Zugl.: Darmstadt, Techn. Univ., Diss., 2009

Zur Umsetzung von Leichtbaukonzepten erlangen vor allem Magnesium-Knetlegierungen eine immer größere Bedeutung. Aufgrund deren eingeschränkter Umformeigenschaften bei Raumtemperatur kann die Formgebung allerdings nur bei erhöhten Temperaturen erfolgen. In der vorliegenden Arbeit wurde versucht, derzeit bestehende Wissensdefizite hinsichtlich der Auslegung von temperierten Tiefziehwerkzeugen abzubauen. Dabei standen neben der Gestaltung der thermischen Einbauten des Umformwerkzeuges auch Untersuchungen zu den Auswirkungen der beheizten Werkzeuge auf die Umformmaschine im Blickfeld. So wird z.B. geklärt, wie durch eine thermische Trennung von beheiztem Werkzeug und Umformmaschine ein störungsfreier Betriebsablauf des Umformprozesses sichergestellt werden kann. Einen weiteren Schwerpunkt der Arbeit bildeten Untersuchungen zur Kontakt-Wärmeübertragung zwischen Stahl und der Magnesiumlegierung MgAl3Zn1, um Aussagen zur erforderlichen Aufheizzeit des Magnesiumbleches möglich zu machen.

Die steigende Bedeutung des Leichtbaus in der modernen Fahrzeugtechnik stellt stetig neue technologische Herausforderungen an die Hersteller. Dabei rückt die Entwicklung neuer energetisch effizienter Herstellungsverfahren sowie geeigneter Werkstoffe immer weiter in den Vordergrund. In der vorliegenden Arbeit wird die Entwicklung eines zukunftsorientierten kombinierten Gieß-Umformverfahrens zur Herstellung hochfester Aluminiumbauteile, z.B. für die Automobilindustrie, vorangetrieben. Die Anwendung aushärtbarer Aluminiumlegierungen, insbesondere mit höheren Siliziumgehalten, wird betrachtet. Der Schwerpunkt der Arbeit liegt in der Ermittlung und Begründung günstiger Prozessbedingungen für einzelne Prozessschritte von Aluminiumbauteilen (Gießen, Umformen, Warm-, bzw. Kaltauslagern) im Zusammenhang mit dem Siliziumgehalt der Legierung. Die Übertragung der gewonnenen Erkenntnisse auf die Verhältnisse des kombinierten Gieß-Umformverfahrens in einen industrienahen Maß-stab stellte ein weiteres Ziel der Arbeit dar.

Techn. Universiẗat, Habil.-Schr.--Cottbus, 2007.

Für die Herstellung von Kunststoffformteilen, z.B. Verpackungen, Komponenten für Haushaltsgeräte, Automobil- oder Medizinbranche, werden aufgrund von Mikrostrukturen, neuen sowie hybriden Materialien und dem zunehmenden Kostendruck steigende Anforderungen an das Formteil, das Verfahren und den Prozess gestellt. Entsprechende Technologien zur Verbesserung des Umformprozesses stehen vor der Markteinführung oder werden derzeit entwickelt. Aufgrund des damit einhergehenden Anstiegs der Technologiekomplexität werden zunehmend Material- und Prozessmodelle eingesetzt. Die dienen der Technologieentwicklung, der Optimierung des Prozesses und bilden eine Hilfestellung bei der Inbetriebnahme. Ein Schwerpunkt und eine Herausforderung ist dabei die Materialmodellierung. Während des Umformens ins Werkzeug beim Thermoformen treten verschiedene Effekte auf: z. B. Dehnung und Verschiebung der Polymerketten, Bildung von amorphen und kristallinen Strukturen. Das sich daraus ergebende Verhalten ist durch geeignete Materialmodelle und deren Parametrisierung abzubilden. Ein gängiger Ansatz zur Bestimmung des Materialverhaltens und die damit verbundene Bestimmung der Materialparameter ist die Reverse-Engineering-Methode. Zu diesem Zweck stehen verschiedene Ersatzversuche zur Auswahl, z.B. Membrane-Inflation- Rheometer (MIR), Thermoformen-Material-Charakterisierung (TMC) und uniaxiale sowie biaxiale Zugversuche. Mit Hilfe geeigneter Modelle werden die Parameter entsprechend der experimentellen Daten gefittet. Für die Abbildung des Umformprozesses in einem numerischen Modell ist die Implementierung des Materialmodells in ein Prozessmodell notwendig. Um quantitative und qualitative Aussagen zur Übereinstimmung des numerischen Modells mit dem tatsächlichen Umformprozess zu erhalten, ist stets eine Validierung notwendig, indem experimentelle Simulationen durchgeführt und anhand ausgewählter Zielgrößen analysiert und den numerischen Ergebnissen gegenübergestellt werden. Zu diesem Zweck stehen verschiedene neue Messmethoden zur Verfügung, z.B. GEWAND, OCT, Hall-Effekt-Dickenmesser.

Um die wirtschaftliche Relevanz und die Flexibilität des Formdrückens zu erweitern, ist ein Maschinen- und Steuerungskonzept entwickelt worden, dass auch die Herstellung von nichtrotationssymmetrischen Bauteilen erlaubt. Neben experimentellen Untersuchungen zur Verfahrensentwicklung wurde ebenfalls eine numerische Verfahrensoptimierung des neu entwickelten Prozesses „Unrunddrücken“ durchgeführt, um unrunde Bauteile falten- und rissfrei sowie mit geringer Blechdickenreduktion herstellen zu können. In ersten experimentellen Untersuchungen wurden die technologischen Haupteinflussgrößen auf die Versagensformen Falten- und Rissbildung sowie die Blechausdünung ermittelt. Aufbauend auf diesen Ergebnissen ist ein kalibriertes Simulationsmodell erarbeitet worden, mit dem es möglich ist, das Prozessverständnis zu erhöhen und somit die Versagensfälle ganzheitlich über den Prozess zu betrachten. Die daraus gewonnenen Erkenntnisse wurden genutzt, um Optimierungsmaßnahmen für das Unrunddrücken abzuleiten. Es konnte experimentell nachgewiesen werden, dass sowohl die Falten- und Rissbildung als auch die Blechdickenreduktion durch die Optimierungsmaßnahmen deutlich reduziert werden können. Das in der vorliegenden Arbeit entwickelte Verfahren des Unrunddrückens stellt einen effizienten, kostengünstigen und vor allem flexiblen Fertigungsprozess für die Herstellung von nichtrotationssymmetrischen Bauteilen mit nahezu konstantem Blechdickenverlauf dar.

Gewebeverstärkte Thermoplaste lassen sich durch Thermoformen zu räumlich gekrümmten Bauteilen verarbeiten. Durch die eingehende Analyse des Thermoformvorgangs konnte die Einsicht in die parallel verlaufenden Teilprozesse verstärkt werden. Interlaminare Scherung, der Wärmeaustausch und die Reibvorgänge zwischen Laminat und Werkzeug und die Stempeldeformationen werden eingehend experimentell untersucht. Für die Untersuchung der Reibverhältnisse zwischen Laminat und Werkzeug und des interlaminaren Gleitens werden neue Versuchsanordnungen vorgestellt. Außerdem wurden theoretische Modelle hinsichtlich ihrer Eignung zur Beschreibung dieser Effekte untersucht und gegebenenfalls angepasst. Durch die Aufteilung des Gesamtprozesses in zeitliche Phasen und die Entkopplung der physikalischen Vorgänge in der Beschreibung konnte ein Ansatz zur mathematischen Beschreibung des Gesamtprozesses gefunden werden, der für eine Implementierung in Simulationsprogrammen geeignet erscheint. Aus den gewonnenen Erkenntnissen werden praktische Schlussfolgerungen für die Gestaltung von Werkzeugen und Prozessen abgeleitet.

Ein Großteil der Rechenzeit von FEM-Simulationen des Drückwalzens wird für die Berechnung der Anlaufphase, bis zum Erreichen des quasistationären Zu-standes, benötigt. Im Rahmen dieses Projektes wurde ein Berechnungsmodell namens „ModIni“ (Modified Initial Values) zur Bestimmung der geometrischen Kennwerte des quasistationären Zustandes entwickelt. Hierfür wurden Praxisversuche mit dem Werkstoff 42CrMo4 durchgeführt, um die charakteristischen Kennwerte der Geometrie der Umformzone des quasi-stationären Zustandes zu ermitteln. Gleichzeitig wurde so eine Datenbasis für die Entwicklung des Berechnungsmodells und die spätere simulative Verifizie-rung geschaffen. Zusätzlich zu den in diesem Projekt erzielten Versuchser-gebnissen konnte auf Daten aus einem vorangegangenen Projekt der Profes-sur des SPP1074 „Erweiterung der Formgebungsgrenzen von Umformprozes-sen“ für den Werkstoff 100Cr6 zurückgegriffen werden. Das Modell selbst besteht aus allgemeinen Geometriegleichungen mit werk-stoffspezifischen Faktoren, die aus Praxisversuchen ermittelt werden müssen. Die Modellgleichungen der beiden untersuchten Werkstoffe wurden in ein pa-rametergesteuertes Pro/E - Modell implementiert, so dass die Aufbereitung der Werkstückgeometrie für die Simulation unkompliziert realisiert werden kann. Durch die Verwendung dieser Geometrie als modifiziertem Anfangswert in der Simulation kann die Rechenzeit für die Anlaufphase deutlich verkürzt werden. Es konnte sowohl mit dem Simulationsprogramm simufact.formingSFM als auch mit FORGE eine Reduzierung der Rechenzeit, bis zum tatsächlichen quasistationären Zustand, nachgewiesen werden.

Für die Herstellung von Kunststoffformteilen, z.B. Verpackungen, Komponenten für Haushaltsgeräte, Automobil- oder Medizinbranche, werden aufgrund von Mikrostrukturen, neuen sowie hybriden Materialien und dem zunehmenden Kostendruck steigende Anforderungen an das Formteil, das Verfahren und den Prozess gestellt. Entsprechende Technologien zur Verbesserung des Umformprozesses stehen vor der Markteinführung oder werden derzeit entwickelt. Aufgrund des damit einhergehenden Anstiegs der Technologiekomplexität werden zunehmend Material- und Prozessmodelle eingesetzt. Die dienen der Technologieentwicklung, der Optimierung des Prozesses und bilden eine Hilfestellung bei der Inbetriebnahme. Ein Schwerpunkt und eine Herausforderung ist dabei die Materialmodellierung. Während des Umformens ins Werkzeug beim Thermoformen treten verschiedene Effekte auf: z. B. Dehnung und Verschiebung der Polymerketten, Bildung von amorphen und kristallinen Strukturen. Das sich daraus ergebende Verhalten ist durch geeignete Materialmodelle und deren Parametrisierung abzubilden. Ein gängiger Ansatz zur Bestimmung des Materialverhaltens und die damit verbundene Bestimmung der Materialparameter ist die Reverse-Engineering-Methode. Zu diesem Zweck stehen verschiedene Ersatzversuche zur Auswahl, z.B. Membrane-Inflation- Rheometer (MIR), Thermoformen-Material-Charakterisierung (TMC) und uniaxiale sowie biaxiale Zugversuche. Mit Hilfe geeigneter Modelle werden die Parameter entsprechend der experimentellen Daten gefittet. Für die Abbildung des Umformprozesses in einem numerischen Modell ist die Implementierung des Materialmodells in ein Prozessmodell notwendig. Um quantitative und qualitative Aussagen zur Übereinstimmung des numerischen Modells mit dem tatsächlichen Umformprozess zu erhalten, ist stets eine Validierung notwendig, indem experimentelle Simulationen durchgeführt und anhand ausgewählter Zielgrößen analysiert und den numerischen Ergebnissen gegenübergestellt werden. Zu diesem Zweck stehen verschiedene neue Messmethoden zur Verfügung, z.B. GEWAND, OCT, Hall-Effekt-Dickenmesser.

The book summarises the results of the DFG-funded coordinated priority programme \"Fast Algorithms for Material Specific Process Chain Design and Analysis in Metal Forming\". In the first part it includes articles which provide a general introduction and overview on the field of process modeling in metal forming. The second part collates the reports from all projects included in the priority programme.