Beim Schmieden von flachen Aluminiumlangteilen können prozessbedingt Schmiedefehler wie bspw. Falten entstehen. Einen Sonderfall stellt dabei die Bildung von inneren Falten dar, welches sich im Faserverlauf ausprägt. Innere Falten haben u. a. einen negativen Effekt auf die dynamischen Bauteileigenschaften. Als Fertigungsverfahren kann Schmieden in eindirektionales und mehrdirektionales Schmieden unterteilt werden. Beim eindirektionalen Schmieden wurde die Entstehung von inneren Falten beobachtet. Durch die Verwendung des Umformens aus mehreren Richtungen – dem mehrdirektionalen Schmieden – kann die Umformung variabel eingestellt werden und dadurch eine Faltenbildung verhindert werden. Eine neu entwickelte Methode hilft bei der Auswahl des Umformverfahrens und bei der Bestimmung einer geeigneten Werkzeuggeometrie. Hier wird speziell der Bereich angepasst, in dem die inneren Falten entstehen. Dazu wurde ein Berechnungsmodell entwickelt, mit dem eine rechnergestützte Identifizierung der inneren Falten und eine Korrektur des verwendeten sowie parametrisch aufgebauten Schmiedewerkzeugs im relevanten Bereich möglich ist.
Mehrdirektionales Schmieden, flache Langteile, Aluminium, Faserverlauf
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
Je komplizierter eine Schmiedegeometrie ist, desto mehr Grat ist notwendig, um Formfüllung und ein fehlerfreies Schmiedeteil zu erreichen. Die meisten kleinen und mittleren Unternehmen (KMU) schmieden viele unterschiedliche Teile in kleinen und mittleren Losgrößen und können nicht den hohen Aufwand betreiben, um effizientere Schmiedeverfahren zu entwickeln. Im Paper wird die Entwicklung einer ressourceneffizienten Schmiedeprozesskette für Kurbelwellen dargestellt. Die Stadienfolge besteht aus gratlosen Vorformschritten und einem gratreduzierten Fertigschmiedeschritt. Die Werkzeuge wurden entwickelt, um auf industriell genutzten, schnellen mechanischen Pressen zu funktionieren. Die letzte der vier gratlosen Vorformschritte ist eine mehrdirektionale Ausformung der Kurbelwangen und Versetzen der Lagerstellen. Um die Schmiedekräfte auf einem niedrigen Niveau zu halten und ein stabiles Schmiedeverfahren zu ermöglichen wurde eine Zwischenerwärmung mittels Induktion der Vorformteile vor dem mehrdirektionalen Schmieden entwickelt. Die Kurbelwellen wurden erfolgreich mit einem reduzierten Gratanteil von weniger als 10% geschmiedet.
Schmieden, Grat, Induktive Erwärmung, Vorform, Kurbelwelle
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
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
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
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
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
Terminabweichungen im Ablauf einer Baustellenmontage verursachen häufig hohe ungeplante Kosten. Dies trifft insbesondere auf kapitalintensive, großskalige Produkte zu. Aktuell fehlt ein Modell, mit dem diese Kosten bereits während der Montageplanung und -umsetzung sowie auch im Nachhinein bestimmt werden können. Dadurch ist ein umfassendes logistisches Controlling nicht möglich und die Sicherstellung einer hohen Termintreue und niedriger Logistikosten auch bei eintretenden Störungen wird verhindert. In diesem Artikel wird ein Forschungsprojekt vorgestellt, welches die Entwicklung einer Methode zum Ziel hat, mit der ein Termineinhaltungs- und Kosten-Controlling für die Materialverfügbarkeit bei der Montage von Windenergieanlagen gesichert wird.
Materialbereitstellung, Baustellenmontage, Kosten-Controlling, Terminabweichung, Frühwarnsystem, Pro
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
Unterschiedliche Rohteilabmessungen oder ein fortgeschrittener Gesenkverschleiß vergrößern die Gefahr herstellungsbedingter geometrischer Schwankungen von Schmiedeteilen. Dies kann zu Ausschuss führen. Meist werden diese Schwankungen durch eine erhöhte Einsatzmasse kompensiert und somit eine geringere Materialeffizienz in Kauf genommen. In einem Forschungsprojekt wurde untersucht, wie durch den Einsatz einer beweglichen Gratbahn im Schmiedewerkzeug der Stofffluss beeinflusst und somit die Qualität der Schmiedebauteile verbessert werden kann.
Schmieden, Werkzeugkonstruktion, Stofffluss, FEM, Gratbahn
Ein zentraler Leichtbauansatz besteht darin, Teile belastungsorientiert auszulegen. Das bedeutet, dass Bauteile und Baugruppen lokal unterschiedliche mechanische Eigenschaften aufweisen. Dafür werden als Halbzeuge Tailored Blanks oder Tailored Tubes verwendet, die typischerweise aus verschiedenen Blechdicken zusammengesetzt sind. Durch das Herstellungsverfahren der Innenhochdruckumformung können auch komplizierte Geometrien belastungsoptimiert und mit hoher Genauigkeit realisiert werden. Ein weiterer Leichtbauansatz ist die Kombination unterschiedlicher Werkstoffe, um lokal unterschiedliche Bauteileigenschaften zu bewirken. Von deutschen Automobilherstellern wird dabei oft der Einsatz von Mischverbindungen beispielsweise in Form von Blechteilen aus Stahl und Aluminium genannt. Maßgeschneiderte Rohre aus Stahl-Aluminium-Verbunden werden bisher jedoch nicht industriell hergestellt und angewendet, da ein qualitativ hochwertiger und zuverlässiger Fügeprozess für die Werkstoffpartner fehlt.
Innenhochdruckumformen, Automotive, Laserstrahllöten, Stahl-Aluminium, Karosserie, Downsizing
Beim Projekt REForCh geht es um die Materialeinsparung von wertvollen Materialien beim Umformvorgang von komplexen Bauteilen, wie z. B. Kurbelwellen. In dem EU-Projekt soll der Gratanteil einer Kurbelwelle reduziert werden. Konventionell hergestellt beträgt der Gratanteil 54 %, dieser soll auf mindestens 15 % reduziert werden. Dies soll primär erfolgen durch die Nutzung eines mehrdirektionalen Schmiedeschritts als Vorformoperation.
Gratreduziertes Schmieden, Mehrdirektional, Kurbelwelle
Die Materialkosten machen bis zu 50 % der gesamten Produktionskosten aus. Durch Verminderung des Gratanteils lassen sich der Materialverbrauch und somit die Produktionskosten in Schmiedeprozessen verringern. Für komplizierte Schmiedeteile ist die Entwicklung einer neuen Stadienfolge notwendig, um einen gratreduzierten Schmiedeprozess zu erzielen. Diese Entwicklung wurde für eine Zweizylinder-Kurbelwelle durchgeführt. Die neue gratreduzierte Stadienfolge besteht aus gratlosen Vorformoperationen, einem induktiven Erwärmen von vorgeformten Werkstücken und einem finalen gratreduziertem Schmieden. Mit der Reduzierung des Gratanteils von 54 % auf 10 % wurde der Gesamtenergieverbrauch reduziert und die Wettbewerbsfähigkeit der schmiedenden KMU gesteigert.
Gratreduziert, Prozesskette, Kurbelwelle, induktive Erwärmung
