Inkrementelle Umformung hybrider Halbzeuge mittels Querkeilwalzen

Projekttitel Inkrementelle Umformung hybrider Halbzeuge mittels Querkeilwalzen (SFB 1153 – Teilprojekt B1 – Querkeilwalzen)
Laufzeit 01.07.2015 – 30.06.2023
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Projektwebseite www.sfb1153.uni-hannover.de
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Das übergeordnete Ziel des Sonderforschungsbereichs 1153 „Tailored Forming“ ist es, die Potenziale für hybride Massivbauteile auf der Basis eines neu zugeschnittenen Fertigungsprozesses unter Verwendung von gefügten Halbzeugen zu erschließen. Im Gegensatz zu bestehenden Herstellungs- und Fertigungsprozessen von hybriden Massivbauteilen, bei denen der Fügeprozess erst während der Umformung oder am Ende der Fertigungskette erfolgt, werden im SFB maßgeschneiderte Halbzeuge verwendet, welche vor dem Formgebungsprozess gefügt werden. Gegenüber den bestehenden Fertigungsverfahren erleichtert die einfache Geometrie der Halbzeuge die Handhabung sowie die prozesssichere Herstellung einer stoffschlüssigen Fügezone.

Das Ziel des Teilprojektes B1 ist die Ermittlung der Umformbarkeit neuartiger hybrider Halbzeuge mittels des inkrementell umformenden Querkeilwalzens. Hauptaspekt ist die Umformung verschieden hergestellter Hybridhalbzeuge aus Stahl und Aluminium.

Eine Herausforderung ist die Erwärmung der Halbzeuge, da das Hybridhalbzeug aufgrund der verschiedenen Werkstoffe unterschiedliche Fließwiderstände besitzt und ggf. ungleichmäßig erwärmt werden muss. Hierfür wird eine induktive Erwärmungsanlage am IPH verwendet. Die Walzprozesse werden mittels FEM-Simulation ausgelegt und experimentell untersucht. Die Ergebnisse des Walzprozesses werden ausgewertet und eine Auslegungsmethode entwickelt sowie die Prozesse zielgerichtet hinsichtlich Stabilität und Qualität verbessert.

Forschungsschwerpunkte sind hierbei die Untersuchung der Qualität der Fügezone und des Einflusses des Fügeverfahrens auf die Fügezone sowie auf die Stabilität des Umformprozesses. Darüber hinaus wird der Einfluss der unterschiedlichen Fließwiderstände der Werkstoffe und damit verbunden die geeignete Bauteiltemperatur für eine kontrollierte Umformung untersucht. Denn aufgrund der unterschiedlichen Materialien und den damit verbundenen, oft unterschiedlichen Fließspannungen, ist das Umformverhalten von Hybridbauteilen ohne weitere Untersuchungen nicht gesteuert durchführbar.

Mit den Ergebnissen dieses Teilprojektes soll eine Auslegung von Querkeilwalzprozessen für Hybridbauteilen ermöglicht werden. Ebenso gehört die Ermittlung der Umformbarkeit der durch andere Teilprojekte hergestellten hybriden Halbzeuge zu den Zielsetzungen.

  • Keine aktuellen Termine vorhanden.
  • 07.11.2016
  • PZH – Produktionstechnisches Zentrum Hannover, An der Universität 2, 30823 Garbsen
  • 27.06.2016
  • PZH – Produktionstechnisches Zentrum Hannover, An der Universität 2, 30823 Garbsen
  • 25.04.2016
  • PZH – Produktionstechnisches Zentrum Hannover, An der Universität 2, 30823 Garbsen
  • 01.02.2016
  • PZH – Produktionstechnisches Zentrum Hannover, An der Universität 2, 30823 Garbsen
  • 26.11.2015
  • PZH – Produktionstechnisches Zentrum Hannover, An der Universität 2, 30823 Garbsen
  • 23.07.2015
  • PZH – Produktionstechnisches Zentrum Hannover, An der Universität 2, 30823 Garbsen

Veröffentlichungen zum Projekt

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 Ergebnisse der Untersuchungen hinsichtlich der Temperatur- und Geometriemessung von schmiedewarmen Halbzeugen und Bauteilen mittels optischer Messtechnik. Hierfür hat das Teilprojekt C5 des Instituts für Mess- und Regelungstechnik der Leibniz Universität Hannover eine geeignete Messtechnik entwickelt und hinsichtlich der Anforderungen an Tailored Forming Bauteile angepasst, um auch verschiedene Werkstoffpaarungen messen zu können. Die Ergebnisse der Simulation werden mit den Ergebnissen der Umformversuche, ermittelt durch das in dieser Arbeit beschriebene Messverfahren, verglichen. Das Ziel ist es, am Beispiel des Querkeilwalzprozesses, Erwärmungsstrategien und Prozessparameter zu verbessern, um stabile Fertigungsschritte für Tailored Forming Bauteile zu ermöglichen.

Tailored Forming, Querkeilwalzen, Umformtechnik, Aluminium, Stahl, Optische Messtechnik

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

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

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 meisten heutigen technischen Bauteile und Komponenten bestehen aus monolithischen Materialien. Diese in etablierten Herstellungsprozessen hergestellten Monomaterialkomponenten erreichen aufgrund ihrer jeweiligen Materialeigenschaften ihre Grenzen. Daher kann eine signifikante Steigerung der Produktionsqualität und Effektivität nur durch die Kombination verschiedener Materialien in einem Bauteil erreicht werden. Die Umformung von zuvor gefügten Halbzeugen zu entkonturnahen Bauteilen, die aus zwei verschiedenen Materialien bestehen, ist eine vielversprechende Methode zur Produktion von Bauteilen mit lokal optimierten Eigenschaften. Diese neue Prozesskette bietet gegenüber herkömmlichen Fertigungstechnologien eine Reihe von Vorteilen. Beispiele sind die Herstellung von besonders angepassten Schmiedeteilen mit hoher Materialausnutzung, eine Verbesserung der Fügezone durch den folgenden Umformprozess und ein einfach zu integrierendes Fügeverfahren aufgrund der einfachen Geometrie der Halbzeuge.

Diese Veröffentlichung beschreibt den Herstellungsprozess von hybriden Stahlbauteilen, die durch die Kombination eines Plasma-Pulver-Auftraggeschweißen mit anschließendem Querkeilwalzen hergestellt wurden. Diese innovative Prozesskette ermöglicht die Produktion von hybriden Bauteilen. Um die Prozesskette zu bewerten, wird die Schichtdicke der aufgetragenen Schicht vor und nach dem Querkeilwalzen untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass der Umformprozess zu einer Verbesserung der aufgetragenen Schicht, also einer homogeneren Verteilung entlang der Hauptachse, führt.

Prozesskette, Plasma-Pulver-Auftragschweißen, Hybride Bauteile, Querkeilwalzen

In den vergangenen Jahren sind die Anforderungen an technische Bauteile stetig gestiegen. Diese Entwicklung ist dem Wunsch nach immer leistungsfähigeren Produkten geschuldet, die neben einem geringeren Gewicht, einer kleineren Bauweise und erweiterter Funktionalität zudem eine höhere Widerstandsfähigkeit gegenüber bestimmten Beanspruchungsarten aufweisen.

Das übergeordnete Ziel des Sonderforschungsbereichs 1153 "Tailored Forming" ist es, die Potentiale für hybride Massivbauteile auf der Basis eines neuen zugeschnittenen Fertigungsprozesses unter Verwendung von gefügten Halbzeugen  zu erschließen.

In diesem Beitrag werden die Vorgehensweise und erste Ergebnisse ausgewählter Teilprojekte zur Halbzeugherstellung durch Verbundstrangpressen, zur Umformung der hybriden Halbzeuge durch Querkeilwalzen, Gesenkschmieden und Fließpressen und zur numerischen Versagensvorhersage der Fügezonen dargestellt. Hierdurch wird ein Überblick über mögliche Leichtbaustrategien im Bereich der Massivumformung durch die Verwendung bereits gefügter Halbzeuge gegeben.

Tailored Forming, Halbzeugherstellung, Umformung, Querkeilwalzen

Das Querkeilwalzen hybrider Bauteile ergibt je nach Anordnung (seriell oder koaxial) unterschiedliche Herausforderungen, die zunächst grundlegend untersucht werden.

Beim Querkeilwalzen von seriellen Bauteilen ist die kontrollierte Umformung der Fügezone die größte Herausforderung. Abhängig von der Fließspannung der verwendeten Werkstoffe verformen sich die Bauteilhälften unterschiedlich. Um diese Umformung kontrolliert ablaufen zu lassen, wurde zunächst das Umformverhalten hinsichtlich der Verschiebung und Qualität der Fügezone analysiert und anschließend Möglichkeiten ermittelt, mit denen die Umformung gezielt erfolgen kann. Dazu wurden systematisch nach dem DoE-Verfahren die Einflussparameter (Werkstücktemperatur, Umformgeschwindigkeit, Querschnittsflächenreduktion, Schulter- und Keilwinkel) zunächst mittels Finite-Element-Methode ermittelt und anschließend die Untersuchungen experimentell verifiziert. Eine Einflussnahme auf die Umformung anhand sowohl konstruktiver Maßnahmen (z. B. ungleiche Werkzeughälften) als auch durch prozessbedingte Parameter (z. B. unterschiedliche Temperierung) wird untersucht.

Das Querkeilwalzen von koaxialen Bauteilen hat aufgrund des Bauteilaufbaus andere Herausforderungen. Ziel ist es, bei der Umformung den Verlauf der Dicke der aufgetragenen Schicht gezielt beeinflussen zu können. Dazu wurden zu Beginn Finite-Elemente-Simulationen durchgeführt, um beeinflussende Parameter zu ermitteln. Durch eine systematische Untersuchung der Versuchsparameter nach dem DoE-Verfahren ergaben die Schichtdicke vor der Umformung sowie die Querschnittsflächenreduktion als Parameter mit den größten Einflüssen auf die den Verlauf der Schichtdicke nach der Umformung. Die erzielten Ergebnisse wurden in experimentellen Versuchen anschließend verifiziert.

Querkeilwalzen, Stahl, Aluminium, Fügezone, Schichtdicke

Bauteile effizient umformen, ohne dass Grat entsteht: Dazu eignet sich das Querkeilwalzen. Für hybride Halbzeuge muss es völlig neu erforscht werden: Mit welchen Einstellungen lassen sich Materialkombinationen – beispielsweise aus Stahl und Aluminium – gemeinsam umformen?

Querkeilwalzen, hybride Halbzeuge

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

Förderer

Das Projekt mit dem Förderkennzeichen 252662854 wird mit Mitteln der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert.

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