Arbeitsgruppe Massivformteile

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Stefan Günther

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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

Biegeschmieden durch Überlagerung von Pressen- und Manipulatorbewegung Urheberrecht: IBF Biegeschmieden durch Überlagerung von Pressen- und Manipulatorbewegung

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 Paul Hibbe.

  Biegereckschmieden
 
 

STOFF – Schnelle Berechnungsmodelle im Freiformschmieden

Erweiterte Informationen zum Schmiedeprozess durch schnelle Modelle Urheberrecht: IBF Erweiterte Informationen zum Schmiedeprozess durch schnelle Modelle

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 Fridtjof Rudolph.

 
STOFF - Schnelle Schmiedemodelle für Prozessauslegung
STOFF - Schnelle Schmiedemodelle für Prozessauslegung
 
 

Online-Assistenzsystem für das Freiformschmieden

Online-Assistenzsystem an der IBF-Schmiedepresse Urheberrecht: IBF Online-Assistenzsystem an der IBF-Schmiedepresse

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 Fridtjof Rudolph.

 
 

Schließen von Hohlstellen im Freiformschmieden

Vergleich des Porenschlusses in Experiment und FEM Urheberrecht: IBF Vergleich des Porenschlusses in Experiment und FEM

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. Das Ziel dieses Forschungsprojektes ist es daher, mit Hilfe der Finiten-Elemente (FEM) in Verbindung mit einem zuverlässigen Kriterium sowohl für das Verschließen als auch das Verschweißen von Poren die Möglichkeit zur kürzeren und effektiveren Prozesskettenauslegung zu schaffen.

Für weitere Informationen wenden Sie sich bitte an Paul Hibbe.

 
 

Freiformschmieden von Hohlwellen

Freiformschmieden einer innenkonturierten Hohlwelle am IBF Urheberrecht: IBF Freiformschmieden einer innenkonturierten Hohlwelle am IBF

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 Paul Hibbe.

 
Schmieden einer Hohlwelle
Schmieden einer Hohlwelle
 
 

Profilringwalzen

Axialwalzspalt während des Axialprofilierprozesses Urheberrecht: IBF Axialwalzspalt während des Axialprofilierprozesses

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 Stefan Günther.

  Ringwalzen eines profilierten Querschnitts
 
 

Flexibles radiales Ringwalzen zur Herstellung nicht-axialsymmetrischer nahtloser Ringe

Flexibles radiales Ringwalzen Urheberrecht: IBF Flexibles radiales Ringwalzen

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 Stefan Günther.

 
Flexibles Ringwalzen - Exzentrische Ringe
Flexibles Ringwalzen - Exzentrische Ringe
 
 

Untersuchung von Einflussgrößen beim Ringwalzen

Kantenriss bei einem ringgewalzten Bauteil Urheberrecht: IBF Kantenriss bei einem ringgewalzten Bauteil

Das Forschungsprojekt mit dem Titel "Analyse der Einflussfaktoren auf die Werkstoffschädigung bei Ringwalzprozessen " wurde erfolgreich abgeschlossen. Die erzielten Ergebnisse werden im Folgenden kurz zusammenfassend dargestellt:

Das Ringwalzen ist ein Warmmassivumformverfahren zur Herstellung nahtloser Ringe. 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. Da insbesondere das Auftreten von Rissen scheinbar zufällig festgestellt wird, müssen oft große Zugaben hingenommen werden, um kosten- und zeitintensive Ausfälle ganzer Ringe auf ein Minimum zu beschränken. In der Regel basieren diese Aufmaße auf Erfahrungswerten und sind größer als eigentlich notwendig. In diesem Forschungsprojekt wurden deshalb Einflussgrößen auf die Werkstoffschädigung bei Ringwalzprozessen untersucht. Dafür wurden in einem ersten Schritt umfassende Datenaufnahmen in den Unternehmen des Projektbegleitenden Ausschusses durchgeführt. 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.

  Logo der Fördergeber

Das Vorhaben (IGF Nr. 19316) wurde vom Verein der Eisenhüttenleute (VDEh) unterstützt und von der AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

Alle Arbeiten und Ergebnisse sind ausführlich im Abschlussbericht dargestellt. Dieser kann unter Bezug auf die IGF Nr. 19316 bei der Forschungsvereinigung VDEh angefordert werden.

 
 

Ringwalzen von Werkstoffverbunden

Verbundring nach dem Auftrennen. Außen: 1.4401, Innen: 1.7335 Urheberrecht: IBF Verbundring nach dem Auftrennen. Außen: 1.4401, Innen: 1.7335

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 Stefan Günther.