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
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.
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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.
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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
