In dem Forschungsprojekt „AutoPress“ streben das IPH – Institut für Integrierte Produktion Hannover gGmbH und die Jobotec GmbH gemeinsam die Entwicklung einer automatisierten Prozesssteuerung von Spindelpressen an. Durch den Retrofit und die Anwendung eines Optimierungsalgorithmus sollen der Energiebedarf gesenkt und die Bauteilqualität gesteigert werden.
Digitalisierung, Umformtechnik, Produktionstechnik
Der Sonderforschungsbereich 1153 erforscht eine neuartige Prozesskette zur Herstellung von Hochleistungs-Hybridbauteilen. Die Kombination von Aluminium und Stahl kann das Gewicht von Bauteilen reduzieren und zu einem geringeren Kraftstoffverbrauch führen. Beim Schweißen von Aluminium und Stahl bildet sich eine spröde intermetallische Phase, die die Lebensdauer des Bauteils verringert. Nach dem Schweißen wird das Werkstück inhomogen erwärmt und in einem Querkeilwalzverfahren warm umgeformt. Da die intermetallische Phase während der Warmumformung temperaturabhängig wächst, ist die Temperaturführung von großer Bedeutung. In dieser Arbeit wird die Möglichkeit der prozessintegrierten Kontakttemperaturmessung mit Dünnschichtsensoren untersucht. Dazu wird die Anfangstemperaturverteilung nach der induktiven Erwärmung des Werkstücks bestimmt. Anschließend wird ein Querkeilwalzen durchgeführt und die Daten der Dünnschichtsensoren mit den Temperaturmessungen nach der Erwärmung verglichen. Es zeigt sich, dass in das Werkzeug eingebrachte Dünnschichtsensoren in der Lage sind, Oberflächentemperaturen bereits bei einer Kontaktzeit von 0,041 s zu messen. Die neue Prozessüberwachung der Temperatur ermöglicht es, ein besseres Prozessverständnis zu entwickeln sowie die Temperaturverteilung weiter zu optimieren. Langfristig lassen sich aus der Kenntnis der Temperaturen in den verschiedenen Werkstoffen auch Qualitätsmerkmale sowie Erkenntnisse über die Ursachen möglicher Prozessfehler (z.B. Bruch der Fügezone) ableiten.
Querkeilwalzen, Dünnschichtsensoren, Hybridbauteile, Aluminium, Temperaturüberwachung
Der Sonderforschungsbereich 1153 erforscht eine innovative Prozesskette zur Herstellung von Hybridbauteilen. Die hybriden Werkstücke werden zunächst gefügt und anschließend durch Querkeilwalzen umgeformt. Um das Verhalten der Fügezone bei erhöhter Komplexität des Umformprozesses zu untersuchen, wurden Ritzelwellen hergestellt. Zu diesem Zweck wurden sechs Arten von Werkstücken, die mit drei Arten von Fügeverfahren hergestellt wurden, zu Ritzelwellen umgeformt. Das Referenzverfahren liefert eine Welle mit einem glatten Lagersitz. Es wurde festgestellt, dass die erhöhte Komplexität im Vergleich zu den Referenzprozessen keine Herausforderungen darstellte. Bei den Ritzeln aus Stahl wurde eine nahezu endkonturnahe Geometrie erreicht.
Hybridbauteile, Querkeilwalzen, Warmumformung, Laserstrahlschweißen, LHWD-Schweißen
Arbeitsbedingte Erkrankungen und die daraus resultierenden Fehlzeiten der Mitarbeiter können vor allem in kleinen und mittleren Unternehmen erhebliche Auswirkungen auf die Produktivität und Wettbewerbsfähigkeit haben. Gerade in der Schmiedeindustrie führt die manuelle Handhabung von Schmiedeteilen zu hohen körperlichen Belastungen und damit zu häufigen Erkrankungen des Muskel-Skelett-Systems, insbesondere des Hand-Arm-Systems. Eine Möglichkeit, diesem Umstand entgegenzuwirken, ist der Einsatz von ergonomischen Schmiedezangen. In der hier vorgestellten Studie wurde der Einfluss von ergonomischen Schmiedezangen auf die körperliche Belastung von Schmiedebeschäftigten mittels Simulation und Experiment untersucht und mit herkömmlichen Schmiedezangen verglichen. Im Rahmen der Simulation und der experimentellen Untersuchung wurden Schmiedeteile und Schmiedezangen variiert. In der Simulation konnte eine ergonomische Beurteilung der Schmiedesituation mit Hilfe des Ergonomic Assessment Worksheet bewertet werden. In der experimentellen Untersuchung wurde anhand von Greifkraft- und Kalorienmessungen ermittelt, wie sich die Handhabung der Schmiedezange auf die Schmiedearbeiter auswirkt. Die Ergebnisse zeigen, dass der Einsatz der neuen ergonomisch optimierten Schmiedezange zu einer deutlichen körperlichen Entlastung der Schmiedemitarbeiter führen kann. Die Erkenntnisse aus den ergonomisch entwickelten Konzepten sind auch auf andere Branchen übertragbar.
Umformtechnik, Ergonomie
Schmiedeteile werden in mehreren Prozessschritten, der sogenannten Schmiedefolge, hergestellt. Die Gestaltung von effizienten Schmiedefolgen ist ein sehr komplexer und iterativer Entwicklungsprozess. Um diesen Prozess zu automatisieren und die Entwicklungszeit zu reduzieren, wird hier eine Methode vorgestellt, die auf Basis der Bauteilgeometrie (STL-Datei) automatisch mehrstufige Schmiedefolgen für unterschiedliche Schmiedegeometrien erzeugt. Das Verfahren wurde für das Gesenkschmieden entwickelt. Es werden die einzelnen Module dieser Schmiedefolgeauslegungsmethode (FSD-Methode) sowie die Funktionsweise des Algorithmus zur Generierung der Zwischenformen vorgestellt. Die Methode wird auf verschiedene Schmiedestücke mit unterschiedlichen geometrischen Merkmalen angewendet. Die generierten Schmiedefolgen werden mit FE-Simulationen auf die Qualitätskriterien Formfüllung und Faltenfreiheit überprüft. Die Simulationsergebnisse zeigen, dass die entwickelte FSD-Methode in kurzer Zeit gute Näherungslösungen für einen ersten Entwurf von Schmiedefolgen für das Gesenkschmieden liefert.
Schmieden, Schmiedeabläufe, CAD, automatisierte Prozessgestaltung, Gesenkschmieden
Schmiedeteile werden in mehreren Prozessschritten, der sogenannten Stadienfolge, hergestellt. Die Gestaltung von effizienten Stadienfolgen ist ein sehr komplexer und iterativer Entwicklungsprozess. Um diesen Prozess zu automatisieren und die Entwicklungszeit zu reduzieren, wird hier eine Methode vorgestellt, die auf Basis der Bauteilgeometrie (STL-Datei) automatisch mehrstufige Stadienfolgen für unterschiedliche Schmiedegeometrien erzeugt. Das Verfahren wurde für das Gesenkschmieden entwickelt. Es werden die einzelnen Module dieser Stadienfolgeauslegungsmethode (FSD-Methode) sowie die Funktionsweise des Algorithmus zur Generierung der Zwischenformen vorgestellt. Die Methode wird auf verschiedene Schmiedeteile mit unterschiedlichen geometrischen Merkmalen angewendet. Die generierten Stadienfolgen werden mit FE-Simulationen auf die Qualitätskriterien Formfüllung und Faltenfreiheit überprüft. Die Simulationsergebnisse zeigen, dass die entwickelte FSD-Methode in kurzer Zeit gute Näherungslösungen für einen ersten Entwurf von Stadienfolgen für das Gesenkschmieden liefert.
Stadienfolge, Stadienplanung, Automatisierung
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
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, unter anderem die Länge und Breite der Gravur und ein Prozessfenster wurden identifiziert.
Umformtechnik, Fertigungstechnik, FEM
Um die Herstellung komplexer Geometrien möglichst effizient zu gestalten, werden in der Regel mehrere Umformstufen genutzt. Bei diesen wird das Rohteil zunächst homogen erwärmt und anschließend über mehrere Vor- und Zwischenstufen sowie der Fertigformung geschmiedet. Vorangegangene Untersuchungen haben gezeigt, dass durch den Einsatz einer inhomogenen, anstelle einer homogenen, Rohteilerwärmung eine deutliche Materialersparnis erzielt werden kann. Ein limitierender Faktor bei der praktischen Durchführung einer inhomogenen Erwärmung ist der Temperaturgradient zwischen den warmen und halbwarmen Bereichen des Rohteils.
Die vorliegende Studie untersucht daher den Einfluss der Länge des Temperaturgradienten auf die notwendige Rohteilgröße zur Erreichung einer Formfüllung bei gegebener Fertigteilgeometrie. Dafür wurde eine simulative Parameterstudie mit drei unterschiedlich langen Temperaturübergängen sowie zwei unterschiedlichen Fertigteilgrößen durchgeführt.
Es wurde gezeigt, dass je nach Fertigteilgröße und Länge des Temperaturgradienten zwischen 3,31 % und 17,49 % Material im Vergleich zu einem homogen erwärmten Rohteil eingespart werden können. Die Länge des Temperaturgradienten hat damit einen deutlichen Einfluss auf das Einsparpotential des Materials.
Massivumformung, Inhomogene Erwärmung, Ressourceneffizienz, 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
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
Tailored Forming dient der Herstellung von Hybridbauteilen, bei denen die verwendeten Werkstoffe lokal an die unterschiedlichen physikalischen, chemischen und tribologischen Anforderungen angepasst werden. In dieser Arbeit wird eine Tailored-Forming-Prozesskette für die Herstellung einer Hybridwelle mit Lagersitz untersucht. Die Prozesskette besteht aus den Fertigungsschritten Laserwarmdraht-Auftragschweißen, Querkantenwalzen, Drehen und Festwalzen. Als Grundwerkstoff wird ein zylindrischer Stab aus Baustahl C22.8 verwendet und im Bereich des Lagersitzes eine Plattierung aus dem martensitischen Ventilstahl X45CrSi9-3 aufgebracht, um die erforderliche Festigkeit und Härte zu erreichen. Es wird untersucht, wie sich die Oberflächen- und Untergrundeigenschaften des Hybridbauteils, wie Härte, Gefüge und Eigenspannungszustand, innerhalb der Prozesskette verändern. Die Ergebnisse werden mit einer früheren Studie verglichen, in der der austenitische rostfreie Stahl X2CrNiMo19-12 als Plattierungswerkstoff untersucht wurde. Es zeigt sich, dass der Eigenspannungszustand nach der Warmumformung von den Wärmeausdehnungskoeffizienten des Plattierungswerkstoffs abhängt.
Tailored Forming, Eigenspannung, Laserheißdrahtplattieren, Festwalzen, Hybridbauteile
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
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
Durch das Gesenkschmieden lassen sich Bauteile mit hervorragenden mechanischen Eigenschaften herstellen. Allerdings bietet das konventionelle Gesenkschmieden nicht die Möglichkeit, Hinterschnitte in ein Werkstück einzubringen und komplexe Geometrien mit einem Schmiedehub zu erstellen.
Schmieden, Gesenkschmieden, Hinterschnitte, Schieberwerkzeuge
