Ressourcenschonung von wertvollen Materialien durch ein hocheffizientes Umformsystem

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

Um es zukünftig kleinen und mittleren Unternehmen zu ermöglichen, Querkeilwalzen einzusetzen, wurden bisher bestehende Hindernisse aus dem Weg geräumt. Dazu wurde eine Methode entwickelt, wie Querkeilwalzwerkzeuge softwaregestützt konstruiert werden können. Für die beiden Demonstratorbauteile Hüftimplantat und Common-Rail wurden Querkeilwalzprozesse simulationsgestützt ausgelegt. Mit den Querkeilwalz-Vorformen konnten gratreduzierte Stadienfolgen für die beiden Demonstratorbauteile ausgelegt werden. Um die Teile industriell kostengünstig walzen zu können, wurde eine Querkeilwalzmaschine konzipiert, gefertigt und beim Schmiedeunternehmen aufgebaut. So konnte die komplette Stadienfolge des Hüftimplantats erfolgreich getestet werden.

Querkeilwalzen, Umformmaschine, Ressourceneffizienz, Hüftimplantat, Common-Rail

Common-Rails lassen sich künftig mit wesentlich weniger Materialeinsatz herstellen – dank eines neuen Schmiedeprozesses, den das IPH gemeinsam mit Partnern aus ganz Europa entwickelt hat. Dabei wird das Bauteil mittels Querkeilwalzen vorgeformt und anschließend fertiggeschmiedet, sodass deutlich weniger Grat entsteht als bisher. Für kleine und mittelständische Unternehmen (KMU) hat das IPH einen besonders kompakten Querkeilwalzapparat in Flachbackenbauart konstruiert, der sich auch für kleine Stückzahlen rechnet. Es ist der erste Apparat dieser Art, der tatsächlich in der Industrie zum Einsatz kommt: Ein türkisches Schmiedeunternehmen will damit Vorformen für Hüftimplantate herstellen.

Querkeilwalzen, Gratlos, Vorform, Maschine

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

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.

Querkeilwalzen, QKW-Maschine, Titan, bainitischer Stahl, Common rail, Hüftimplantat