Prof. Dr.-Ing. Bernd-Arno Behrens

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Veröffentlichungen

Im allgemeinen Sprachgebrauch und in den Medien wird oftmals der Begriff XXL-Produkt als Synonym für großskalige Produkte verwendet. Doch was definiert XXL-Produkte und wo ist die Grenze zu konventionellen Produkten zu sehen? Durch Aufzeigen gemeinsamer Charakteristika wird eine wissenschaftliche Definition dieses Begriffes vorgestellt. Eine gemeinsame, branchen- und produktübergreifende Definition ermöglicht, vergleichbare Herausforderungen in verschiedenen Branchen zu identifizieren. Auf dieser Basis lassen sich übergreifende Lösungen entwickeln, die sich auf die Fertigung von unterschiedlichen XXL-Produkten übertragen lassen. Diese Synergieeffekte können zu einer kostengünstigeren Herstellung von XXL-Produkten beitragen.

XXL-Produkte, großskalig, XXL, Definition

Das Querkeilwalzen von Titanteilen in kleinen und mittleren Losgrößen unter Verwendung eines eigenständigen Apparates, die Anwendung einer Methode zum schnellen Auslegen von QKW-Prozessen sowie eine Prozessüberwachung mittels Thermografie wurde bisher nicht erforscht. Aufgrund der Bedürfnisse von europäischen KMU wurde daher ein Forschungsprojekt aufgesetzt, um die Vorteile des Verfahrens für die europäische Industrie verfügbar zu machen. Im Rahmen des Projektes wird eine Methode entwickelt, die den Aufwand zur Prozessauslegung für KMU aufwandsärmer gestaltet sowie eine Maschine bereitgestellt, welche mit geringen Investitionen die Vorteile von QKW für KMU verfügbar macht. Um die Akzeptanz des Verfahrens zu erhöhen wird außerdem eine integrierte Prozessüberwachung realisiert. Die entwickelten Methoden und Maschinen werden anhand von Demonstratorbauteilen erprobt, um die Möglichkeiten der neuen Technologien darzustellen.

Querkeilwalzen, QKW-Maschine, Titan, bainitischer Stahl, Common rail, Hüftimplantat

Das Querkeilwalzen von Titanteilen in kleinen und mittleren Losgrößen unter Verwendung eines eigenständigen Apparates, die Anwendung einer Methode zum schnellen Auslegen von QKW-Prozessen sowie eine Prozessüberwachung mittels Thermografie wurde bisher nicht erforscht. Aufgrund der Bedürfnisse von europäischen KMU wurde daher ein Forschungsprojekt aufgesetzt, um die Vorteile des Verfahrens für die europäische Industrie verfügbar zu machen. Im Rahmen des Projektes wird eine Methode entwickelt, die den Aufwand zur Prozessauslegung für KMU aufwandsärmer gestaltet sowie eine Maschine bereitgestellt, welche mit geringen Investitionen die Vorteile von QKW für KMU verfügbar macht. Um die Akzeptanz des Verfahrens zu erhöhen wird außerdem eine integrierte Prozessüberwachung realisiert. Die entwickelten Methoden und Maschinen werden anhand von Demonstratorbauteilen erprobt, um die Möglichkeiten der neuen Technologien darzustellen.

Querkeilwalzen, QKW-Maschine, Titan, bainitischer Stahl, Common rail, Hüftimplantat

Mit der Höhe von Windenergieanlagen steigt die nutzbare Windenergie exponentiell an. Allerdings nimmt bei zunehmender Turmhöhe auch der Materialbedarf und damit das Turmgewicht überproportional zu. Aktuelle Bauweisen begrenzen aufgrund dieses Zusammenhangs die heute erreichbare Turmhöhe. Die Anwendung von Leichtbauprinzipien kann zu einer Verringerung des Gewichtes bei gleicher Steifigkeit der Türme führen und damit in Zukunft höhere Türme ermöglichen. Im Rahmen eines Forschungsprojekts wurden konstruktive Konzepte entwickelt, welche die Senkung der Masse der Türme von WEA an Land (onshore) von bis zu 20 % ermöglichen. Dieser Artikel beschreibt die Entwicklung und Bewertung der Konzepte und stellt die Ergebnisse des Forschungsprojekts dar.

XXL-Produkte, großskalig, XXL, WEA, Windenergie, Leichtbau, Turmbau, FEM

Um Titanwerkstoffe zukünftig prozesssicher mittels IHU herstellen zu können wurden in einem Forschungsprojekt vom Institut für Integrierte Produktion Hannover (IPH) und dem Lehrstuhl für Umformtechnik Siegen die Grundlagen für die Innenhochdruckumformung von Titanbauteilen erforscht. Die Grundlagenuntersuchungen zur Auslegung einer mehrstufigen Prozesskette von Hohlprofilen aus Titan Grade 2 wurden in drei Unterpunkte, das Materialmodell, die Glühbehandlung sowie Reibwertermittlungen, aufgeteilt. Die Ergebnisse wurden in einem Simulationsmodell zusammengeführt, welches die Prozessentwicklung ermöglichte. Abschließend wurde die entwickelte Prozesskette am Realbauteil verifiziert und ein Abgleich von Simulationsergebnissen mit realen Bauteilen durchgeführt.

Innenhochdruckumformen, FEM, Titan

Unterschiedliche Rohteilabmessungen oder ein fortgeschrittener Gesenkverschleiß vergrößern die Gefahr herstellungsbedingter geometrischer Schwankungen von Schmiedeteilen. Dies kann zu Ausschuss führen. Meist werden diese Schwankungen durch eine erhöhte Einsatzmasse kompensiert und somit eine geringere Materialeffizienz in Kauf genommen. In einem Forschungsprojekt wurde untersucht, wie durch den Einsatz einer beweglichen Gratbahn im Schmiedewerkzeug der Stofffluss beeinflusst und somit die Qualität der Schmiedebauteile verbessert werden kann.

Schmieden, Werkzeugkonstruktion, Stofffluss, FEM, Gratbahn

Für das Präzisionsschmieden ist es nötig genaue Kenntnisse über Werkstoffe, mögliche Geometrien und Werkzeugkonzepten sowie Randbedingungen zu besitzen. Insbesondere wird auf eine genaue Temperatur-, Werkzeug- und Prozessführung eingegangen. Beispielbauteile sind Motoren- und Getriebekomponenten. Neben den konstruktiven Randbedingungen werden in diesem Handbuchkapitel auch aber Grundlagen der FEM, erreichbare Toleranzklassen und Fließeigenschaften gängiger Werkstoffe erläutert. Ziel des Kapitels ist es ein grundlegendes Verständnis für diese energiesparende Variante des Schmiedens zu vermitteln.

Präzisionsschmieden, gratlos, Grundlagen

Ein zentraler Leichtbauansatz besteht darin, Teile belastungsorientiert auszulegen. Das bedeutet, dass Bauteile und Baugruppen lokal unterschiedliche mechanische Eigenschaften aufweisen. Dafür werden als Halbzeuge Tailored Blanks oder Tailored Tubes verwendet, die typischerweise aus verschiedenen Blechdicken zusammengesetzt sind. Durch das Herstellungsverfahren der Innenhochdruckumformung können auch komplizierte Geometrien belastungsoptimiert und mit hoher Genauigkeit realisiert werden. Ein weiterer Leichtbauansatz ist die Kombination unterschiedlicher Werkstoffe, um lokal unterschiedliche Bauteileigenschaften zu bewirken. Von deutschen Automobilherstellern wird dabei oft der Einsatz von Mischverbindungen beispielsweise in Form von Blechteilen aus Stahl und Aluminium genannt. Maßgeschneiderte Rohre aus Stahl-Aluminium-Verbunden werden bisher jedoch nicht industriell hergestellt und angewendet, da ein qualitativ hochwertiger und zuverlässiger Fügeprozess für die Werkstoffpartner fehlt.

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

Beim Projekt REForCh geht es um die Materialeinsparung von wertvollen Materialien beim Umformvorgang von komplexen Bauteilen, wie z. B. Kurbelwellen. In dem EU-Projekt soll der Gratanteil einer Kurbelwelle reduziert werden. Konventionell hergestellt beträgt der Gratanteil 54 %, dieser soll auf mindestens 15 % reduziert werden. Dies soll primär erfolgen durch die Nutzung eines mehrdirektionalen Schmiedeschritts als Vorformoperation.

Gratreduziertes Schmieden, Mehrdirektional, Kurbelwelle

Die Materialkosten machen bis zu 50 % der gesamten Produktionskosten aus. Durch Verminderung des Gratanteils lassen sich der Materialverbrauch und somit die Produktionskosten in Schmiedeprozessen verringern. Für komplizierte Schmiedeteile ist die Entwicklung einer neuen Stadienfolge notwendig, um einen gratreduzierten Schmiedeprozess zu erzielen. Diese Entwicklung wurde für eine Zweizylinder-Kurbelwelle durchgeführt. Die neue gratreduzierte Stadienfolge besteht aus gratlosen Vorformoperationen, einem induktiven Erwärmen von vorgeformten Werkstücken und einem finalen gratreduziertem Schmieden. Mit der Reduzierung des Gratanteils von 54 % auf 10 % wurde der Gesamtenergieverbrauch reduziert und die Wettbewerbsfähigkeit der schmiedenden KMU gesteigert.

Gratreduziert, Prozesskette, Kurbelwelle, induktive Erwärmung

Heute bestehen die meisten technischen Bauteile und Komponenten aus monolithischen Werkstoffen. Dennoch erreichen die bisher verwendeten monolithischen Werkstoffe ihre technologischen und konstruktiven Grenzen, so dass eine Verbesserung der Bauteileigenschaften durch Hybridteile realisiert werden könnte. Schmieden der zuvor gefügten Halbzeuge zu präzisen Hybridteilen ist eine vielversprechende Methode, um funktionell angepasste Bauteile in wenigen Prozessschritten herzustellen. Diese neue Prozesskette bietet eine Reihe von Vorteilen im Vergleich zu anderen Herstellungstechnologien. Beispiele sind die Herstellung von spezifischen belastungsangepassten Schmiedeteilen mit einer hohen Materialausnutzung, die eine Verbesserung der Fügezone durch die nachfolgende Umformung erbringt und einfach zu implementierende Fügeverfahren aufgrund der simplen Geometrien der Halbzeuge. Dieser Artikel beschreibt die Herstellungsverfahren für Hybridstahlteile, die durch eine Kombination eines Auftragschweißprozesses mit anschließender Warmumformung (Stauchen) oder Querkeilwalzen hergestellt werden. Es konnte gezeigt werden, dass die innovative Prozesskette die Herstellung von Hybridbauteilen ermöglicht, wobei die Umformung zu einer Verbesserung der mechanischen Eigenschaften des laserauftraggeschweißten Materials führt.

Prozesskette, Auftragschweißen, Warmmassivumformen, Querkeilwalzen

Die nutzbare Windenergie steigt exponentiell mit der Höhe einer Windenergieanlage an. In gleicher Weise steigt allerdings auch die Masse der Anlage. Daher wurde in einem Forschungsprojekt ein systematischer Ansatz zur Auslegung von Leichtbau-Türmen für Onshore-Windenergieanlagen entwickelt. Unterschiedliche Strukturen aus Bionik, Luftfahrt und Automotivebereich wurden entwickelt und in FEM-Simulationen auf ihre Belastbarkeit getestet. Mit der gefundenen Leichtbau-Struktur ist es möglich Türme mit geringeren Blechstärken zu entwickeln, sodass eine Gewichtsersparnis von bis zu 20 % gegenüber konventioneller Bauweise möglich ist.

XXL-Produkte, großskalig, XXL, WEA, Windenergie, Leichtbau, Turmbau, FEM

In diesem Artikel wird die Erforschung der Grundlagen des neuen Fertigungsverfahrens Hybridschmieden beschrieben, das Blech- und Massiv-Elemente gleichzeitig umformt und fügt. Mittels dreier Modellversuche wird das stoff- und das formschlüssige Fügen durch Umformen des Massivelements untersucht. Während sich das nietähnliche, formschlüssige Fügen als günstig erwies konnte eine stoffschlüssige Verbindung nicht vollständig erreicht werden.

Hybrid, Schmieden, Blechumformung, Fügen, Stahl, Stoffschluss, Formschluss

Das Festigkeits-/ Dichteverhältnis von Aluminium kann durch die Integration von Keramikpartikeln in die Metallmatrix, sogenannte Aluminium-Metal Matrix Composites (MMC), weiter gesteigert werden. Der Aufwand für die spanende Bearbeitung von MMC-Werkstoffen ist auf Grund ihrer hohen Härte sehr groß und nicht wirtschaftlich. Das gratlose Präzisionsschmieden von Aluminium-MMC verspricht die Herstellung von endkonturnahen Bauteilen, welche über eine stahläquivalente Festigkeit verfügen und nachbearbeitungsarm hergestellt werden können. Die Möglichkeiten, die Vorteile von Aluminium-MMC mit denen des Fertigungsverfahrens "gratloses Präzisionsschmieden" zu verbinden, wurden in einem Forschungsprojekt am IPH - Institut für Integrierte Produktion Hannover gGmbH untersucht.

Aluminium-MMC, Gratloses Schmieden, FEM

In einem Forschungsprojekt vom Institut für Integrierte Produktion Hannover (IPH) und dem Lehrstuhl für Umformtechnik Siegen wurden die Grundlagen für die Innenhochdruckumformung von Titanbauteilen erforscht. Das Ziel des Forschungsvorhabens bestand darin, eine mehrstufige Prozesskette für IHU-Bauteile aus Titan zu entwickeln. Dafür sollten zunächst die verfahrensspezifischen Werkstoffeigenschaften sowie das tribologische System untersucht werden. Die Ergebnisse wurden in einem Simulationsmodell zusammengeführt welches die Prozessentwicklung ermöglichte. Abschließend wurde die entwickelte Prozesskette am Realbauteil verifiziert und ein Abgleich von Simulationsergebnissen mit realen Bauteilen durchgeführt.

Innenhochdruckumformen, FEM, Titan

Aufgrund hoher mechanischer Belastungen bei der Halbwarmmassivumformung ist die Werkzeugoberfläche hohem Verschleiß ausgesetzt. In diesem Artikel wird die Eignung einer mit 40 % Chrom dotierten amorphen wasserstoffhaltigen Kohlenstoffschicht als Verschleißschutzschicht für die Massivumformung beschrieben. Dazu wurden Werkstücke bei Temperaturen zwischen 650 und 1200 °C auf beschichteten Gesenkeinsätzen abgeschmiedet. Anschließend wurden die Schichten analysiert und ihre Verschleißeigenschaften bewertet.

Beschichtungen, Schmieden, Umformtechnik

Eine frühzeitige Erkennung von Fehlern im Schmiedeprozess bietet wirtschaftliche Vorteile. So können beispielsweise fehlerhaft geschmiedete Werkstücke sofort aus der weiteren Prozesskette ausgeschleust werden und verursachen keine Kosten zum Beispiel in einer anschließenden Wärmebehandlung. Die Entwicklung einer neuartigen Prozessüberwachung mittels elektrischen Stroms ermöglicht die Identifikation von Schmiedefehlern und mangelnder Formfüllung.

Schmieden, Prozessüberwachung

In der Halbwarmmassivumformung steigen die mechanischen Belastungen im Gesenk, wodurch erhöhter mechanischer Verschleiß hervorgerufen wird. Durch harte Diamond-like Carbon (DLC)-Verschleißschutzschichten kann dieser Nachteil aufgefangen werden. Eine Dotierung ermöglicht eine ausreichende Temperaturbeständigkeit dieser Schichtart. Insbesondere in Bereichen mit hoher Relativbewegung besitzen die untersuchten Schichten Vorteile gegenüber unbeschichteten Gesenken.

diamond-like carbon (DLC), Halbwarmmassivumformung, Verschleiß

Schmiedeteile haben geometrische Schwankungen, bedingt beispielsweise durch den Gesenkverschleiß. Die Untersuchung von Kompensationsmöglichkeiten durch eine per FEM-Simulation gesteuerte Gratbahn wies nach, wie weit der Stofffluss sich im Moment der Umformung variieren lässt. Dies eröffnet Potential, das Schmiedeergebnis weiter zu verbessern.

Schmieden, Werkzeugkonstruktion, Stofffluss, FEM, Gratbahn

Zur Umformung von dünnwandigen Hohlbauteilen aus Rohren wird oftmals das Verfahren des Innenhochdruckumformens angewendet. Um auch dickwandige Hohlbauteile aus Aluminium umformen zu können wurde ein Verfahren entwickelt, welches die Umformung solcher Bauteile im erwärmten Zustand mit Hilfe eines Wirkmediums auf einer hydraulischen Presse ermöglicht. Zur Untersuchung wurde für ein Beispiel-Bauteil solch ein Umformprozess ausgelegt. Dieser Prozess wurde mit Hilfe der FEM analysiert und in Laborversuchen verifiziert.

Innenhochdruckumformen, Schmieden, Rohre, Aluminium, FEM