Prof. Dr.-Ing. Bernd-Arno Behrens

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Veröffentlichungen

Der Sonderforschungsbereich 1153 (SFB1153) "Prozesskette zur Herstellung hybrider Hochleistungsbauteile durch maßgeschneidertes Umformen" hat zum Ziel, neue Prozessketten für die Herstellung hybrider Massenbauteile aus gefügten Halbzeugen zu entwickeln. Das Teilprojekt B1 untersucht die Umformbarkeit von Hybridbauteilen mittels Querkeilwalzen. Diese Studie untersucht die Reduzierung der Schichtdicke von koaxial angeordneten Hybridhalbzeugen während eines Querkeilwalzprozesses. Die untersuchten Teile werden aus zwei Stählen (1.0460 und 1.4718) mittels Laserauftragschweißen hergestellt. Der Walzprozess wird mittels Finite Elemente (FE)-Simulationen ausgelegt und später experimentell untersucht. Forschungsschwerpunkte sind Untersuchungen zum Unterschied in der Schichtdicke des laserauftraggeschweißten 1.4718 vor und nach dem Querkeilwalzen in Abhängigkeit vom Keilwinkel, der Querschnittsflächenreduzierung und der Umformgeschwindigkeit. Außerdem werden die Simulationen und die experimentellen Versuche verglichen, um die Möglichkeit der Vorhersage der Dicke mittels Finite-Elemente-Analyse (FEA) zu überprüfen. Hauptergebnis war die Möglichkeit, das Umformverhalten von koaxial angeordneten Hybridbauteilen bei einer Querschnittsflächenreduzierung von 20% mittels FEA zu beschreiben. Bei einer Querschnittsreduzierung von 70% zeigten die Ergebnisse eine größere Abweichung zwischen Simulation und experimentellen Versuchen. Die Abweichungen lagen zwischen 0,8% und 26,2%.

Querkeilwalzen, Hybridschmieden, FEM, Schichtdicke

Im Rahmen des Sonderforschungsbereiches 1153 "Tailored Forming" der Deutschen Forschungsgemeinschaft werden im Teilprojekt B1 am IPH Untersuchungen zum Querkeilwalzen an hybriden Halbzeugen durchgeführt. Diese Veröffentlichung diskutiert die Ergebnisse der Untersuchungen hinsichtlich der Fügezone hybrider Halbzeuge und deren umformtechnisches Verhalten während des Querkeilwalzens. Die Form, Lage und Verschiebung der Fügezone hybrider Halbzeuge aus Aluminium und Stahl wird hierbei abhängig von verschiedenen Walzparametern wie Temperatur, Geschwindigkeit und Werkzeuggeometrie betrachtet. Die Untersuchungen wurden sowohl simulativ als auch experimentell durchgeführt. 

Tailored Forming, Querkeilwalzen, Umformtechnik, Aluminium, Stahl

Im Rahmen des Sonderforschungsbereiches 1153 "Tailored Forming" der Deutschen Forschungsgemeinschaft werden im Teilprojekt B1 am IPH Untersuchungen zum Querkeilwalzen an hybriden Halbzeugen durchgeführt. Diese Veröffentlichung diskutiert die Möglichkeiten der Umformung von Hartwerkstoffen wie 100Cr6, Stellite und Delcrome im Rahmen des Tailored Formings. Hierfür wurden von Teilprojekt A4 hybride Halbzeuge aus C22.8 und den verschiedenen Hartwerkstoffen mittels Auftragschweißen hergestellt und anschließend vom Teilprojekt B1 mittels Querkeilwalzen umgeformt. Es zeigt sich, dass die Umformung hybrider Hartwerkstoffhalbzeuge mittels Querkeilwalzen möglich ist und gute Ergebnisse liefert.

Tailored Forming, Querkeilwalzen, Hartwerkstoffe, PPA

Bis heute ist die Auslegung von Vorformen für Gesenkschmiedeprozesse ein zeitaufwändiger und manueller Trial-and-Error Prozess. Die Qualität der Vorform ist dabei maßgeblich abhängig vom konstruierenden Ingenieur. Gleichzeitig besitzt die Vorform einen großen Einfluss auf das spätere Schmiedeergebnis. Um unabhängig von der Erfahrung des Ingenieurs und zeitaufwändigen Optimierungsprozessen zu werden, präsentiert und untersucht dieser Artikel einen Algorithmus zur Vorformoptimierung von querkeilgewalzten Vorformen. Der Algorithmus berücksichtigt dafür die Massenverteilung des fertigen Bauteils, das Vorformvolumen, die Komplexität der Vorformkontur, die Auftrittswahrscheinlichkeit von Falten im fertigen Bauteil und den notwendigen Gratzuschlag. So bildet sich ein multikriterielles Optimierungsproblem, das zu einem großen Suchraum führt. Daher wird ein evolutionärer Algorithmus zur Optimierung verwendet. Der entwickelte Algorithmus wird anhand eines Pleuels getestet, um den Einfluss der Algorithmusparameter zu bestimmen. Es zeigt sich, dass der Algorithmus in der Lage ist, innerhalb einer Minute eine geeignete Vorform hinsichtlich der gegebenen Kriterien, auszulegen. Darüber hinaus zeigen zwei der fünf Algorithmusparameter, der Selektionsdruck und die Populationsgröße, einen signifikanten Einfluss auf die Laufzeit und Qualität der Optimierung.

Vorformoptimierung, Genetischer Algorithmus, Querkeilwalzen, Adaptiver Grat

Massivumgeformte Bauteile werden in vielen Anwendungen im Automobil- und Anlagenbau verwendet. Die Bedingungen unter denen die Bauteile hergestellt werden, häufig bei mehr als 800 °C und tausenden Tonnen Umformkraft, führen jedoch zu einem hohen Gesenkverschleiß. Eine Möglichkeit zur Verminderung des Verschleißes besteht im Einsatz von geeigneten Schutzschichten. Erste Grundlagenuntersuchungen haben die Möglichkeit aufgezeigt, mit dem Einsatz von harten Diamond-like Carbon (DLC)-Verschleißschutzschichten die tribologischen Effekte auf der Gesenkoberfläche deutlich zu reduzieren. Mit neuen Methoden wie beispielsweise dem Einsatz von Multilagenschichten und einer Temperaturmessung mittels Dünnschichtsensoren soll das Potenzial des Verschleißschutzes für die Halbwarmmassivumformung untersucht und ausgebaut werden.

DLC , Halbwarmmassivumformung, Verschleiß

In einem Aluminium (Al)-Schmelzofen sind der Füllstand des Schmelzbades und die Oxidschichtmenge mit Kontaktsensoren nicht überwachbar, da das Schmelzbad aufgrund der hohen Haltebereich-Temperaturen von über 600°C nicht zugänglich ist. Deshalb wird ein Online-Überwachungssystem des Aluminium-Schmelzbades mithilfe optischer Sensoren erforscht. Dafür wird das Schmelzbad mit geeigneten optischen Messsystemen identifiziert. Schließlich werden durch Bildanalyse-Algorithmen die Höhenänderung der Schmelze herausgearbeitet. Zudem werden Oxidschichten im Ofen auf der Badoberfläche mithilfe der Algorithmen detektiert.

Aluminium-Schmelzofen, Schmelzbadüberwachung, Oxidschicht

Zur Erhöhung der Wirtschaftlichkeit bei der Herstellung komplexer Schmiedeteile sind die Materialeffizienz und die Entwicklungszeit einer Stadienfolge entscheidende Kriterien. Gerade KMU können Stadienfolgen aufgrund zu geringer Kapazitäten und des hohen Wettbewerbsdrucks häufig nur verkürzt auslegen. Daher soll eine allgemeingültige Methode entwickelt werden, die basierend auf der Massenverteilung eines beliebigen Schmiedeteils automatisiert mehrstufige, effiziente Stadienfolgen generiert.

Automatisierte Prozessauslegung, Gesenkschmieden, Ressourceneffizienz

Die Fügestelle ist der schadensanfälligste Bereich an einem hybriden Halbzeug in der Innenhochdruckumformung. In realen Prozessen würde daher eine Umformung an der Fügestelle verhindert werden, um einer Schädigung vorzubeugen. Eine bessere Kenntnis des Umformverhaltens trägt dazu bei, den Aufwand bei der Auslegung zu reduzieren. Zu diesem Zweck sollen in dieser Studie die Umformeignung der Werkstoffpartner simulativ und die Umformeigenschaften der Fügestelle des hybriden Stahl-Aluminium-Halbzeugs experimentell untersucht werden.

IHU, THT, Tailored Forming, Stahl-Aluminium, FEM

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

Ständig steigende Qualitätsanforderungen und immer strengere Auflagen stellen die Gießerei vor große Herausforderungen: Sie müssen die vom Markt geforderten hochwertigen Komponenten zu vertretbaren Kosten herstellen. Moderne Technologien und innovative Methoden helfen, diese Herausforderung zu meistern. Bis vor Kurzem stützte sich die Produktion, vom Entwurf des Aluminiumschmelzofens bis zum täglichen Prozess, weitgehend auf traditionelle Methoden und Erfahrungen. Wichtige Daten und Informationen über den Schmelzprozess – zum Beispiel die Temperaturen und die Form des Aluminiumblocks im Ofen – können jedoch mit herkömmlichen experimentellen Methoden kaum erreicht werden, da die Temperaturen 700 ° C überschreiten. Das Forschungsprojekt untersucht daher erstmals die Methode zur Überwachung eines Schmelzprozesses mittels optischer Sensoren. Der Zweck dieser Arbeit ist es, die Oberflächenform des Blocks während des Schmelzprozesses vorherzusagen, da es aufgrund des Wärme- und Energieverlustes während der Messung nicht möglich ist, eine konstante Überwachung aufrechtzuerhalten. Um die notwendigen Daten zu generieren, wird eine 3D-Lichtfeldkamera auf einem Aluminiumschmelzofen installiert, um den Prozess zu überwachen. Der Grundgedanke ist, eine allgemeine Methode zur Kurvenmodellierung aus Streustrahlendaten auf der Aluminiumoberfläche im 3D-Raum zu finden. Anhand der (x, y, z)-Daten der 3D-Kamera wird die Aluminiumoberfläche als Polynomfunktion modelliert. Dabei wird der Koeffizient mit verschiedenen Interpolations- und Approximationsmethoden abgeleitet. Um das optimale Polynomfunktionsmodell zu finden, beschreibt die Aluminiumoberfläche während des Schmelzprozesses durch Interpolation oder Approximation, wobei die beste Methode zur Kurvenanpassung erweitert und implementiert wird für die Oberflächenmodellierung. 

Schmelzprozess, Lichtfeld

Im Gesenkschmiedeprozess können Bauteile von hervorragender Qualität und technischen Eigenschaften hergestellt werden. Es ist jedoch nicht möglich Hinterschnittgeometrien, wie z. B. Kolbenbolzenbohrungen, zu schmieden. Diese werden normalerweise in nachfolgenden Prozessen eingebracht. Daher wurde ein Hinterschnittschmiedeprozess neu entwickelt. Dazu wurde ein mehrdirektionales Schmiedewerkzeug entwickelt, das hohe Schließkräfte aufbringen muss. Mit den Forschungsergebnissen können die Anforderungen an das zentrale Bauteil, schwerer Spezial-Tellerfedern, reduziert werden und stattdessen normale Tellerfedern verwendet werden. Das Ziel dieser Untersuchung ist es, die Schließkraft hinsichtlich ihrer Entstehung und ihrer Einflussgrößen zu untersuchen, um den Werkzeugbau vereinfachen zu können. Daher werden in Schmiedesimulationen die Eingangsgrößen Pressengeschwindigkeit, Werkstückanfangstemperatur und die Stempelform untersucht. Der Effekt der Parameter auf die Schließkraft wurde statistisch ausgewertet. Dabei stellte sich die Pressengeschwindigkeit als wichtigste Einflussgröße heraus. Die Werkstückanfangstemperatur und die Stempelform zeigten einen geringeren, aber ebenfalls signifikanten Einfluss auf die Kraft. Eine günstige Kombination der Parameter wird ermittelt, sodass die Presskraft und die Belastung für das Werkzeug minimiert werden, sodass der Prozess auf kleineren, wirtschaftlicheren Pressen durchgeführt werden kann. Die Simulationen werden zuletzt durch experimentelle Versuche validiert.

Schmieden, Hinterschnitt, FEM, mehrdirektional, Schließkraft, Werkzeugbau

Auch heutzutage ist der Entwicklungsprozess von Massivumformverfahren in der Schmiedebranche durch eine getrennte Konstruktion und Simulation gekennzeichnet. Die dadurch entstehenden Iterationsschleifen benötigen viel Zeit. Am Beispiel eines gratlosen Umformprozesses für einen Flansch wird gezeigt, dass es mithilfe der Data-Mining Methode ”Neuronales Netzwerk” möglich ist, die Umformkraft zu prognostizieren ohne zeitaufwendige Finite-Elemente-Simulation durchzuführen.

Simulation, KI, Prognose, Umformkraft

In diesem Paper ist die Entwicklung von Methoden zur Vorhersage der Flittergratbildung beim gratlosen Schmieden basierend auf der Finite Elemente Methode (FEM) beschrieben. Flittergratbildung erschwert das Handling und die Positionierung der Bauteile in nachfolgenden Prozesschritten und führt zu Lage- und Toleranzfehlern. Damit beeinflusst Flittergratblidung die Qualität von Prozess und Bauteil negativ. Eine direkte Berechnung des Flittergrats mittels FEM ist derzeit nicht möglich.

Zu Untersuchungszwecken wurden drei volumengleiche Vorformen unterschiedlicher Geometrie verwendet, um dieselbe Fertigteilgeometrie zu erzeugen. Anschließend wurde die vorformabhängige Flittergratbildung durch experimentelle Schmiedeversuche ermittelt. Die experimentell ermittelte Flittergratbildung wurde mit dem durch FEM-Simulationen berechnenten Druck in den Bereichen nahe des Fließspalts verglichen. Ausgehend vom FE-Knoten, der der Kante des Fließspalts am nächsten ist, wurden alle FE-Knoten entlang einer fiktiven Messlinie betrachtet, um Druckfunktionen P mittels polynomialer Regression zu bilden. Durch einen Vergleich der so ermittelten Druckfunktionen mit der experimentellen Flittergratbildung konnten die folgenden Schlüsse gezogen werden:

  1. In spez. Fertigteilbereichen weisen hohe Anstiege der simulativ ermittelten P-Funktionen in der unmittelbaren Nähe des Fließspalts auf geringere Flittergratbildung im praktischen Schmiedeversuch hin.
  2. In spez. Fertigteilbereichen weisen höhere Absolutwerte des Drucks in fließspaltnahen Bereichen auf geringere Flittergratbildung im praktischen Schmiedeversuch hin.
  3. Durch Analyse des Drucks in den fließspaltnahen Bereichen unmittelbar vor Erreichen der Formfüllung, können Bauteilbereiche, in denen Flittergratbildung entsteht, prognostiziert werden.

Schmieden, Gratloses Schmieden, FEM, Aluminium, Simulative Prognosemethode

In der Umformtechnik wie auch in anderen technischen Bereichen ist es heutzutage üblich, Prozesse zuerst zu simulieren, bevor experimentelle Vorversuche durchgeführt werden. Ein iterativer Simulationsprozess ist wirtschaftlicher als Vorversuche, nimmt aber dennoch viel Zeit in Anspruch, da eine Simulation mit realistischen Parametern meist viele Stunden dauert. Hinsichtlich eines wirtschaftlichen Entwicklungsprozesses entstand die Idee, zumindest Teile des Simulationsergebnisses innerhalb weniger Minuten durch Data Mining Verfahren vorherzusagen. In diesem Paper werden die vier Data Mining Verfahren Künstliches Neuronales Netz, Support Vector Machine, Lineare Regression und Polynomielle Regression bezüglich der Eignung zur Vorhersage der Umformkraft und simulativen Volumenschwundes durch Remeshing vorhergesagt. Beide Ausgangsgrößen wurden aufgrund ihrer Signifikanz für das Simulationsergebnis ausgewählt. Bei Betrachtung der Ausgangsgrößen kann für beide Vorhersagen festgestellt werden, dass das Künstliche Neuronale Netz am geeignetsten ist.

Data Mining, Neuronales Netzwerk, Lineare und Polynomielle Regression, Support Vector Machine

In dieser Veröffentlichung wird der Herstellungsprozess und die anschliessende Umnformung von seriellen hybriden Stahlteilen beschrieben. Die Halbzeuge wurden mittels Laserschweißen hergestellt und mittels Querkeilwalzen umgeformt. Die präsentierten Ergebnisse sind nur ein erster Ansatz, um Einblicke in das Umformverhalten von lasergeschweißten und quekeilgewalzten Teilen zu erhalten. Die untersuchte Materialkombination ist C22 (1.0402) und 20MnCr5 (1.7147). Die neue Prozesskette ermöglicht die Herstellung von hybriden Bauteilen. Zut Bewertung der entwickelten Prozesskette werden Schweißnaht und Fügezone vor und nach dem Querkeilwalzen analysiert. Es konnte gezeigt werden, dass der Fügeprozess mittels Laserschweißen eine starke Verbindung zwischen den beiden Werkstoffen mit einer höheren Härte in der Fügezone als für die einzelnen Materialien ermöglicht. Nach dem Umformprozess ist die Verbindung in der Fügezone noch vorhanden. Die Härte der Fügezone nimmt ab, bleibt aber höher als für die einzelnen Werkstoffe selbst.

Tailored Forming, Laserstrahlschweißen, Hybride Bauteile, Querkeilwalzen

Der Schmelzprozess in einem Aluminiumschmelzofen kann nicht durch Kontaktsensoren überwacht werden, da der Ofen aufgrund der hohen Temperaturen (mehr als 700 ° C) nicht zugänglich ist. Im hier vorgestellten Forschungsprojekt wird daher erstmals die Überwachung des Schmelzprozesses mittels optischer Sensoren untersucht. Dieser Artikel befasst sich mit einem innovativen optischen Messsystem, das in der Lage ist, die Schmelzbrücke trotz der glühenden Ofenwände zu überwachen. Zu diesem Zweck wird eine Lichtfeldkamera auf einem Aluminiumschmelzofen installiert, um den Prozess zu überwachen und mit einem drehbaren Brenner gezielt Wärme in den Schmelzofen zu leiten. Die verwendete Lichtfeldkamera kann eine 3D-Punktwolke mit nur einem Bild erfassen. Um dies zu erreichen, wird ein separates Linsenfeld zwischen dem Bildsensor und der Hauptlinse angeordnet, um ein virtuelles Zwischenbild auf den eigentlichen Bildsensor zur weiteren Datenverarbeitung zu projizieren. Darüber hinaus dient ein selbst entwickeltes Bildanalyseprogramm zur Überwachung der Höhenvariation des Aluminiumblocks und etwaiger Schmelzreste auf der Schmelzbrücke des Ofens.

So konnte die Energieeffizienz des Aluminiumschmelzprozesses um 15% gesteigert und die Schmelzzeit durch Online-Überwachung um fast 20 Minuten reduziert werden.

Lichtfeldkamera, Prozessüberwachung, Bildverarbeitung, Schmelzprozess, Energieeffizienz

In dieser Veröffentlichung werden Untersuchungen über die Verschiebung der Fügezone von seriell angeordneten hybriden Halbzeugen beim Querkeilwalzen vorgestellt. Die untersuchten Werkstoffkombinationen sind Stahl-Stahl (C22 und 41Cr4) und Stahl-Aluminium (20MnCr5 und AlSi1MgMn). Der Querkeilwalzprozess wurde mittels FEM-Simulationen ausgelegt und anschließend experimentell untersucht. Untersuchungsschwerpunkt ist die Untersuchung der Verschiebung der Fügezone in Abhängigkeit der Hauptparameter des Querkeilwalzens. Es konnte gezeigt werden, dass das Umformverhalten seriellen hybriden Halbzeugen aus Stahl-Stahl und Stahl-Aluminium mit der FEM beschrieben werden kann. Die Abweichung der Verschiebung gemäß Simulation im Vergleich zu den experimentellen Versuchen beträgt nur etwa 3 %, was eine gute Näherung ist.

Querkeilwalzen, Hybride Bauteile, Fügezone, Stahl, Aluminium

Die Untersuchung der Flittergratbildung in einem gratlosen Präzisionschmiedeprozess von einem lenkerähnlichen Aluminiumlangteil mittels FEM und experimentellen Umformversuchen wurde in diesem Vortrag beschrieben. Flittergratbildung erschwert das Handling und die Positionierung der Bauteile in nachfolgenden Prozessschritten und führt zu Lage- und Toleranzfehlern. Zu Untersuchungszwecken wurden drei volumengleiche Vorformen unterschiedlicher Geometrie verwendet, um dieselbe Fertigteilgeometrie zu erzeugen.

Die FEM-Simulationen wurden hinsichtlich der vorformgeomtrieabhängigen Formfüllungs-Sychronität untersucht, um Bereiche der Flittergratbildung zu prognostizieren. Die FEM-basierten Prognosen wurden mit der in experimentellen Schmiedeversuchen ermittelten Flittergratbildung verglichen. Der Vergleich zeigte gute Übereinstimmung. In allen Bereichen, in denen simualtiv Flittergrat prognostiziert wurde, konnte auch Flittergratbildung experimentell nachgewiesen werden. Vorfomen mit höherer Formfüllungssynchronität zeigten geringere Flittergratbildung. 

Schmieden, Aluminium, FEM, Flittergratbildung, Vorhersage

Schmiedeteile eignen sich für den Gebrauch in der Automotiveindustrie, da sie die Anforderungen des Leichtbaus erfüllen und zugleich hohen Belastungen standhalten. Um eine hohe Prozessgüte zu erreichen, muss beim gratlosen Präzisionschmieden die Flittergratbildung zwischen den formgebenden Elementen (Gesenkhälften und Stempeln) vermieden werden. Nach aktuellem Stand der Forschung ist die zur Vermeidung notwendige Vorheresage der Flittergratbildung nicht möglich.

In diesem Paper ist die Entwicklung eines Modells zur Vorhersage der Flittergratbildung, basierend auf der Finite Elemente Methode (FEM), beschrieben. Dazu wurden verschiedene Analyseparemeter aus der FEM hinsichtlich ihrer Korrelation (Signifikanz und Effekt) zu den Prozessparametern Umformtemperatur, Umformgeschwindigkeit und Gratspaltbreite untersucht. Unter allen untersuchten Analyseparametern wurden der Hydrostatische Druck und die Umformkraft in Hauptumformrichtung als die zur Flittergratprognose am meisten geeigneten Parameter identifiziert.

Aluminiumschmieden, gratloses Präzisionsschmieden, gratloses Schmieden, FEM

Aufgrund der thermischen und mechanischen Belastungen infolge der hohen Rohteiltemperaturen von bis zu 1280 °C, der großen Gesenk-Innendrücke und des ausgeprägten Werkstoffflusses entlang der Gesenkoberflächen ist der Werkzeugverschleiß beim Gesenkschmieden besonders hoch. Ein fortgeschrittener Werkzeugverschleiß führt zu Instandhaltungsaufwänden, Produktionsstillstandzeiten, und im schlimmsten Fall zum Werkzeugbruch und ist daher ein Hauptkostenfaktor beim Gesenkschmieden.

Am Institut für Integrierte Produktion Hannover wurde der Zusammenhang zwischen dem Verschleiß von Schmiedewerkzeugen von der gewählten Losgröße nachgewiesen. Auf Basis der Ergebnisse können künftig lnstandhaltungsabläufe optimiert und Kosten reduziert werden.

Schmieden, Stahl, Verschleiß, Losgröße