Das Thermoformen, umgangssprachlich auch als Tiefziehen bezeichnet, stellt neben dem Spritzguss ein zentrales Verfahren zur Herstellung formstabiler Verpackungen aus Folien dar. Vorrangig werden Produkte des alltäglichen Bedarfs wie Verpackungen für Lebensmittel, Pharmazeutika oder technische Produkte hergestellt. Aber auch technische Bauteile wie z.B. Gehäuse von Elektrogeräten, Verkleidungsteile von Fahrzeugen oder zunehmend auch Komponenten für die Biotechnologie, bspw. Gehäuse oder permeable Membranen. Allein die weltweite Nachfrage nach formstabilen Kunststoffverpackungen lag im Jahr 2010 bei einem Marktvolumen von 144 Mrd. $. Bei einer jährlichen Wachstumsrate von durchschnittlich 6% wird erwartet, dass die Nachfrage bis zum Jahr 2016 auf bis zu 200 Mrd. US$ ansteigt (Aranca 2012). In Europa werden jährlich ca. 12 Mrd. thermogeformte Verpackungen hergestellt. Der Anteil thermogeformter Produktverpackungen lag dabei im Jahr 2011 bei ca. 10%. Durch die weltweit steigende Nachfrage nach Kunststoffverpackungen, insbesondere aber durch die ökonomisch vorteilhaften Eigenschaften des Thermoformprozesses gegenüber anderen Herstellungsverfahren der Kunststoffverarbeitung, wird erwartet, dass der Anteil thermogeformter Produktverpackungen bis zum Jahr 2019 auf ein Marktvolumen von 17 Mrd. $ anwächst (ReportsnReports 2012 & ReportLinker 2014). [... aus der Einleitung]

Um die wirtschaftliche Relevanz von Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen (PEM-FC) als alternatives Antriebskonzept zu stärken, befasst sich die vorliegende Arbeit mit der umformtechnischen Fertigung der metallischen Bipolarplatte als eine der benötigten Teilkomponenten. Bipolarplatten werden in hoher Stückzahl innerhalb von Brennstoffzellenstapeln benötigt und sind aufgrund der hohen geometrischen, physikalischen und chemischen Anforderungen einer der wesentlichen Kostentreiber. Zur Senkung der Produktions- und Stückkosten bei der Herstellung von Bipolarplatten liegt der Fokus der Arbeit darin einen Beitrag zur Lösung damit verbundener Herausforderungen zu leisten. Zunächst erfolgte dazu die Entwicklung eines schnellen und flexiblen numerischen Berechnungsmodells zum Tiefziehen eines 0,1 mm dicken aus 1.4404-Edelstahl gefertigten Vorversuchsmusters. Die Basis bildete ein Vergleich mehrerer Modellaufbauten in verschiedenen umformtechnischen FE-Programmen. Durch eine umfassende Materialcharakterisierung und die Verifikation mit experimentellen Versuchen sowie dem Einsatz eines daraufhin entwickelten Sicherheitsfaktors gelang die Auswahl des bestmöglich geeigneten Setups. Mit Hilfe des kalibrierten numerischen Berechnungsmodells konnte die Optimierung der Fertigung des Vorversuchsmusters und nachfolgend die Überführung in die Herstellung eines als mögliche Bipolarplatte funktionsfähigen Forschungsfunktionsmusters umgesetzt werden. Da die Qualität des Bauteils im wesentlichen Maße vom verwendeten Halbzeug abhängt, erfolgte anschließend die Analyse der Auswirkung bei der Verwendung verschiedener Gefügezustände des bereits vorab genutzten 1.4404-Edelstahls. Die durch die Größeneffekte in Wechselwirkung auftretenden Mechanismen bei der Umformung von Halbzeugen der Dicke 0,1 mm wurden mit einem breiten Spektrum von Analyseverfahren wie Röntgendiffraktometrie und Elektronenrückstreubeugung untersucht. Basierend auf den Ergebnissen erfolgte die Auswahl eines für die Fertigung metallischer Bipolarplatten verbesserten Halbzeugzustands, welcher dem aktuell eingesetzten Standard-Ausgangszustand widerspricht. Als finaler Forschungsgegenstand erfolgte der erstmalige Einsatz des Walzformverfahres zur Herstellung relevanter abgeschlossener Bipolarplatten-Kanalstrukturen. Die numerische und experimentelle Umsetzung und die darauf aufbauende Optimierung einer kontinuierlichen Bipolarplattenfertigung zeigt im experimentellen Maßstab ein hohes Potential für eine wirtschaftliche Umsetzung in der Serienfertigung. Die innerhalb der Arbeit erlangten Ergebnisse ermöglichen zusammen einen weiteren Schritt zur Steigerung der Wirtschaftlichkeit bei der Herstellung von Bipolarplatten und somit ferner von PEM-Brennstoffzellen. / To strengthen the economical relevance of polymer electrolyte membrane fuel cells (PEM-FC) as an alternative drive solution, this doctoral thesis deals with the manufacturing of metallic bipolar plates by forming. Bipolar plates are required in a high amount within fuel cell stacks and the enhanced geometrical, physical and chemical demands make them to one of the most costly parts. To decrease the production costs and the costs per unit, the purpose of the thesis is a contribution to finding a solution for the related challenges. At first, the development of a fast and flexible numerical calculation tool for the deep drawing of preliminary test samples made from 316L-foils with a thickness of 0.1 mm was conducted. The fundamentals were set through a comparison between multiple model setups within different finite-element programs which are specialized in forming operations. With the help of a comprehensive material characterization and the verification with experimental tests as well as the development of a safety factor, the most suitable model was chosen. With the calibrated numerical model the process of forming the preliminary test samples was optimized followed by the transfer of the findings to the manufacturing process of an enhanced test sample which includes all of the functionalities as they can be found within operable bipolar plates. As the quality of the manufactured parts essentially depends on the used semi-finished product, an evaluation of effects caused by variating microstructures from the previously used 316L stainless steel was implemented. The specific mechanisms which appear during the forming process of 0.1 mm metal foils and which were caused by size effects were characterized by a wide spectrum of analytical methods like X-ray diffraction and electron backscatter diffraction. Based on the results an optimized initial state of the semi-finished product was determined, which contradicts the state of the art that is currently being used for the forming of metallic bipolar plates. The final object of research was conducted with the first-time application of a roll-forming process to produce geometrical relevant closed bipolar plate channel contours. The numerical and experimental tests followed by an optimization of the continuous bipolar plate rolling show a high potential for an economical realization of a series production. The results gained from this thesis enable a further step towards an increase of economic efficiency in the production of metallic bipolar plates and further PEM fuel cells.

In this publication, the ultrasonic-assisted deep-drawing of fiber-based materials, whose implementation was presented in Löwe et al. (2016), was studied in detail. Methods were developed for measuring the properties of deep-drawn cups, including cup stability, shape deviation, and surface quality. The relationship between these properties and the process parameters were determined with a design of experiment, which allows the user to adjust the cup properties in order to optimize them.

Bisherige Bemühungen zur Reduzierung der Rückfederung von Blechbauteilen begrenzten sich hauptsächlich auf die Gestaltung der letzten Formgebungsstufe. In der vorliegenden Arbeit wird ein innovativer Ansatz zur Erhöhung der Maßhaltigkeit durch die Modifikation der Vorziehstufe untersucht. Dabei wird auf Grundlage eines beispielhaften Industriebauteils ein Demonstrator mit einer offenen und einer geschlossenen Kontur entwickelt. Durch die Abbildung der Herstellungsmethode in der Simulation (FEM) lässt sich die Rückfederung beurteilen. Durch die Charakterisierung des Werkstoffverhaltens wird die Qualität der Simulation gesteigert, da die Materialkennwerte (Fließkurve & Grenzformänderungskurve) für die Simulation genauer spezifiziert werden können. Es erfolgt die Variation der Vorziehstufe hinsichtlich geometrischer (Radius & Grad der Vorziehstufe) und prozesstechnischer Parameter (Niederhalterkraft & Schließabstand), sodass nach der Auswertung der Rückfederungsergebnisse Gestaltunghinweise erarbeitet werden. Die Validierung der Simulationsergebnisse wird vorgenommen, indem die Bauteile real hergestellt werden. Dadurch ist es möglich, die Rückfederungen der Simulation und der realen Herstellungsmethode zu vergleichen und die Gestaltungshinweise zu bewerten. / Approaches to reduce springback of sheet metal parts are mainly focused on the last forming stage. This study deals with modifications made on the pre-drawing stage so that an increased dimensional accuracy results. A demonstrator with an open and a closed contour is developed based on an exemplary industrial part. The assessment of springback is conducted by incorporating the manufacturing method into simulation (FEM). To increase the quality of the simulation the characterization of materials is set and hence more information about material properties (flow curve and forming limit curve) is specified. Variations of geometric (radius & proportion of pre-drawing stage) and process parameters (blankholder force & closing distance) are made which purpose the development of design guidelines after evaluation. The simulation results are validated by producing real sheet metal parts. The design guidelines will be feasible/can be assessed if the comparison of the springback results converges between simulation and reality.

The geometrical limits of the deep drawing process of paper to advanced shapes are not known. This report examines the technological limits of convex elements of the base shape in relation to the drawing height and shows the material behavior in the bottom radius of 3D shapes with regard to special material properties. In the bottom radius, non-compressed wrinkles occurred due to the in-plane compression, but wrinkles were reduced by an increased blank holder force or tool temperatures and improved extensibility or in-plane compressive strain. The forming ratio during deep drawing (drawing height related to base diameter) was increased to a value of more than 1 by a blank holder force, which increased with the drawing height such that the initial blank holder force was reduced concurrently. Straight sections in the base shape reduced the risk for ruptures in the edge radii of rectangular shapes, producing a forming ratio in these radii of 2.5. The forming ratio was further supported by a pattern of creasing lines at the blanks with a radial orientation and a number near the expected maximum number of wrinkles. The spring-back at rectangular shapes mainly depended on the drawing height and edge radius.

Die vorliegende Arbeit hat die Entwicklung und Umsetzung einer graphischen Benutzeroberfläche zur Erprobung von Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Prozessparametern beim Tiefziehen von faserbasierten Materialien, wie Papier und Karton, zum Ziel. Nach einer Recherche zum Prozess des Tiefziehens und seiner Modellierung folgt das Erarbeiten von Grundsätzen bei der Erstellung und Gestaltung von graphischen Benutzerschnittstellen. Insbesondere steht dabei die Art der Eingabe von numerischen Parametern und die Visualisierung von Informationen im Vordergrund. Bei der Erstellung des Layouts des Graphical User Interface (GUI) werden die aus der Recherche gewonnenen Erkenntnisse genutzt. Dazu werden alle Anforderungen, die an die Benutzerschnittstelle gestellt werden können, zusammengetragen. Bekannte Annahmen zur Modellierung des Tiefziehprozesses werden aus Vorarbeiten verwendet. So wird innerhalb des Programmcodes der GUI der Stempelkraftverlauf beim Tiefziehen mit seinen charakteristischen Kennwerten erzeugt. Diese Kennwerte werden in einer ausgewählten Darstellungsform auf der Oberfläche für den Nutzer anschaulich präsentiert. Ein Vergleich mit den charakteristischen Werten einer Referenz in der Darstellung erlaubt eine Aussage über die Qualität des zu produzierenden Ziehformteiles. Nach der Implementierung der GUI werden abschließend Potentiale für weiterführende Arbeiten offengelegt. / The aim of this thesis is the development and implementation of a GUI for testing interactions between different process parameters in the deep drawing of fibre based materials such as paper and cardboard. After an investigation of the process of deep drawing and its modelling, the elaboration of principles of the creation and the design of the GUI follows. The main focus concentrates in particular on the type of input of numerical parameters and the visualization of information. Based on the findings from the research, the layout of the GUI is created. To this end, all requirements that can be posed on the user interface are combined. Known assumptions for the modelling of the deep drawing process are used from reliminary work. Thus, within the program code of the interface, the punch force profile during deep drawing is generated with its characteristic values. These characteristic values are displayed in a selected presentation form on the user's surface. A comparison with the characteristic values of a reference in the presentation allows a statement about the quality of the drawing part to be produced. After the implementation of the GUI the potentials for further development are finally disclosed.

Die vorliegende Arbeit hat die Entwicklung und Validierung eines Analysealgorithmus zur objektiven Auswertung der Materialverteilung entlang der Zarge an gezogenen Karton-formziehteilen zum Ziel. Die dafür verwendeten Messdaten werden durch Oberflächenab-tastung mit konfokaler Sensorik erzeugt. Unter Anwendung des Analysealgorithmus wer-den die Einflüsse der Prozessparameter auf die Materialverteilung ermittelt. Abschließend wird aus den gewonnenen Daten ein Ansatz zur Berechnung der Werkzeuggeometrie ent-wickelt. Zur Bestimmung der Materialverteilung wird die Zarge beidseitig abgetastet. Aus der Diffe-renz der Radien von Außen- und Innenkontur wird der Dickenverlauf entlang der Zarge bestimmt, die die Materialverteilung beschreibt. Die Messung mit konfokalen Sensoren wird mit mikroskopischen Aufnahmen von Mikrotomschnitten und röntgentomographi-schen Aufnahmen geprüft. Der Mittelwert und die Standardabweichung des Dickenverlaufs charakterisieren die Mate-rialverteilung. Der Analysealgorithmus ermittelt aus den durch Sensoren aufgenommenen Daten die charakteristischen Werte. In der Auswertung zeigt sich, dass eine Höhere Zieh-stempeltemperatur als Ziehbüchsentemperatur sowie eine hohe Temperatursumme die mittlere Dicke verringern. Eine hohe Faltenhalterkraft und eine hohe Stempeltemperatur bewirken eine gleichmäßigere Materialverteilung. Der ermittelte Zusammenhang von der Beeinflussung des Mittelwertes der Dicke mit den Temperaturunterschieden von Stempel und Büchse wird durch ein Modell der thermischen Ausdehnung von Stempel und Büchse belegt. / The present thesis comprises the development and validation of an algorithm for the objec-tive evaluation of data on material distribution alongside the architrave of drawn cardboard shells. The necessary data are obtained through detection of the surface with confocal sensors. The influences of the process parameters on material distribution are investigated with algorithm. Resulting from this data, the basis for the calculation of the tools geometry is developed. The determination of material distribution is accomplished by double-sided optical scanning of the architraves inner and outer surface. The trend of cardboard thickness alongside the architrave is calculated by the subtracion of the inside radius from the outside radius of the cardboard shell. The cardboard thickness describes material distribution. The measures with confocal sensors are approved of examined microtome cuts under microscope and x-ray analyses. Material distribution is characterised by average of the thickness and standard deviation of thickness. The analysis algorithm calculates with sensor data the characteristic values. A higher temprature of the drawing die as the temprature of the drawing box and the sum of temperatures lead to a decrease of the average thickness. The combination of a high die temperature and a high force applied by the blankholder result in a more even material distribution. The identified correlation of average thickness and temperature gradients between the drawing die and the box is discribed by thermal expansion of die and box.

Die Analyse des Standes der Technik zu Simulationsmethoden im Werkzeugentwicklungsprozess zeigt die breiten Bestrebungen ganzheitliche Modelle zur Abbildung der Maschinen- und Werkzeugeigenschaften in der Prozesssimulation zu schaffen um die Werkzeuginbetriebnahme in Zukunft in die virtuelle Welt überführen zu können. Dabei werden die Einflüsse wie die Stößelkippung unter Last, die Durchbiegung der Werkzeugaufspannplatten, die Verformung des Ziehkissens und die elastische Nachgiebigkeit der Werkzeuge separat betrachtet. Es konnte kein Simulationsmodell identifiziert werden, welche alle relevanten Eigenschaften der Werkzeuge und der Maschinen zu einem Gesamtmodell vereint. Zudem fehlten Modellierungsansätze für wesentliche Teilaspekte einer ganzheitlichen Abbildung der Wechselwirkungen von Maschine, Werkzeug und Prozess. Insbesondere ist dabei die systematische Untersuchung zur Abbildung des Pinolentragbildes sowohl örtlich als auch über dem Pressenhub und der versteifende Einfluss der Werkzeugführung zu nennen. Mit der vorliegenden Arbeit konnte ein ganzheitliches FE-Prozessmodell mit den wesentlichen elastischen Eigenschaften der Maschine und der Werkzeuge erstellt werden. Wichtig ist dabei insbesondere die systematische Abbildung relevanter mechanischer Ziehkissenstrukturen als Ersatzmodell und die Integration der tatsächlichen Ziehkissenkraft im Prozessmodell. Bekannte Modellierungsansätze wie z.B. die Abbildung der Kippsteifigkeit des Stößelsystems und die Berücksichtigung der Durchbiegung der Werkzeugaufspannplatten wurden weiterentwickelt und in das Gesamtmodell implementiert. Für jedes Ersatzmodell wurde eine Strategie zur Modellerstellung und zur zweckmäßigen Parametrierung mit dem Ziel eines minimalen Zeit- und Kostenaufwandes vorgeschlagen. Die elastische Modellierung der Werkzeuge wurde mit einer systematischen Vorgehensweise hinterlegt und zeigt bei konsequenter Anwendung signifikant reduzierte Berechnungszeiten. Die Berücksichtigung der Ziehstäbe erfolgt in dieser Arbeit aufgrund der Einschränkungen des verwendeten FE-Solvers als Strukturmodell. Zusätzlich wurde ein Modellierungsansatz vorgestellt, welcher die analytische Berücksichtigung der Ziehstäbe auf elastischen Werkzeugstrukturen ermöglicht. Damit steht jetzt ein Prozessmodell mit den relevanten Maschinen- und Werkzeugeigenschaften zur Verfügung, welches durch eine einfache Parametrierung auf die jeweilige Prozess-Maschinen-Konfiguration angepasst werden kann. Dies ermöglicht eine deutlich genauere Abbildung des Pinolentragbildes, der daraus resultierenden Niederhalterdruckverteilung und damit des Materialeinzuges in die Matrize. Dieses erweiterte Prozessmodell ist damit in der Lage eine virtuelle Inbetriebnahme der Werkzeuge zu unterstützen und in Zukunft eine weitere Verkürzung des Inbetriebnahmeprozesses zu ermöglichen.

The application of the wrinkle measuring method described in Müller et al. (2017) and the subsequent evaluation algorithm of a range of deep-drawn samples were used to determine the influences and interdependencies of blankholder force, tool temperatures, and drawing height on the formation of wrinkles in paperboard. The main influences were identified and quantitatively evaluated. For the given experimental space, a regression function was derived and validated in further experiments. It was shown that a quadratic regression was superior to the previously used linear regression. The findings were discussed and compared with the results of similar experiments from past publications. Special attention was given to the wrinkles formed and the resulting quality of the formed paperboard cups. The restrictions of the data acquisition from the measuring method that was used and limitations of the model were presented to demonstrate the reliability of the results.

The production of paperboard packaging components in fast-running machines requires reliability of the production process. Boundaries for the process parameters and constraints for the geometry of the tools require investigation to determine dependable configurations. This paper aimed to investigate the relationships between process parameters, tool geometry, and the occurrence of rupture in the deep-drawing process of paperboard. Different types of ruptures in various phases of the process were distinguished and linked to their specific cause. An extensive experimental investigation with multiple variables of influence was conducted. A logistic regression model was used to describe the experimental data and was statistically validated. The blankholder force was found to be the most influential parameter. Interactions between the parameters blankholder force, punch velocity, and punch diameter were recognized. A high punch velocity can reduce the probability of rupture when the punch diameter is adjusted.