Arbeitsgruppe Massivformteile
Die Arbeitsgruppe Massivformteile befasst sich anhand von Verfahren wie z.B. Schmieden und Ringwalzen mit vielfältigen Forschungsschwerpunkten wie Erweiterungen des Geometriespektrums sowie Prozessoptimierungen. Weiterhin werden Modelle zur Abbildung von Massivumformprozessen entwickelt, die z.B. für die Prozessentwicklung, für die Vorhersage und Verbesserung von Bauteileigenschaften sowie für Schulungszwecke genutzt werden können.
Erweiterung des Formenspektrums im Freiformschmieden
Das Freiformschmieden ist ein inkrementelles Massivumformverfahren, welches in erster Linie zur Herstellung langer und gerader Bauteile mit einer simplen Querschnittsgeometrie, wie rund oder quadratisch, genutzt wird. Die Herstellung komplexer Bauteile durch Freiformschmieden erfordert zusätzliche Verfahrensschritte oder kann nur durch einen großen Aufwand an zerspanender Fertigung realisiert werden. Ein neuer Verfahrensansatz ermöglicht die Fertigung komplexer Geometrien durch überlagerte Manipulatorbewegungen während des Schmiedehubs. Durch den plastischen Spannungszustand reichen bereits geringe Kräfte aus, um den Materialfluss hin zur beabsichtigten Zielgeometrie lenken zu können. So wurde dieses Verfahren erfolgreich zur Herstellung gekrümmter sowie tordierter Bauteile aus Stahl und Aluminium auf der Freiformschmiedeanlage des IBF realisiert. Dieser Verfahrensansatz ermöglicht unter Nutzung vorhandener Anlagentechnik eine erhebliche Erweiterung des Geometriespektrums im Freiformschmieden.
Für weitere Informationen wenden Sie sich bitte an Niklas Reinisch.
STOFF – Schnelle Berechnungsmodelle im Freiformschmieden
Das Freiformschmieden ist ein inkrementeller Umformprozess, bei dem die Ausgangsgeometrie in oft mehreren hundert Umformschritten zur Zielgeometrie überführt wird. Die Auslegung von Schmiedeprozessen erfolgt dabei überwiegend erfahrungsbasiert oder auf Grundlage einfacher geometrischer Zusammenhänge. Hiermit ist lediglich eine geometrische Prozessauslegung möglich, die keine Aussagen über die Temperaturführung, die Kerndurchschmiedung sowie die Korngrößenverteilung erlaubt. Da die FEM-Simulation sehr zeitintensiv ist, hat das IBF mit „STOFF“ schnelle Berechnungsmodelle für das Freiformschmieden entwickelt, welche die schnelle Berechnung dieser Zielgrößen ermöglichen. Kombiniert mit einer graphischen Oberfläche kann so eine eigenschaftsbasierte Auslegung und Optimierung von Schmiedeprozessen erfolgen. Zudem bietet sich eine Nutzung zu Lehrzwecken an, da anschaulich die Zusammenhänge zwischen Prozessparametern und resultierenden Bauteileigenschaften analysiert werden können.
Für weitere Informationen wenden Sie sich bitte an Niklas Reinisch.
Online-Assistenzsystem für das Freiformschmieden
Beim Freiformschmieden ist ein kontrollierter Prozessverlauf von großer Bedeutung für die Bauteilqualität. Während des Schmiedeprozesses ist es allerdings nicht möglich, die entscheidenden Eigenschaften wie die Korngröße, die Vergleichsformänderung sowie das Temperaturfeld im Bauteil zu messen. Daher ist es bei unerwarteten Abweichungen vom geplanten Prozessablauf für den Bediener nicht möglich, die Auswirkungen auf die Prozesszielgrößen sinnvoll zu bewerten und die Weiterführung des Prozesses im Hinblick auf die Zielgrößen vorzunehmen. Aufgrund dieser Problematik besteht ein Forschungsschwerpunkt am IBF in der Entwicklung eines Assistenzsystems für das Freiformschmieden, welches unter Nutzung schneller Prozessmodelle für Formänderung, Temperatur sowie Korngröße die Bewertung der Bauteilqualität aus messbaren Prozessgrößen ermöglicht. Hiermit soll langfristig die Vision einer autonomen Prozessregelung für das Freiformschmieden realisiert werden. Dabei erfolgt die Ertüchtigung der IBF-Schmiedepresse als Demonstratoranlage.
Für weitere Informationen wenden Sie sich bitte an Nikhil Jagtap.
Prozessoptimierung im Freiformschmieden durch Reinforcement Learning
Im Freiformschmieden gibt es häufig hunderte verschiedene Prozessrouten, die zwar zur gleichen finalen Werkstückgeometrie führen sich aber zum Beispiel hinsichtlich ihrer Dauer oder der erzielten Werkstoffeigenschaften unterscheiden. Folglich ist eine optimierte Prozessauslegung und langfristig eine Regelung des Freiformschmiedeprozesses unerlässlich. Daher wird am IBF der Einsatz von Reinforcement Learning (RL) Algorithmen zur Auslegung von optimierten Freiformschmiedeprozessen untersucht. In ersten Arbeiten wurden bereits erfolgreich RL Algorithmen mit schnellen Prozessmodellen gekoppelt und auf die Auslegung von Stichplänen zum möglichst effizienten Schmieden (gewünschte Endgeometrie einstellen, Anlagenkraft ausnutzen und Stichanzahl senken) trainiert. Da RL Algorithmen auch den Vorteil bieten nach einem Trainingsprozess sehr schnell einzelne optimierte Lösungen zu finden, sollen diese zukünftig auch für die Regelung der Mikrostruktur im Freiformschmieden zum Einsatz kommen.
Für weitere Informationen wenden Sie sich bitte an Niklas Reinisch.
Schließen von Hohlstellen im Freiformschmieden
Die großen Rohblöcke für das Freiformschmieden werden meist durch Blockguss hergestellt. Trotz Maßnahmen zur Verbesserung der Gießqualitäten lassen sich Gussfehler wie z.B. Lunker, Gasblasen und Poren nicht vollständig vermeiden. Eines der Ziele des Freiformschmiedens ist es daher, neben der Einstellung der Zielgeometrie und der Überführung des Gussgefüges in ein homogenes Umformgefüge, diese Poren zu schließen und zu verschweißen, wobei der Erfolg wesentlich von der Prozessführung abhängt. Bis heute werden in den Lieferspezifikationen von Schmiedeunternehmen erheblich erfahrungsbasierte Sicherheitsfaktoren berücksichtigt, die ein sicheres Schließen und Verschweißen der Poren garantieren sollen. Um kürzere und effizientere Prozessketten auszulegen, hat das IBF daher mit Hilfe der Finiten-Elemente (FEM) und Schmiedeversuchen ein zuverlässiges Kriterium zur Beschreibung des Porenschlusses beim Freiformschmieden entwickelt. Dabei werden sowohl die beim Freiformschmieden wechselnden Belastungsrichtungen als auch die auftretenden Scherungen berücksichtigt.
Für weitere Informationen wenden Sie sich bitte an Moritz Gouverneur.
Einflussgrößen Werkstoffschädigung beim Freiformschmieden
Das Freiformschmieden ist ein inkrementelles Massivumformverfahren, das sich zur Herstellung mechanisch hochbelasteter Bauteile eignet. Dafür eingesetzte hochentwickelte Werkstoffe erfordern zur schädigungsfreien Fertigung eine präzise Prozessführung, die z.B. ein enges Temperaturfenster einhält. Rückmeldungen aus der Industrie zeigen jedoch, dass Bauteilausfälle durch Risse teilweise nicht reproduzierbar auftreten, sodass Prozessschwankungen als Ursache vermutet werden. Um den daraus resultierenden wirtschaftlichen Mehraufwand zukünftig zu reduzieren, sollen in einem AiF-Forschungsvorhaben des IBF die Ursachen der Werkstoffschädigung beim Freiformschmieden systematisch untersucht werden. Durch eine umfangreiche Bestandsaufnahme, Schmiedesimulationen und Experimente soll ein bestehendes Schädigungskriterium zur Anwendung beim Freiformschmieden bei höheren Temperaturen erweitert werden. Mit diesem kann die Prozesskette bewertet und ein allgemeines Prozessverständnis aufgebaut werden.
Für weitere Informationen wenden Sie sich bitte an Moritz Gouverneur.
Freiformschmieden von Hohlwellen
Im Zuge der steigenden Bedeutung erneuerbarer Energien ist der Anteil der Energieerzeugung durch Windkraft in den vergangenen Jahren stark angestiegen. Die Effizienzsteigerung der Anlagen ist dabei insbesondere durch eine steigende Anlagengröße realisiert worden. Dabei erfordert die Leistung der Anlagen von bis zu 6 MW die Nutzung größerer Generatoren, welche die Umwandlung in elektrische Energie vornehmen. Dies führt zu steigendem Gewicht des Maschinenhauses und so zu deutlich massiveren Gesamtkonstruktionen. Ein Ansatzpunkt zur Realisierung von Leichtbau besteht darin, die üblicherweise gegossene durch eine geschmiedete Hohlwelle mit deutlich besseren mechanischen Eigenschaften zu ersetzen. Gegenüber einer gegossenen Hohlwelle kann durch das Freiformschmieden eine Gewichtsreduktion von 50-60% realisiert werden. Hierzu hat das IBF ein Schmiedeverfahren entwickelt und auf der Schmiedeanlage des IBF umgesetzt, welches unter Berücksichtigung einer optimierten Mikrostruktur das Freiformschmieden innen und außen abgesetzter Hohlwellen ermöglicht.
Für weitere Informationen wenden Sie sich bitte an Niklas Reinisch.
Profilringwalzen
Das Profilieren von ringgewalzten Bauteilen ist ein wichtiger Beitrag zur endkonturnahen Bauteilherstellung mit Hilfe dessen zum einen Zeit in der spanenden Bearbeitung und zum anderen Material eingespart werden kann. Grundsätzlich lassen sich Ringe je nach späterem Anwendungsgebiet auf allen vier Seiten des Querschnitts axial und radial profilieren. Abhängig von der gewählten Art der Profilierung und der Geometrie des Ringes ergeben sich unterschiedliche Schwierigkeiten im Prozess wie zum Beispiel das Erreichen der gewünschten Profilfüllung oder Konizitäten im Querschnitt.
Am Institut für Bildsame Formgebung werden sowohl numerisch als auch experimentell auf dem institutseigenen Ringwalzwerk Strategien entwickelt und erprobt, die einen stabilen Prozess zur Erreichung der gewünschten Endgeomtrie ermöglichen. Hierfür werden sowohl das Werkzeug- und Vorformdesign betrachtet wie auch Anpassungen an der Prozessstrategie selbst durchgeführt.
Für weitere Informationen wenden Sie sich bitte an Mirko Gröper.
Flexibles radiales Ringwalzen zur Herstellung nicht-axialsymmetrischer nahtloser Ringe
Möglichst endkonturnahes Ringwalzen zur Minimierung des Material- und Zerspanungsaufwands hat heute eine erhebliche wirtschaftliche und ökologische Bedeutung. Industriell erzielbare endkonturnahe Ringgeometrien sind bisher ausschließlich rotationssymmetrisch, obwohl auch Anwendungen mit einer in Umfangsrichtung variierenden Volumenverteilung existieren, z.B. exzentrische Ringe mit einem annährend linearen Wanddickenprofil. Diese Bauteile werden bisher je nach Bauteilgröße durch Zerspanung, Gesenkschmieden oder Gießverfahren hergestellt, wobei Nachteile bezüglich Materialaufwand, Prozessflexibilität oder mechanische Eigenschaften hingenommen werden müssen.
Ziel des Projektes ist es, den Ringwalzprozess so weiterzuentwickeln, dass er die endkonturnahe Fertigung exzentrischer Ringgeometrien ermöglicht. Hierdurch kann insbesondere für die Herstellung großer Bauteile Material eingespart werden ohne die Flexibilität des Prozesses oder die Eigenschaften gefertigter Bauteile einzuschränken.
Für weitere Informationen wenden Sie sich bitte an Mirko Gröper.
Untersuchung von Einflussgrößen beim Ringwalzen
Heute kommt dem Ziel, durch endkonturnahes Ringwalzen den Materialaufwand und den Zerspanungsanteil zu minimieren, erhebliche wirtschaftliche und ökologische Bedeutung zu, da nicht nur die Kosten, sondern auch der Energieaufwand maßgeblich von der eingesetzten Materialmenge bestimmt werden. Zum Teil werden in den, unter scheinbar gleichen Bedingungen, gewalzten Ringen nicht reproduzierbare Fehler festgestellt. Diese Fehler können u.a. Risse im Bauteil sein, aber auch eine grobe und/oder ungleichmäßig verteilte Mikrostruktur. In diesem Forschungsprojekt wurden deshalb Einflussgrößen auf die Werkstoffschädigung bei Ringwalzprozessen untersucht. Hierbei wurden schwankungsbehaftete Prozessparameter identifiziert und quantifiziert. Anschließend konnten die so ermittelten Daten auf FEM-Simulationen von Stauch-, Loch-, und Ringwalzprozesse angewendet werden um unter Nutzung von Schädigungsmodellen die Einflüsse der schwankenden Parameter auf die Werkstoffschädigung wiederzugeben. Dabei stellten sich insbesondere die Ringwachsgeschwindigkeit und die Dornwalzengeometrie als maßgebliche Werte für die Werkstoffschädigung beim Ringwalzen heraus. Basierend auf den Ergebnissen des Forschungsprojekts ist es nun möglich die Wahl der Anlage, des Werkzeugs und der Prozesskinematik besser auf das zu erreichende Produkt anzupassen und dementsprechend Material- und Energiekosten in Form von geringeren Aufmaßen und geringerem Ausschuss sowie Nachbearbeitungszeit einzusparen.
Für weitere Informationen wenden Sie sich bitte an Laurenz Kluge.
Ringwalzen von Werkstoffverbunden
Werkstoffverbunde bieten durch Kombination unterschiedlicher Werkstoffe in einem Werkstück die Chance, örtlich unterschiedlichen Anforderungen durch maßgeschneiderte Werkstoffauswahl gerecht zu werden. Schwer zu vereinbarende Anforderungen in Hinsicht auf die mechanischen, thermischen oder chemischen Eigenschaften können so aufgelöst oder durch Kombination hochwertiger mit kostengünstigen Werkstoffen die Bauteilkosten reduziert werden.
Auch für große, nahtlose Ringe besteht das Potential durch Werkstoffverbunde maßgeschneiderte Produkteigenschaften zu realisieren, z.B. harte und verschleißfeste Arbeitsflächen bei duktilem Kern. Ziel des Projekts Verbundringwalzen ist es, die zur Verbundherstellung durch Ringwalzen maßgeblichen Zusammenhänge zwischen Prozessgrößen und Werkstoffeigenschaften durch Simulationen und Experimente zu identifizieren und modellmäßig so zu beschreiben, dass hieraus geeignete Walzstrategien abgeleitet und zulässige Prozessfenster identifiziert werden können.
Für weitere Informationen wenden Sie sich bitte an Laurenz Kluge.