Eine der größten gesellschaftlichen Herausforderungen des 21. Jahrhunderts ist die Eindämmung des Klimawandels. Ein Ansatz, der vor allem in der Kraftfahrzeugindustrie in den letzten Jahren zunehmend an Bedeutung gewonnen hat, ist der ganzheitliche Leichtbau, wodurch vor allem konventionelle Fertigungstechnologien im Bereich der Umformtechnik zunehmend an ihre Grenzen stoßen. Durch Anwendung der innovativen Prozessklasse der Blechmassivumformung können Funktionsbauteile mit einem hohen Grad der Funktionsintegration prozesssicher, sowie energie- und kostenoptimiert hergestellt werden. Dabei konnte vor allem durch den Einsatz von prozessangepassten Halbzeugen eine gesteigerte Materialeffizienz nachgewiesen werden. Vor allem inkrementelle Umformverfahren weisen dafür ein hohes Potential auf.
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird daher das Ziel verfolgt, ein ganzheitliches Prozessverständnis zur Herstellung von Tailored Blanks durch einen neuartigen flexiblen Walzprozess aufzubauen. Zur Ableitung physikalischer Zusammenhänge wird eine grundlegende experimentelle Prozess- und Einflussanalyse durchgeführt und darauf aufbauend eine ganzheitliche Methodik zur Herstellung einer rotationssymmetrischen Materialvorverteilung abgeleitet. Unter Anwendung der gewonnenen Erkenntnisse wird anschließend die Übertragbarkeit der Methodik auf höherfeste Werkstoffklassen und variierende Halbzeugdicken sowie die Einsatzfähigkeit der Halbzeuge in einem nachgelagerten Tiefzieh-Stauchprozess bewertet.
Aktualisiert: 2023-02-02
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Im Spannungsfeld zwischen ökologischen und ökonomischen Herausforderungen werden im Bereich der Produktionstechnik innovative Verfahren benötigt, um die steigenden Anforderungen an neue Produkte erfüllen zu können. Die Blechmassivumformung stellt in diesem Zusammenhang eine vielversprechende Technologie dar, welche die Potentiale etablierter Verfahren der Blech- und Massivumformung kombiniert. Die zentralen Herausforderungen bestehen vor allem in der Sicherstellung einer ausreichenden Kontrolle der lokal variierenden zwei- und dreiachsigen Spannungs- und Dehnungszustände zur Herstellung endkonturnaher Bauteile. Vor diesem Hintergrund wurde in der vorliegenden Arbeit das Prozessverständnis hinsichtlich der Auslegung und des Einsatzes prozessangepasster Halbzeuge vertieft und erweitert, um die Stoffflusskontrolle entsprechend den geforderten Bauteileigenschaften steigern zu können. Als Grundlage der Untersuchungen wurde die anforderungsbasierte Auslegung einer zielführenden Werkzeuggeometrie zur Herstellung prozessangepasster Halbzeuge anhand einer numerischen Variantensimulation durchgeführt, welche nachfolgend um einen effizienteren Auslegungsansatz ergänzt wurde. Die zentralen Anforderungen umfassen die Vermeidung identifizierter Fehlerbilder an den außenverzahnten Funktionsbauteilen, welche durch die einstufige Verfahrenskombination aus Tiefziehen und Stauchen hergestellt werden. Die Realisierung einer ausreichend hohen Stoffflusskontrolle ist bei Verfahren der Blechmassivumformung eine der Grundvoraussetzungen für die effiziente Herstellung fehlerfreier Funktionsbauteile aus Stahl- und Aluminiumlegierungen.
Aktualisiert: 2022-05-26
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Mit Verfahren der Blechmassivumformung können Funktionsbauteile mit anspruchsvoller Geometrie durch eine Massivumformung von Feinblechen hergestellt werden. Diese Bauteile sind in ihrem Betrieb häufig zyklischen Belastungen ausgesetzt. Durch die Kaltumformung kommt es sowohl zur Kaltverfestigung als auch zur Bildung und zum Wachstum von duktiler Schädigung in Form von Poren im Gefüge. Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Entwicklung der duktilen Schädigung und deren Einfluss auf die Ermüdungslebensdauer untersucht. Mit dem Ziel eine Lebensdauerprognose für blechmassivumgeformte Bauteile zu erstellen, wurde ein Lebensdauermodell nach einem bruchmechanischen Ansatz verwendet. Anhand von gezielt nachgebildeten Materialzuständen konnte die Entwicklung der duktilen Schädigung analysiert sowie eine Datenbasis mittels Ermüdungs- und Rissfortschrittsexperimenten erarbeitet werden. Das Ermüdungsmodell ermöglicht durch inverse Berechnung die Bestimmung einer virtuellen Anrisslänge. Es konnte gezeigt werden, dass die berechneten Anfangsrisslängen gut mit den ermittelten Defektgrößen der duktilen Schädigungen korrelieren. Mit dem in dieser Arbeit parametrisierten Ermüdungsmodell können Lebensdauerprognosen für Bauteile berechnet werden, die durch verschiedene Prozessfolgen hergestellt und unterschiedlichen Betriebslasten ausgesetzt werden. Damit ermöglicht dieses Modell eine lebensdauergerechte Prozessauslegung.
Aktualisiert: 2021-12-23
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Mit Verfahren der Blechmassivumformung können Funktionsbauteile mit anspruchsvoller Geometrie durch eine Massivumformung von Feinblechen hergestellt werden. Diese Bauteile sind in ihrem Betrieb häufig zyklischen Belastungen ausgesetzt. Durch die Kaltumformung kommt es sowohl zur Kaltverfestigung als auch zur Bildung und zum Wachstum von duktiler Schädigung in Form von Poren im Gefüge. Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Entwicklung der duktilen Schädigung und deren Einfluss auf die Ermüdungslebensdauer untersucht. Mit dem Ziel eine Lebensdauerprognose für blechmassivumgeformte Bauteile zu erstellen, wurde ein Lebensdauermodell nach einem bruchmechanischen Ansatz verwendet. Anhand von gezielt nachgebildeten Materialzuständen konnte die Entwicklung der duktilen Schädigung analysiert sowie eine Datenbasis mittels Ermüdungs- und Rissfortschrittsexperimenten erarbeitet werden. Das Ermüdungsmodell ermöglicht durch inverse Berechnung die Bestimmung einer virtuellen Anrisslänge. Es konnte gezeigt werden, dass die berechneten Anfangsrisslängen gut mit den ermittelten Defektgrößen der duktilen Schädigungen korrelieren. Mit dem in dieser Arbeit parametrisierten Ermüdungsmodell können Lebensdauerprognosen für Bauteile berechnet werden, die durch verschiedene Prozessfolgen hergestellt und unterschiedlichen Betriebslasten ausgesetzt werden. Damit ermöglicht dieses Modell eine lebensdauergerechte Prozessauslegung.
Aktualisiert: 2022-05-19
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Die inkrementelle Blechmassivumformung stellt einen innovativen Ansatz zur ressourceneffizienten Herstellung belastungsangepasster Funktionsbauteile dar. Anders als bei konventionellen Fertigungsverfahren ermöglicht dieser umformtechnische Ansatz die lokale Anpassung der Wandstärke an das anwendungsspezifische Belastungskollektiv. Die kinematische Flexibilität der inkrementellen Blechmassivumformung ermöglicht die Bauteilfertigung über unterschiedliche Formänderungshistorien. Die dabei vorherrschende Formänderung sowie dessen Einflüsse auf die resultierenden Bauteileigenschaften sind bislang nicht bekannt. Das Ziel dieser Arbeit ist es, ein grundlegendes Verständnis über die Formänderungshistorie inkrementeller Blechmassivumformprozesse sowie deren Einfluss auf die mechanischen und geometrischen Eigenschaften von Funktionsbauteilen zu erarbeiten. Durch eine numerische Prozessmodellierung werden die prozessspezifischen Formänderungsverteilungen bei der umformtechnischen Herstellung der belastungsangepassten Bauteilkontur sowie der anschließenden Ausformung von Funktionselementen identifiziert. Basierend auf dieser Vorgehensweise wird ferner analysiert, ob die unterschiedlichen Formänderungshistorien zur gezielten Einstellung der Bauteileigenschaften genutzt werden können.
Abschließend wird eine Hybridisierung der Bauteile untersucht. Hierfür wird ein Konzept zur umformtechnischen Paarung von Leichtbauwerkstoffen und höherfesten Werkstoffen ausgearbeitet und hinsichtlich der resultierenden Bauteileigenschaften sowie Reduktion der Umformkraft geprüft.
Aktualisiert: 2021-08-05
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Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein neuer Umformprozess entwickelt, um die Potentiale und Möglichkeiten der BMU zu erweitern und zu erforschen. Im Rahmen der Prozessentwicklung soll ein ganzheitliches Verständnis zur Herstellung eines rotationssymmetrischen, innen- und außenverzahnten Bauteils, ausgehend von einem blechförmigen Halbzeug, geschaffen werden. Es wird dabei die Strategie eines mehrstufigen Prozesses verfolgt, unter der Prämisse wirtschaftlicher Fertigung durch eine möglichst kurze Prozessfolge. Um die Tauglichkeit dieses Prozesses und somit der BMU für industrielle Einsätze zu untersuchen, soll als Verzahnungsart die im Maschinenbau bedeutendste Evolventenverzahnung realisiert werden. Darüber hinaus soll die Verzahnung eine qualitative Bewertung durchlaufen sowie ihre prozessseitigen Grenzen aufgezeigt werden.
Aktualisiert: 2020-11-04
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Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein neuer Umformprozess entwickelt, um die Potentiale und Möglichkeiten der BMU zu erweitern und zu erforschen. Im Rahmen der Prozessentwicklung soll ein ganzheitliches Verständnis zur Herstellung eines rotationssymmetrischen, innen- und außenverzahnten Bauteils, ausgehend von einem blechförmigen Halbzeug, geschaffen werden. Es wird dabei die Strategie eines mehrstufigen Prozesses verfolgt, unter der Prämisse wirtschaftlicher Fertigung durch eine möglichst kurze Prozessfolge. Um die Tauglichkeit dieses Prozesses und somit der BMU für industrielle Einsätze zu untersuchen, soll als Verzahnungsart die im Maschinenbau bedeutendste Evolventenverzahnung realisiert werden. Darüber hinaus soll die Verzahnung eine qualitative Bewertung durchlaufen sowie ihre prozessseitigen Grenzen aufgezeigt werden.
Aktualisiert: 2020-12-17
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Die Dissertation „Der nicht-lineare Weg zum flexiblen Spaltbiegen“ widmet sich der Entwicklung und experimentellen Erprobung des nicht-linearen Massivumformverfahrens flexibles Spaltbiegen. Das beidseitige flexible Spaltbiegen kann das herstellbare Formenspektrum auf integral verzweigte Blechbauteile mit über der Längsachse variablem Verzweigungsverlauf an beliebigen Stellen auf der Blechebene ausweiten. Im Mittelpunkt der Arbeit stehen dabei die Fragen nach der prinzipiellen experimentellen Realisierbarkeit, der Charakterisierung von Mechanismen und Phänomenen im Umformprozess sowie der sicheren Prozessführung und reproduzierbaren Bauteilpositionierung und -führung in einem asymmetrischen, beidseitig nicht-linearen Umformprozess.
Auf Grundlage der Erkenntnisse und Erfahrungen des linearen Spaltbiegens und flexiblen Spaltprofilierens wird die Entwicklung des Prozesses sowie der Werkzeuge für das flexible Spaltbiegen vorgestellt. Die Anforderungen an die vorhandenen Schnittstellen sowie die Optimierungspotentiale, welche aus der Nutzung der Werkzeuge zum flexiblen Spaltprofilieren erkennbar sind, werden berücksichtigt. Die entwickelten Werkzeugsysteme ermöglichen es, Platinen mit vorgebogenem Schenkel entlang einer nicht-linearen Biege- bzw. Verzweigungslinie umzuformen.
Die Verfahrensumsetzung des flexiblen Spaltbiegens erfolgt im beidseitigen Platinenbetrieb mit standardisierten Geometriemerkmalen der Verzweigungslinie. Neben den hervorgebrachten Erkenntnissen, kann durch die Fertigung von symmetrischen geradlinigen sowie nicht-linearen Versuchsbauteilen die fertigungstechnische Realisierbarkeit des flexiblen Spaltbiegens im beidseitigen Prozess nachgewiesen werden.
Aktualisiert: 2020-01-27
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Die Blechmassivumformung ist ein Verfahren zur Herstellung dünnwandiger Bauteile mit aufgedickten Funktionselementen. Dabei stellen die Reibbedingungen auf den Werkzeugoberflächen ein wichtiges Kriterium für die Ausformung der Bauteile dar.
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Applikation von Oberflächenstrukturen auf Werkzeugoberflächen für die Blechmassivumformung. Zur Erzeugung der Oberflächenstrukturen wird das effiziente Verfahren des Hochvorschubfräsens genutzt. Durch die gezielte Auswahl verschiedener Oberflächenstrukturen kann die Reibung auf den Werkzeugoberflächen eingestellt werden, was zu einer Leistungssteigerung im Umformprozess führt.
Aktualisiert: 2022-12-01
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Neue Fertigungstechnologien ermöglichen die Herstellung zunehmend komplexerer Bauteile bei häufig reduzierter Taktzeit und minimiertem Ressourcenbedarf. Um die dadurch generierten wirtschaftlichen Vorteile voll auszuschöpfen, bedarf es möglichst prozessnaher Messsystemlösungen. Auf diese Weise können relevante Merkmale stichprobenartig bereits kurz nach deren Herstellung erfasst und gleichzeitig hierfür notwendige Werkstückhandhabungszeiten minimiert werden. Insbesondere die präzise, ganzheitliche Erfassung von Merkmalen variierender Größe und Form in einer fertigungsnahen Umgebung stellt die aktuelle Messtechnik vor Herausforderungen.
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden daher die grundlagenwissenschaftlichen Erkenntnisse für die fertigungsnahe Auslegung eines Multisensor-Messsystems zur holistischen, mehrskaligen Messung am Beispiel komplexer Bauteile der neuen Fertigungstechnologie "Blechmassivumformung" erarbeitet. Eine eingehende Untersuchung der messtechnisch relevanten Bauteileigenschaften und möglicher Umweltfaktoren bildete die Basis für eine detaillierte Anforderungsanalyse zur Konzeption und Realisierung eines Messsystemaufbaus. Durch die Entwicklung eines Multisensor-Kalibrierverfahrens konnte die Kombination von Sensordatensätzen, ohne auf eine Überlappung der Sensormessbereiche angewiesen zu sein, realisiert werden. In einer abschließenden Leistungsevaluation des prototypischen Messsystems erfolgte nicht nur der Funktionsnachweis für das Kalibrierverfahren, sondern vielmehr wurden in beispielhaften Messreihen die Vorteile mehrskaliger Multisensor-Messungen gegenüber Messung mit einzelnen Sensoren aufgezeigt.
Aktualisiert: 2020-12-08
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Die Fertigung von endkonturnahen Bauteilen hoher Funktionsintegration aus
Blechhalbzeugen mittels einer möglichst geringen Anzahl von Fertigungsschritten
ist eine aktuelle Aufgabenstellung. Eine Herausforderung bei der Fertigung
von asymmetrischen Bauteilen mit horizontal oder schräg angeordneten Nebenformelementen
ist die Entstehung von Prozesskräften, die quer zur Stößelbewegung
wirken. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden anhand von experimentellen
Untersuchungen Kenntnisse über den Einfluss dieser zwischen
dem Pressentisch und Stößel wirkenden Horizontalkräfte auf die resultierende
Stößellage im Raum gewonnen. Am Beispiel eines Umformprozesses wurde
aufgezeigt, wie die Endkontur eines Bauteils durch die resultierende horizontale
Stößelverlagerung, auch Stößelversatz genannt, beeinflusst wird. Ferner
wurde demonstriert, wie dieser Einfluss im Rahmen einer erweiterten numerischen
Prozesssimulation vorhergesagt werden kann. Auf Basis der gewonnenen
Erkenntnisse wurden Rückschlüsse auf die Anforderungen an Pressen bezüglich
der Führungs- und Positioniergenauigkeit des Pressenstößels gezogen. Daraus
wurde abschließend ein Konzept zur maschinenseitigen Sicherstellung der Bauteilqualität abgeleitet.
Aktualisiert: 2019-11-07
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Der Blechmassivumformprozess ist ein neuartiger Fertigungsprozess zur Herstellung komplexer Funktionsbauteile aus Feinblechen. Bei diesem mehrstufigen Umformprozess werden Verfahren der Blech- und der Massivumformung kombiniert. Da es sich um einen Kaltumformprozess handelt, tritt über dem Lastpfad duktile Schädigung auf. Zur Definition der Grenzen der Umformbarkeit und der Restbelastbarkeit können nicht die herkömmlichen Grenzformänderungsdiagramme genutzt werden. Nur numerische Verfahren sind in der Lage, die dreidimensionalen Dehnungszustände korrekt abzubilden. Ein möglicher Ansatz hierfür ist das Schädigungsmodell nach Gurson für das die Eingangsparameter für DC04-Stahl definiert werden. Da Blechwerkstoffe über eine ausgeprägte Textur und damit anisotrope Eigenschaften verfügen, muss die Prozesskette an diese Randbedingungen angepasst werden. Die gezielte Beeinflussung der Blechtextur durch Umformung wird analysiert, um Empfehlungen zur Auslegung für Prozessketten der Blechmassivumformung zu treffen.
Aktualisiert: 2019-10-17
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