Mareile Kriwall

Abschluss:
Dipl.-Ing.
Funktion:
Abteilungsleiterin Prozesstechnik
Telefon:
+49 (0)511 279 76-330
E-Mail:
kriwall@iph-hannover.de
vCard:
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Veröffentlichungen

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

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

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

Das hybride Verbundschmieden von Aluminiummassivteil und Stahlblechen ist eine Kombination aus Materialleichtbau und strukturellem Leichtbau. Bei diesem Verfahren werden ein Aluminiummassivteil und ein Stahlblech kombiniert und gleichzeitig umgeformt. Durch das Umformen wird unter Verwendung von Zink als Lotmaterial eine stoffschlüssige Verbindung erzeugt. Dadurch wird die Bildung spröder intermetallischer Fe-Al-Phasen sowie Kontaktkorrosion verhindert. Die Zinkschicht wird durch Schmelztauchen auf das Aluminiummassivteil aufgebracht. Um durch Umformen eine stoffschlüssige Verbindung herzustellen, werden in ersten experimentellen Versuchen geeignete Parameter wie z.B. die Umformtemperatur ermittelt. Schliffbilder zeigten, dass die Zinkschicht nach der Umformung noch intakt ist. In dieser Veröffentlichung wird die Untersuchung der Auswirkungen verschiedener Umformschritte und unterschiedlicher Geometrien der Aluminiummassivteiloberfläche auf die Verbindungsfestigkeit beschrieben. Die Umformversuche zeigen, dass eine weitere Umformung des Aluminiummassivteils, die zu einer größeren Verformung führt, zu einer stärkeren Verbindung zwischen beiden Fügepartnern führt. Es gibt jedoch eine Grenze für die Umformung, da sich die aufgebrachten Kräfte auf das Stahlblech übertragen können, was zu einer unbeabsichtigten Verformung führen kann. Die erzeugten Hybridteile werden auf ihre Fähigkeit zur weiteren Umformung geprüft. Daher werden die gefügten Hybridteile einem Tiefziehprozess unterzogen, um festzustellen, ob die Verbindung einer weiteren Verformung des Hybridteils standhält.

Aluminium, Hybridschmieden, Leichtbau, Hybrid

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

Zur CO2-Reduktion ist die Kenntnis über die Emissionen betrieblicher Prozesse notwendig. Das Institut für Integrierte Produktion Hannover (IPH) gGmbH hat dazu einen Softwaredemonstrator entwickelt, der ökologisch-logistische Wirkzusammenhänge aufzeigt. Es können innerbetriebliche und logistische Prozesse hinsichtlich CO2-Emissionen, Kosten und Prozessdauer untersucht werden. Vergleiche verschiedener Alternativen verdeutlichen Unterschiede und zeigen Einsparpotenziale von CO2 auf.

Ökologie, Logistik, CO2

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

Die CO2-Emission der Logistikbranche und die resultierende Umweltbelastung sind als fortlaufend ansteigend zu konstatieren. Steigende Kosten für Energie und Ressourcen, erhöhte Sensibilität der Kunden, veränderte Gesetzesgrundlagen und der bevorstehende Klimawandel zwingen produzierende Unternehmen zu ökologieorientiertem Umdenken. Die fehlende Kenntnis über Wirkzusammenhänge, quantitative Auswirkungen von Maßnahmen und der Parameterausprägung hindern insbesondere KMU an der Umsetzung. Ein ganzheitliches ökologisch-logistisches Wirkmodell mit softwaretechnischer Umsetzung kann KMU dabei helfen, ihr Potenzial auszuschöpfen. Anforderungen an das Modell und grundlegende Beziehungen von logistischen Parametern zu ökologischen Zielgrößen werden in dieser Veröffentlichung vorgestellt.

KMU, Logistik, Ökologie

Im automobilen Leichtbau werden hybride Strukturen sowohl aus unterschiedlichen Materialien, als auch aus Massiv- und Blechelementen eingesetzt. Durch hybrides Verbundschmieden können ein Stahlblech und ein Aluminiummassivteil schon im Umformprozess stoffschlüssig verbunden werden. Das Institut für Integrierte Produktion Hannover (IPH) gGmbH erforscht gemeinsam mit dem Institut für Schweißtechnik und Trennende Fertigungsverfahren (ISAF) der TU Clausthal, wie massive Aluminiumbolzen und Stahlbleche stoffschlüssig gefügt werden können. In Diesem Artikel werden die entscheidenden Umformparameter erläutert. Des Weiteren wird die Werkzeugkonstruktion für die Fügeversuche vorgestellt.

Leichtbau, Aluminium, Verbundschmieden

Der automobile Leichtbau setzt zunehmend auf hybride Strukturen aus Stahl und Aluminium. Die Verbindung dieser Werkstoffe erfolgt derzeit vorwiegend durch Formschluss, beispielsweise durch Nieten. Auch Schweißen und Kleben werden zum Fügen der beiden Werkstoffe eingesetzt. Das hybride Verbundschmieden erlaubt ein Fügen der unterschiedlichen Bauteilelemente während der Umformung. Dies verkürzt die Prozesskette. Mithilfe von Zink als Lotwerkstoff werden die Bauteile stoffschlüßig verbunden. In dieser Veröffentlichung die Ergebnisse der simulative Parameterstudie erläutert. Es wird gezeigt, wie Temperatur, Geometrie und Geschwindigkeit das Fügeergebnis beeinflussen. Weiterhin werden erste Ergebnisse von praktischen Fügeversuchen vorgestellt.

Leichtbau, Aluminium, Simulative Parameterstudie

Im Leichtbau werden neben hochfesten Stählen auch Leichtmetalle wie Aluminium eingesetzt. Eine Schweißverbindung aus Aluminium und Stahl führt jedoch zur Ausscheidung von spröden, intermetallischen Phasen und Kontaktkorrosion. Um die Vorteile dieser Kombination im Hinblick auf die Gewichtseinsparung zu nutzen, wurde das Hybride Verbundschmieden entwickelt. Dabei wurden ein Aluminium-Massivteil und ein Stahlblech in einem Arbeitsgang geformt und gleichzeitig mit Zink als Lotmaterial verbunden. Zu diesem Zweck wurde das Zink durch Schmelztauchverfahren auf das Aluminium aufgetragen, um über diese Schicht in einem Umformprozess unter Druck und Wärme eine Verbindung herzustellen. Durch die gebildete Zwischenschicht aus Zink ist die Bildung der intermetallischen Fe-Al-Phasen und die Kontaktkorrosion ausgeschlossen. Durch die Bestimmung der mathematischen Zusammenhänge zwischen den Fügeparametern und den Verbindungseigenschaften konnte die Festigkeit einer bestimmten Fügegeometrie auf das Niveau konventioneller Fügetechniken eingestellt werden. Neben der Darstellung der Verbindungseigenschaften wird auch der Einfluss des Fügeprozesses auf die Struktur der beteiligten Materialien dargestellt. Darüber hinaus wird das Versagensverhalten bei statischer Zugspannung und Scherbeanspruchung aufgezeigt.

Leichtbau, Aluminium, Verbindungseigenschaften

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