Prof. Dr.-Ing. Bernd-Arno Behrens

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Veröffentlichungen

Ein geringer Energieverbrauch und eine geringe Fertigungszeit werden in jedem industriellen Prozess der Kurbelwellenherstellung gefordert. Kurbelwellen besitzen eine sehr komplexe Geometrie und werden daher, verglichen mit anderen Schmiedebauteilen, mit einem hohen Gratanteil geschmiedet. Aktuelle Forschungsergebnisse zeigten die Machbarkeit des gratlosen Präzisionsschmiedens von Kurbelwellen. Eine Möglichkeit, eine Kurbelwelle herzustellen ist die Verwendung der drei Fertigungsschritte Querkeilwalzen, mehrdirektionales Schmieden und Fertigschmieden.

Dieses Paper präsentiert die Untersuchungsergebnisse des Einflusses des Schulterwinkels beim Querkeilwalzen auf verschiedenen Parameter des mehrdirektionalen Schmiedens. Zuerst ist der aktuelle Stand der Forschung, die Entwicklung des Prozesses und die Werkzeugkonzepte des Querkeilwalzens und des mehrdirektionalen Schmiedens dargestellt. Danach sind die Ergebnisse des Einflusses des Schulterwinkels auf die Gratbildung, Bauteiltemperaturen, Umformgrad, Umformkraft und Spannung gezeigt. Grundsätzlich entsteht Grat, weil eine rotationsymmetrische Vorform asymmetrisch umgeformt wird. Ein steigender Schulterwinkel führt dabei zu einem größeren Grat unten an den Kurbelwangen.

mehrdirektionales Schmieden, Querkeilwalzen, Kurbelwelle, Parameterstudie, Schulterwinkel

Um die Produktionskosten von Schmiedeteilen zu reduzieren, sind unterschiedliche Ansätze möglich. Speziell für wertvolle Materialien wie Titan stellen die Materialkosten einen Großteil der Produktionskosten dar. Daher kann die Verringerung des Ausgangsmaterials die Gesamtkosten signifikant verringern. Um das Verbesserungspotenzial zu identifizieren, wurde eine bestehende Schmiedeprozesskette untersucht.

Für ein Hüft-Implantat aus Titan wurde eine neue Schmiedeprozesskette entwickelt. Um das anfänglich benötigte Material zu reduzieren, wurde das Querkeilwalzen als Vorformvefahren und das Gesenkschmieden mit Gratsperren untersucht. Der Einfluss der verschiedenen Prozessschritte auf das Endergebnis wurde analysiert und detailliert dargestellt. Um die Vorhersagegenauigkeit des neu entwickelten gratreduzierten Schmiedeprozesses zu erhöhen und Iterationsschleifen von Gesenkauslegungen zu verringern, wurden passende Simulationsparameter unter Berücksichtigung der Randbedingungen der Schmiedeumgebung untersucht. Dies geschieht mittels Finite-Elemente-Analyse (FEA) unter Berücksichtigung von Formfüllung, Prozessstabilität und Pressenkräfte. Beim Einsatz von Querkeilwalzen und Gesenkschmieden mit Gratsperre reduziert der neu entwickelte Schmiedprozess den Gratanteil deutlich von 69% auf 32%.

Querkeilwalzen, Schmieden, Gratreduziert, FEM Simulationen, Gratsperren

In mehrstufigen Schmiedeprozessen wird das Schmiedeergebnis hauptsächlich von der Geometrie der Vorform bestimmt. Das Auslegen von mehrstufigen Schmiedeprozessen ist dennoch immer noch ein zeitaufwendiger Trial- and Error Prozess. Die Qualität der entwickelten Schmiedeprozesse hängt weiterhin stark vom Erfahrungswissen des zuständigen Konstrukteurs ab. Dieses Paper präsentiert einen Algorithmus, um das multikriterielle Optimierungsproblem der Vorformoptimierung zu lösen. Dazu werden querkeilgewalzte Vorformen untersucht und ein evolutionärer Algorithmus eingesetzt, um die Vorformen so zu verbessern, bis die gewünschten Qualitätskriterien in der Fertigschmiedestufe erreicht werden. Dabei werden die Massenverteilung des Fertigteils, das Vorformvolumen und die Bauteilkomplexität als Bewertungsparameter eingeführt. Es wird eine Formel zur Berechnung des minimal erforderlichen Gratanteils abgeleitet und anhand verschiedener Demonstratorbauteile auf ihre Eignung überprüft. 

Vorformoptimierung, Schmieden, Evolutionäre Algorithmen, Querkeilwalzen

Um es zukünftig kleinen und mittleren Unternehmen zu ermöglichen, Querkeilwalzen einzusetzen, wurden bisher bestehende Hindernisse aus dem Weg geräumt. Dazu wurde eine Methode entwickelt, wie Querkeilwalzwerkzeuge softwaregestützt konstruiert werden können. Für die beiden Demonstratorbauteile Hüftimplantat und Common-Rail wurden Querkeilwalzprozesse simulationsgestützt ausgelegt. Mit den Querkeilwalz-Vorformen konnten gratreduzierte Stadienfolgen für die beiden Demonstratorbauteile ausgelegt werden. Um die Teile industriell kostengünstig walzen zu können, wurde eine Querkeilwalzmaschine konzipiert, gefertigt und beim Schmiedeunternehmen aufgebaut. So konnte die komplette Stadienfolge des Hüftimplantats erfolgreich getestet werden.

Querkeilwalzen, Umformmaschine, Ressourceneffizienz, Hüftimplantat, Common-Rail

In mehrstufigen Schmiedeprozessen wird das Schmiedeergebnis hauptsächlich von der Geometrie der Vorform bestimmt. Das Auslegen von mehrstufigen Schmiedeprozessen ist dennoch immer noch ein zeitaufwendiger Trial- and Error Prozess. Die Qualität der entwickelten Schmiedeprozesse hängt weiterhin stark vom Erfahrungswissen des zuständigen Konstrukteurs ab. Dieses Paper präsentiert einen Algorithmus, um das multikriterielle Optimierungsproblem der Vorformoptimierung zu lösen. Dazu werden querkeilgewalzte Vorformen untersucht und ein evolutionärer Algorithmus eingesetzt, um die Vorformen so zu verbessern, bis die gewünschten Qualitätskriterien in der Fertigschmiedestufe erreicht werden. Dabei werden die Massenverteilung des Fertigteils, das Vorformvolumen und die Bauteilkomplexität als Bewertungsparameter eingeführt. Der entwickelte Algorithmus wird anhand eines Pleuels validiert und die fortlaufende Optimierung überprüft.

Vorformoptimierung, Schmieden, Evolutionäre Algorithmen, Querkeilwalzen

Gratreduziertes Schmieden ist eine vielversprechende Alternative für komplizierte Hochleistungsschmiedeteile. Mittels einer neuartigen Prozesskette wurde die Möglichkeit geschaffen, den Gratanteil solcher komplizierter Schmiedeteile signifikant zu senken. So kann die Wettbewerbsfähigkeit von Schmiedeunternehmen gesteigert und deren Produktionskosten gesenkt werden. Die Europäische Union fördert ein Forschungsprojekt, in dem die Verbesserung von Kurbelwellen-Stadienfolgen durch gratreduziertes Schmieden erreicht werden soll. Um die Vorhersage von Schmiedeparametern in Simulationen zukünftiger Prozessauslegungen zu verbessern, wird eine bestehende Stadienfolge simuliert und mit dem industriellen Schmiedeprozess verglichen. Zusätzlich wurde eine Variation der Simulationsparameter verwendet, um deren Einfluss auf die Ergebnisse des Schmiedeprozesses zu ermitteln.

Schmieden, Kurbelwelle, Gratreduzierung, Untersuchung von Simulationsparametern

Um die Formfüllung in Schmiedeprozessen sicher zu prognostizieren, werden unterschiedliche künstliche neuronale Netze auf ihre Eignung überprüft. Als Eingangsparameter werden mehrere Querschnittsflächeneigenschaften getestet, um das Ergebnis der Formfüllung von FEM-Simulationen zu prognostizieren. Der Einfluss der Querschnittseigenschaften auf die Formfüllungsprognose wird dargestellt und die beste Methode ausgewählt.

FEM, Schmieden, Vorformoptimierung

Mittels FEM wurde ein numerisches Modell entwickelt, um die Entstehung von Flittergrat beim Aluminiumschmieden zu untersuchen. Die Signifikanz und die Effekte der Eingangsparameter Werkstücktemperatur, Umformgeschwindigkeit und Gratspaltbreite auf die Entstehung des Flittergrates wurden durch statistische Analyse der Simulationsergebnisse ermittelt. Experimentelle Versuche wurden durchgeführt, um das numerische Modell zu verifizieren.

FEM, Aluminium, Schmieden, Gratlosschmieden, Flittergrat

Das verbreitetste Verfahren in der Massivumformung ist das Gesenkschmieden mit Grat. Dabei wird mithilfe eines Materialüberschusses sichergestellt, dass die Form vollständig gefüllt wird. Das überschüssige Material entweicht über die Gratbahn, die somit großen Einfluss auf die Formfüllung hat. Üblicherweise werden Form und Abmessungen der Gratbahn während der Gesenkherstellung festgelegt und können während des Schmiedeprozesses nicht mehr verändert werden. Durch den Einsatz einer variablen Gratbahn, die während des Schmiedeprozesses aktiv gesteuert werden kann, ist es möglich, den Materialfluss zu verändert und die Formfüllung zu verbessern. In diesem Beitrag wird eine variable Gratbahn für den Einsatz in der Warmmassivumformung beschrieben und der Einfluss eines solchen Systems auf die Formfüllung ermittelt. Als Vergleichsgegenstand wird ein konventioneller Schmiedeprozess mit einer festen Gratbahn herangezogen. Des Weiteren werden die Ergebnisse experimenteller Versuche mit den Ergebnissen der korrespondierenden FEM-Simulationen verglichen. Zudem wird untersucht, welchen Einfluss die Ausgangstemperatur des Rohlings hat. Die experimentellen Schmiedeversuche haben gezeigt, dass die variable Gratbahn den Materialfluss erheblich beeinflusst – umso mehr, je höher der Gratanteil ist. Die variable Gratbahn ist als 2 mm hohe Sperre konstruiert. Ihr Einsatz führt zu Steighöhenunterschieden von bis zu 4,5 mm – das entspricht 16,6 % der Bauteilhöhe im Vergleich zu konventionell geschmiedeten Bauteilen. Wird die Schmiedetemperatur von 1200 °C auf 1000 °C reduziert, sinkt der Einfluss der variablen Gratbahn: Die durchschnittlichen Steighöhenunterschiede liegen dabei rund 0,5 mm (etwa 3 %) niedriger.

Schmieden, Werkzeugkonstruktion, Stofffluss, FEM, Gratbahn

Gratreduziertes Schmieden ist eine vielversprechende Alternative für das Schmieden von komplizierten Hochleistungsbauteilen. Die Anwendung von gratlosen Vorformenoperationen ist ein möglicher Ansatz, eine Gratreduktion zu erreichen. Die Vermeidung von Grat beim Vorformen durch komplett umschlossene Gesenke ist die Hauptherausforderung beim Gratlosschmieden, vor allem, wenn die Trennfuge der Gesenke in der Mitte der Schmiedeteile liegt. Um ein gratloses Vorformen zu ermöglichen, wurde ein Schließmechanismus entwickelt, der ohne Federn funktioniert.

Schmieden, Schließ-Mechanismus, gratloses Schmieden, Schmiedeprozess, Vorformen

Das meist verbreitetste Verfahren der Massivumformung ist Gesenkschmieden mit Grat. Ein Ziel der Industrie ist es diesen Grat zu reduzieren. Bei geometrisch komplizierten Teilen wie Kurbelwellen kann die Gratreduzierung durch gratloses Vorformen und gratreduziertes Fertigschmieden erreicht werden. Eine entsprechende Prozessauslegung ist jedoch deutlich komplizierter und es können Fehler wie unzureichende Formfüllung auftreten. Eine bewegliche, gesteuerte Gratbahn ermöglicht eine Veränderung des Materialflusses und eine verbesserte Formfüllung. In dieser Veröffentlichung wird das gratlose Vorformen für Kurbelwellen unter Einsatz einer gesteuerten Gratbahn beschrieben.

Schmieden, Werkzeugkonstruktion, Stofffluss, FEM, Gratbahn

Beim Schmieden geometrisch komplizierter Teile wie Kurbelwellen ist ein Überschuss an Material (Grat) notwendig, um Teile guter Qualität erzeugen zu können. Die Materialausnutzung liegt zwischen 60 % und 80 %. Jedoch machen die Materialkosten beim Schmieden bis zu 50 % der gesamten Produktionskosten aus. Durch Verringerung des Gratanteils können die Materialverbrauch und die Produktionskosten in Schmiedeprozessen beträchtlich verringert werden. Für die Reduktion des Gratanteils einer Kurbelwelle, war die Entwicklung einer neuen Schmiedeabfolge notwendig. Diese Entwicklung wurde für eine industrielle Zweizylinder-Kurbelwelle durchgeführt, basierend auf Finite-Elemente-Analyse (FEA) Simulationen. Die neue Stadienfolge besteht aus drei gratlosen Vorformoperationen, einer induktive Wiedererwärmung gefolgt von einem mehrdirektionalen Schmieden und Fertigschmieden. Durch diese Stadienfolge wurde der Gratanteil von 54 % auf 10 % gesenkt. Aufgrund der hohen Gratreduktion kann von nun an Material und Energie gespart werden, wodurch die Wettbewerbsfähigkeit des Unternehmens zunimmt.

Schmieden, FEM, Gratreduzierung, mehrdirektionales Schmieden, Ressourceneffizienz

Kolben für Verbrennungsmotoren bestehen in der Regel aus Aluminium. Die steigenden Anforderungen an Effizienz und Leistung in Kfz-Motoren können durch die Verwendung von Stahlkolben erfüllt werden, die wahrscheinlich in der Automobilindustrie in den nächsten Jahren eingesetzt werden. Kolben sind meist geschmiedet und eine teure Bearbeitung ist notwendig, um sie einbaufertig zu finalisieren. In der Regel wird ein eindirektionales Schmiedeverfahren angewendet. Mit diesem ist es nicht möglich, Hinterschnitte zu schmieden. Bei Kolben ist die Kolbenbolzenbohrung ein solcher Hinterschnitt. Mit Hilfe des mehrdirektionalen Schmiedens ist ein Hinterschnittschmieden möglich und ein Vorformen der Kolbenbolzenbohrung kann realisiert werden. Zum einen führt dieses zu einer verbesserten Materialausnutzung und zum anderen wird die nachfolgende mechanische Bearbeitung vereinfacht aufgrund einer leichteren Positionierung des Schmiedeteils. Derzeit sind entsprechende Schmiedewerkzeuge in der Entwicklung. Sie werden in einer industriellen Umgebung auf einer Exzenterpresse getestet. Die Schmiedeteile werden anschließend bezüglich Qualität sowie die Werkzeuge hinsichtlich Verschleißes geprüft und final die Wirtschaftlichkeit dieses neuen Verfahrens analysiert.

Kolben, Stahl, Schmieden, Kolbenbolzenbohrung, Hinterschnitt, mehrdirektional

In diesem Paper wird der Vergleich der Simulationen der Querkeilwalzprozesse mit echten Versuchen mit flachen Querkeilwalzwerkzeugen vorgestellt. Die untersuchten Materialien sind Titan und bainitischer Edelstahl. Erste Simulationen wurden verwendet, um die geeigneten Parameter-Kombinationen für die untersuchten Materialien herauszuarbeiten. Anschließend wurden mit diesen Parametern, und zusätzlich mit einigen Variationen, Werkzeuge hergestellt, um ein Parameterfeld um diesen Bereich zu untersuchen. Der Zweck dieser Untersuchungen ist es, geometrische und Prozessparameter, mit denen ein stabiler Querkeilwalzprozess für bainitischen Stahl und Titan möglich ist, zu finden.

Querkeilwalzen, Bainitischer Edelstahl, Titan, FE-Simulationen

Die Verringerung des Werkzeugverschleißes ist ein effektiver Weg, um Kosten in der Massivumformung einzusparen. Um die Standzeit der Werkzeuge zu verlängern werden daher spezielle Beschichtungen und Wärmebehandlungen eingesetzt. Diamond like Carbon (DLC) Schichten zeigen eine hohe Härte und sehr gute Reibeigenschaften. Aufgrund des Verhaltens bei hohen Temperaturen sind diese Schichten für die Warmmassivumformung jedoch ungeeignet. Aufgrund des geringeren Wärmeeintrags in der Halbwarmumformung könnten die Schichten jedoch für die Halbwarmumformung geeignet sein. Da die Reibung ein wichtiger verschleißbeeinflussender Faktor ist werden in diesem Paper die Reibeigenschaften von DLC Schichten in der Halbwarmumformung mit Hilfe des Ringstauchversuchs untersucht. Es werden eine amorphe wasserstoffhaltige Kohlenstoffbeschichtung und sechs metallisch amorphe wasserstoffhaltige Kohlenstoffschichten (Cr, V und W jeweils in zwei Varianten) an CrN und ohne Beschichtung verglichen. Die Ergebnisse zeigen, dass DLC mit- und ohne metallische Dotierung in der Lage sind die Reibeigenschaften in der Halbwarmumformung zu verbessern und den Verschleiß zu reduzieren.

diamond-like carbon (DLC), Reibung, Halbwarmmassivumformung, Massivumformung, Ringstauchversuch

Im Automobilbau steht aktuell die Verbrauchsreduktion im Vordergrund von F&E. Eine Möglichkeit stellt der Leichtbau durch belastungsorientierte Auslegung der Bauteile dar. Ein Lösungsansatz ist die Substitution mehrerer kleiner Blechbauteile zu einem großen, lokal modifizierten Blechbauteil: sogenannten Tailored Blanks, Strips oder Tubes. Ein weiterer Lösungsansatz ist die Kombination passender Werkstoffpartner, um lokal unterschiedliche Bauteileigenschaften zu erreichen. Vielfach wird der Einsatz von Mischverbindungen wie Aluminium und Stahl genannt. Ein qualitativ hochwertiges und zuverlässiges Fügen der Werkstoffe zum Tailored Hybrid Tube (THT) hinsichtlich Reproduzierbarkeit der Umformbarkeit der Naht ist von hoher Bedeutung und soll durch Laserstrahllöten erfolgen. Die abschließende Formgebung des Bauteils erfolgt durch Innenhochdruckumformung (IHU).

Innenhochdruckumformen, Automotive, Laserstrahllöten, Stahl-Aluminium, Karosserie, Downsizing

Schmiedegesenke sind hohen mechanischen, thermischen und chemischen Belastungen ausgesetzt. Diese Belastungen können zum Versagen von Schmiedewerkzeugen führen und sind daher ein wesentlicher Kostenfaktor. Die Werkstücktemperatur ist der Parameter mit dem größten Einfluss auf die Belastungen. Das Halbwarmschmieden bekommt eine immer größere Bedeutung. Beim Halbwarmschmieden ist die Fließspannung des Werkstückes, und damit die mechanische Belastung, höher als beim Warmschmieden. Demgegenüber stehen geringere thermische Belastungen. Es wird eine Methode zum Vergleich der unterschiedlichen Belastungsarten in Schmiedegesenken vorgestellt.

Halbwarmschmieden, Warmschmieden, thermische Belastung, Werkzeugverschleiß

Beim Hybridschmieden werden massive Rohteile oder Bleche zu einem Verbundbauteil zeitgleich umgeformt und gefügt. Dadurch lassen sich die dem Umformen ansonsten nachgelagerten Fügeoperationen einsparen. Außerdem können durch den Einsatz eines Blechs anstelle von Massivteilen Material gespart oder günstigere Umformaggregate genutzt werden.

Hybrid, Schmieden, Blechumformung, Fügen, Stahl, Stoffschluss

Vorformoperationen enthalten noch viel Optimierungspotenzial. Dieses Paper beschreibt daher die Auslegung einer vierstufigen Stadienfolge für eine gratlos geschmiedete Kurbelwelle mit Zapfen und Flansch. Der Prozess besteht aus Querkeilwalzen, Querfließpressen, mehrdirektionalem Schmieden und Fertigschmieden. Innerhalb der FEM-Simulationen mit der Software Forge 3 und experimenteller Untersuchungen wurden verschiedene Prozessparameter variiert. Beispiele sind die Werkstück- und Werkzeugtemperatur, Rollgeschwindigkeit und Halbzeugmaterial. Zwecks Verkürzung der Stadienfolge wurde der direkte Einfluss des Querkeilwalzens auf das mehrdirektionale Schmieden ohne das Querfließpressen anhand einer Einzylinderkurbelwelle ohne Zapfen und Flansch untersucht. Die Ergebnisse zeigen mögliche Schulterwinkel für das Querkeilwalzen und mehrere geometrische Werkzeugvariationen für das mehrdirektionale Schmieden.

Querkeilwalzen, mehrdirektionales Schmieden, Kurbelwelle, gratlos Schmieden

Produkte unterliegen seit jeher einer stetigen Weiterentwicklung, die oftmals nicht nur einen Funktionszuwachs, sondern auch eine Weiterentwicklung der geometrischen Abmaße mit sich bringt. Das Phänomen der Produktvergrößerung bis hin zu großskaligen Produkten ist auch im Transportwesen, der Energietechnik und in der Produktionstechnik zu beobachten. Der Trend in Richtung großskaliger Produkte ist überall dort zu finden, wo durch große Produktabmessungen Kosten reduziert bzw. Leistungsdaten erhöht werden können, wie z. B. Containerschiffen oder Windenergieanlagen. Was definiert diese Gruppierung von XXL-Produkten und wo ist die Grenze für diese Produktgruppe zu finden? Eine übergeordnete Klassifizierung großskaliger Produkte ist bisher noch nicht erfolgt. Anhand unterschiedlicher Produktgruppen werden gemeinsame Charakteristika großskaliger Produkte aufgezeigt. Durch diese Betrachtung kann eine produktübergreifende Klassifizierung großskaliger Produkte vorangebracht werden.

XXL-Produkte, großskalig, XXL, Definition