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.
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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.
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Vergangene Forschungsarbeiten behandelten die grundlegende Schmiedbarkeit von Aluminium Metall-Matrix-Composites (MMC), die unter Laborbedingungen hergestellt wurden. Diese Forschungsprojekte konzentrierten sich auf die Metallurgie und auf die Umformbarkeit durch Analyse der Fließkurven. Im Gegensatz zu den Laborbedingungen, erfordert der industrielle Einsatz große Chargen von Halbzeugen und die Umformung findet unter realen Bedingungen statt. Diese Bedingungen sind bisher noch nicht wissenschaftlich untersucht worden. Dieser Artikel beschreibt die Kombination der mechanischen Vorteile des Aluminium-MMC mit den Vorteilen eines gratlosen Schmiedens. Die Vorteile bestehen in einer höheren Festigkeit des Bauteils im Vergleich zu herkömmlichen Schmiedeteilen mit dem gleichen Gewicht. Neu ermittelte Fließkurven zeigen die Umformbarkeit und wurden verwendet, um die Schmiedeparameter zu bewerten. Die ersten Schmiedeversuche wurden mittels eines herkömmlichen Schmiedeverfahrens bei einer hohen Umformgeschwindigkeit durchgeführt. Dieses führte zu Rissen in den Schmiedeteilen. Das Schmieden von Aluminium-MMCs erfordert eine reduzierte Umformgeschwindigkeit von 20 mm/s. Daher wird die Verwendung von hydraulischen Pressen empfohlen. Die FE-Analyse des neu entwickelten gratlosen Schmiedeprozesses wird beschrieben und die grundlegenden Umformoperationen (Breiten, Längen und Steigen) des Werkstoffs im Gesenk werden veranschaulicht. Alles in allem wird eine neue Strategie zum gratlosen Schmieden von Aluminium-MMCs aufgezeigt.
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In der Fahrzeugindustrie werden Bauteile aus Aluminium immer häufiger verwendet. Beim Schmieden von Langteilen aus Aluminium können Fehler wie Falten auftreten. Besonders innere Falten stehen im Fokus des Interesses, die nur im Faserverlauf der Bauteile entdeckt werden können. Diese Falten haben einen negativen Einfluss auf die dynamischen Eigenschaften der Schmiedeteile. Beim Schmieden kann die Umformung entweder in einer oder mehreren (mehrdirektional) Richtungen erfolgen. The Rahmenbedingungen zum mehrdirektionalen Schmieden werden in diesem Artikel beschrieben. Für eine bestehende Geometrie ist eine faltenfreie Umformung mit einem mehrdirektional wirkenden Werkzeug möglich, während beim eindirektionalen Schmieden innere Falten entstanden. Eine neuartige Methode, die auf Simulationen mit der Finiten-Elemente-Analyse (FEA) basiert, ermöglicht die Entwicklung derartiger mehrdirektionaler Schmiedeprozesse und der Bestimmung geeigneter Werkzeuggeometrien. Dabei wird über einen Algorithmus geprüft, ob innere Falten entstehen und im Falle automatisiert eine Korrektur der Werkzeuggeometrie vorgenommen. Für einen bestehenden Prozess und eine vorhandene Werkzeuggeometrie wird der Bereich, in dem die Falten entstehen angepasst, bis in den Simulationen keine Falten mehr ermittelt werden. Es wird beschrieben, dass durch die Verwendung dieses Modells eine Überprüfung und Korrektur der Schmiedewerkzeuge und des Umformprozesses möglich ist.
Mehrdirektionales Schmieden, Aluminiumschmieden, innere Falten, Finite-Elemente-Analyse, Algorithmus
Die Auslegung einer Stadienfolge für einen Schmiedeprozess ist vom Erfahrungswissen des Konstrukteurs abhängig. Ziel der Vorformoptimierung ist die Auslegung einer Stadienfolge retrograd von der Fertig- zur Vorform unter Voraussetzung einer vollständigen und faltenfreien Ausformung der Formen. Im dem Beitrag wird ein Ansatz vorgestellt, der eine solche Auslegung der Vorform unter Kopplung von Umformsimulationen auf Basis der Finiten Elemente mit einem Evolutionären Optimierungsalgorithmus erreicht.
Schmieden, Genetische Algorithmen, Vorformoptimierung
Mit immer größer werdenden Nabenhöhen steigt die Möglichkeit mehr Windertrag aus der Windkraft zu erlangen. Im Rahmen eines Forschungsprojekts wurden am Institut für Integrierte Produktion Hannover gGmbH konstruktive Leichtbaukonzepte für den Bau der Türme von Windenergieanlagen erforscht und entwickelt. Ziel des Forschungsprojektes war, den Leichtbau der Türme zu ermöglichen, um diese somit höher bauen zu können.
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Die Windenergieanlagen der nächsten Generation sollen immer höher in den Himmel ragen. In höheren Luftschichten sind die durch Bodenrauigkeit hervorgerufenen Turbulenzen wesentlich verringert. Mit der Höhe steigt die Windstärke und der Wind weht gleichmäßiger. Daher steigt die nutzbare Energie exponentiell mit der Turmhöhe an, ein besserer Energieertrag ist gesichert. Doch die Türme der Windenergieanlagen unterliegen dem Effekt, ab einer kritischen Eigenmasse der Anlage mit Gondel und Rotor einzuknicken. Die Turmmasse steigt mit dem Quadrat der Höhe, daher müssten die Türme überproportional zur Höhe verstärkt werden.
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