Johannes Richter

Abschluss:
Dipl.-Wirtsch.-Ing.
Funktion:
Projektingenieur
Schwerpunkte:
Massivumformung von Aluminium und Stahl, Numerische Simulation
Telefon:
+49 (0)511 279 76-333
E-Mail:
richter@iph-hannover.de
vCard:
vCard
Xing:
https://www.xing.com/profile/Johannes_Richter65

Veröffentlichungen

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

Die Losgrößenbildung ist eine wichtige Aufgabe der Produktionsplanung und -steuerung. Bei der Losgrößenbildung wird üblicherweise auf losgrößenabhängige Auftragswechselkosten- sowie Lagerhaltungskosten zurückgegriffen. Modelle zur Losgrößenbildung vernachlässigen jedoch den Aspekt von losgrößenabhängigen Instandhaltungskosten. Insbesondere für Schmiedeunternehmen ist der Werkzeugverschleiß aber von hoher wirtschaftlicher Bedeutung, weil die Werkzeugkosten einen Hauptkostenfaktor der Herstellungskosten darstellen. In diesem Artikel wird das deterministische Logsgrößenmodell von Andler um losgrößenabhängige Instandhaltungskosten erweitert. Hierfür wird zunächst der Zusammenhang zwischen der Losgröße und dem Werkzeugverschleiß als Funktion abgebildet. Diese Funktion wird im Anschluss mit losgrößenabhängigen Instandhaltungskosten bewertet und in das Losgrößenmodell von Andler integriert. Die Validierung des erweiterten Losgrößenmodells erfolgt in zwei Schritten. Zuerst wird die Funktionalität des erweiterten Losgrößenmodells validiert. Danach wird eine Sensitivitätsanalyse hinsichtlich der losgrößenabhängigen Kosten und Stückkosten durchgeführt.

Losgrößenbildung, Werkzeugverschleiß, Schmiedeindustrie, Sensitivitätsanalyse

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

Die Untersuchung der Flittergratbildung in einem gratlosen Präzisionschmeideprozess von einem lenkerähnlichen Aluminiumlangteil mittels FEM und experimentellen Umformversuchen wurde im Vortrag beschrieben. Flittergratbildung erschwert das Handling und die Positionierung der Bauteile in nachfolgenden Prozesschritten 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, konnten auch Flittergratbildung experimentell nachgewiesen werden. Vorfomen mit höherer Formfüllungssynchronität zeigten geringere Flittergratbildung. 

Schmieden, gratlos Schmieden, Aluminium, FEM, Flittergrat, Prognose

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

Um die Produktionskosten von Schmiedeteilen zu reduzieren, sind unterschiedliche Ansätze möglich. Speziell für wertvolle Materialien wie Titan stellen die Materialkosten einen Großteil der Produktionskosten dar. Daher kann die Verringerung des Ausgangsmaterials die Gesamtkosten signifikant verringern. Um das Verbesserungspotenzial zu identifizieren, wurde eine bestehende Schmiedeprozesskette untersucht.

Für ein Hüft-Implantat aus Titan wurde eine neue Schmiedeprozesskette entwickelt. Um das anfänglich benötigte Material zu reduzieren, wurde das Querkeilwalzen als Vorformvefahren und das Gesenkschmieden mit Gratsperren untersucht. Der Einfluss der verschiedenen Prozessschritte auf das Endergebnis wurde analysiert und detailliert dargestellt. Um die Vorhersagegenauigkeit des neu entwickelten gratreduzierten Schmiedeprozesses zu erhöhen und Iterationsschleifen von Gesenkauslegungen zu verringern, wurden passende Simulationsparameter unter Berücksichtigung der Randbedingungen der Schmiedeumgebung untersucht. Dies geschieht mittels Finite-Elemente-Analyse (FEA) unter Berücksichtigung von Formfüllung, Prozessstabilität und Pressenkräfte. Beim Einsatz von Querkeilwalzen und Gesenkschmieden mit Gratsperre reduziert der neu entwickelte Schmiedprozess den Gratanteil deutlich von 69% auf 32%.

Querkeilwalzen, Schmieden, Gratreduziert, FEM Simulationen, Gratsperren

Die Losgrößenbildung ist eine wichtige Aufgabe der Produktionsplanung und -steuerung. Bei der Losgrößenbildung wird üblicherweise auf losgrößenabhängige Auftragsauflage- sowie Lagerhaltungskosten zurückgegriffen. Modelle zur Losgrößenbildung vernachlässigen jedoch den Aspekt von losgrößenabhängigen Instandhaltungskosten. Der Werkzeugverschleiß ist für Schmiedeunternehmen aber von hoher wirtschaftlicher Bedeutung, weil die Werkzeugkosten einen Hauptfaktor der Herstellungskosten darstellen.

Produktionsplanung und -steurung, Losgrößenbildung, Prozesstabilität

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

Am IPH wurde in der Vergangenheit intensiv am gratlosen Präzisionsschmieden von Stahlwerkstoffen geforscht. Beim gratlosen Aluminiumschmieden bildet sich häufig der sogenannte Flittergrat, ein dünner Metallkranz, der sich in den Spaltbereichen zwischen den formgebenden Elementen bildet und sich negativ auf die Bauteilqualität auswirkt. Aus diesem Grund konnte das Gratlosschmieden für Aluminiumteile bisher nicht umgesetzt werden. In dieser Veröffentlichung wird die Projektvorgehensweise zur Untersuchung der Flittergratbildung erläutert. Zudem wird das erstellte FEM-Modell eines einstufigen Stauchprozesses im geschlossenen Gesenk zur Untersuchung der Flittergratentstehung beschrieben. Mit Hilfe des Modells wird der Einfluss der Parameter Werkstücktemperatur, der Umformgeschwindigkeit, der Breite des Fließspaltes und der Presskräfte auf die Flittergratbildung untersucht. Letztlich soll durch diese Untersuchungen das Gratlosschmieden von Aluminiumbauteilen ermöglicht werden.

Gratlosschmieden, Flittergrat, Aluminium, FEM

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