tausenden Tonnen Umformkraft, führen jedoch zu einem hohen Gesenkverschleiß. Eine Möglichkeit zur Verminderung des Verschleißes besteht im Einsatz von geeigneten Schutzschichten. Erste Grundlagenuntersuchungen haben die Möglichkeit aufgezeigt, mit dem Einsatz von harten Diamond-like Carbon (DLC)-Verschleißschutzschichten die tribologischen Effekte auf der Gesenkoberfläche deutlich zu reduzieren. Mit neuen Methoden wie beispielsweise dem Einsatz von Multilagenschichten und einer Temperaturmessung mittels Dünnschichtsensoren soll das Potenzial des Verschleißschutzes für die Halbwarmmassivumformung untersucht und ausgebaut werden.

DLC , Halbwarmmassivumformung, Verschleiß

In einem Aluminium (Al)-Schmelzofen sind der Füllstand des Schmelzbades und die Oxidschichtmenge mit Kontaktsensoren nicht überwachbar, da das Schmelzbad aufgrund der hohen Haltebereich-Temperaturen von über 600°C nicht zugänglich ist. Deshalb wird ein Online-Überwachungssystem des Aluminium-Schmelzbades mithilfe optischer Sensoren erforscht. Dafür wird das Schmelzbad mit geeigneten optischen Messsystemen identifiziert. Schließlich werden durch Bildanalyse-Algorithmen die Höhenänderung der Schmelze herausgearbeitet. Zudem werden Oxidschichten im Ofen auf der Badoberfläche mithilfe der Algorithmen detektiert.

Aluminium-Schmelzofen, Schmelzbadüberwachung, Oxidschicht

Zur Erhöhung der Wirtschaftlichkeit bei der Herstellung komplexer Schmiedeteile sind die Materialeffizienz und die Entwicklungszeit einer Stadienfolge entscheidende Kriterien. Gerade KMU können Stadienfolgen aufgrund zu geringer Kapazitäten und des hohen Wettbewerbsdrucks häufig nur verkürzt auslegen. Daher soll eine allgemeingültige Methode entwickelt werden, die basierend auf der Massenverteilung eines beliebigen Schmiedeteils automatisiert mehrstufige, effiziente Stadienfolgen generiert.

Automatisierte Prozessauslegung, Gesenkschmieden, Ressourceneffizienz