Energietechnik

  Texturentwicklung beim Walzen von Elektroblech Urheberrecht: © IBF

In Hinblick auf Ressourcenschonung ist die Energietechnik ein bedeutender Forschungsbereich. Dabei spielen auch umformtechnisch hergestellte Produkte eine entscheidende Rolle. So haben die Herstellung der Elektrobleche und der Spulenwicklungen für Elektromotoren einen großen Einfluss auf deren Effizienz. Aber auch im Bereich der Turbomaschinen und Windkraftanlagen tragen große metallische Bauteile maßgeblich zur Funktion und Effizienz bei.

Die in diesem Querschnittsbereich verankerten Forschungsthemen sind unterschiedlichen Arbeitsgruppen zugeordnet und werden im Folgenden dargestellt.

 
 

Kaltwalzstrategien zur Herstellung magnetisch optimierter Elektrobleche für energieeffiziente Antriebe

Multiskalen-Modell zur Berechnung der Texturentwicklung beim Kaltwalzen

Eine Möglichkeit zur Steigerung der Effizienz elektrischer Antriebe bietet die Optimierung der magnetischen Eigenschaften des im Magnetkern eingesetzten Elektrobandes. Um den Einfluss von Prozessparametern auf diese Eigenschaften zu quantifizieren und die wissenschaftlich-theoretischen Grundlagen für die Entwicklung verlustarmer Elektrobleche zu schaffen, wird in einer interdisziplinären DFG Forschergruppe, FOR 1897, an einer durchgängigen Prozesskettenmodellierung geforscht. Das IBF beschäftigt sich mit der Untersuchung und Modellierung des Kaltwalzprozesses. Bei der Untersuchung werden unterschiedliche Walzstrategien auf dem Quarto-Kaltwalzwerk und dem Universalwalzwerk erprobt. Bei der Modellierung handelt es sich um ein Multiskalen-Modell, das ein makroskopisches Finite-Elemente-Modell, kurz FEM, und ein mikroskopisches Kristallplastizität-FE Model enthält. Dadurch lässt sich der Einfluss der Walzstrategien und Vormaterialzustände auf die lokale Texturentwicklung im Walzgut ermitteln. Eine Verknüpfung der Teilmodelle ermöglicht die modellgestützte Prozessauslegung für verlustarme Elektrobleche.

Für weitere Informationen wenden Sie sich bitte an Aditya Vuppala .


Bild: Multiskalen-Modell zur Berechnung der Texturentwicklung beim Kaltwalzen, Bildrechte: IBF, IMM
 

Umformtechnisch hergestellte Formspule

Laborwerkzeug der mehrstufigen Stauchumformung

Obgleich bei elektrischen Traktionsantrieben mit Zentralmotor verteilte Windungen elektromagnetische Vorteile aufweisen, stellt der elektrische Radnabenmotor ein Anwendungsbeispiel bei Traktionsantrieben dar, bei dem konzentrierte Windungen zu bevorzugen sind. Aufgrund des in axialer Richtung kompakten Aufbaus konzentrierter Wicklungen in Kombination mit dem stark begrenzten Bauraum kann durch den Einsatz querschnittsvariabler Einzelzahnspulen die maximale Drehmomentdichte des elektrischen Radnabenmotors erhöht werden. Am IBF wurden verschiedene Umformkonzepte zur Herstellung querschnittsvariabler Einzelzahnspulen im Labormaßstab untersucht. Das effektivste Konzept einer mehrstufigen Stauchumformung, bei dem die Spule ausgehend von einer CNC-gebogenen Einzelzahnspule aus Rechteckdraht in mehreren Hüben auf Zielgeometrie mit variabler Querschnittsform geformt wird, wurde in industriellem Umfeld, in enger Zusammenarbeit mit den Projektpartnern, auf Serienreife optimiert.

Für weitere Informationen wenden Sie sich bitte an Daniel Petrell.


Bild: Laborwerkzeug der mehrstufigen Stauchumformung, Bildrechte: IBF
 

Profilringwalzen

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 Mirko Gröper.


Bild: Axialwalzspalt während des Axialprofilierprozesses, Bildrechte: IBF
  Ringwalzen eines profilierten Querschnitts
 
 

Freiformschmieden von Hohlwellen

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 Niklas Reinisch.


Bild: Freiformschmieden einer innenkonturierten Hohlwelle am IBF, Bildrechte: IBF
 
Schmieden einer Hohlwelle
Schmieden einer Hohlwelle
 
 

FE-Simulation mehrstufiger Biegeprozesse

Biegezentrum eines Stanzbiegeautomaten

Die Stanzbiegetechnologie wird genutzt, um komplexe Biegeteile, beispielsweise für die Elektrotechnik, herzustellen. Die Auslegung von Stanzbiegeprozessen erfolgt meist erfahrungsbasiert und wird durch experimentelle Referenzversuche begleitet. Ziel des Kooperationsprojekts mit der Phoenix Feinbau GmbH & Co. KG ist die Erstellung von FE-Modellen zur Beschreibung der Fertigung von Stanzbiegeteilen mit federnden Eigenschaften. Einen Schwerpunkt stellt dabei die Aufbereitung der Materialdaten von hochfesten Federstählen mittels inverser Modellierung unter Biegelast dar. Weiter werden experimentelle Untersuchungen zur korrekten Beschreibung der FE-Randbedingungen durchgeführt. Die erarbeiteten und validierten FE-Modelle werden anschließend genutzt, um unterschiedliche Einflussfaktoren im Stanzbiegeprozess auf das Biegeergebnis zu untersuchen und zu bewerten.

Für weitere Informationen wenden Sie sich bitte an Thomas Bremen.


Bild: Biegezentrum eines Stanzbiegeautomaten, Bildrechte: Phoenix Feinbau GmbH & Co. KG
 
Rückfederungssimulation beim mehrstufigen Biegen
Rückfederungssimulation beim mehrstufigen Biegen