To evaluate the influence of different normal forces and contact temperatures on the frictional behavior of paperboard during the deep drawing process, a new measurement punch was developed to measure the normal force, which induced the friction within the gap between the forming cavity and punch. The resulting dynamic coefficient of friction was calculated and reproduced via a new developed substitute test for the friction measurement device, which was first introduced in Lenske et al. (2017). The normal force within the forming gap during the deep drawing process was influenced by the blankholder force profile, the contact temperature, and the fiber direction. The friction measurements with the substitute test showed a strong dependency between the applied normal force and the dynamic coefficient of friction. Furthermore the frictional behavior was influenced by the contact temperature and the wrinkle formation.

Aufgrund ihrer herausragenden Eigenschaften haben ultrafeinkörnige Werkstoffe, die aus konventionellen normalkörnigen Halbzeugen über eine extrem große Kaltverformung hergestellt wurden, in den letzten zwei Jahrzehnten zunehmend an Bedeutung erlangt. In der vorliegenden Arbeit wird das Fließspannungsverhalten eines Reinaluminiumwerkstoffes (EN AW-1070 – Al99,7) und einer ausscheidungshärtbaren Aluminiumlegierung (EN AW-6060 – AlMgSi) mit Korngrößen von bis zu 660 nm und 310 nm in einem weiten Bereich von Dehnungen und Dehnraten analysiert und mit den zzt. existierenden Modellvorstellungen zu den mikrostrukturellen Abläufen in Verbindung gebracht. Um die Voraussetzung zur Herstellung von ultrafeinkörnigen Werkstoffen zu schaffen, wurden mehrere Werkzeugprototypen für die ECAP-Umformung im Labormaßstab entwickelt und erprobt. Die Untersuchungen zum Fließspannungsverhalten erfolgten anhand von Zug- und Druckversuchen über insgesamt sieben Dekaden der Dehnrate bis in den Bereich der hochdynamischen Belastung von 10^3 s^-1. Die Tests zeigen, dass das Fließspannungsverhalten ultrafeinkörniger Aluminiumwerkstoffe vollständig mithilfe der thermisch aktivierbaren Mechanismen erklärbar ist, wobei Ausscheidungen eine wichtige Rolle spielen. / Because of their exceptional properties ultrafine-grained materials, processed from conventional polycrystalline materials by severe plastic deformation, have gained increasing scientific and industrial interest during the last two decades. Based on the concept of work-hardening for f.c.c. metals the commercially pure aluminium AA1070 (Al99,7 – soft annealed) and the aluminium alloy AA6060 (AlMgSi – peak aged) were investigated. ECAP was used to introduce very high strains and an ultrafine-grained microstructure with grain sizes down to 660 nm and 310 nm. Subsequently compression and tensile tests were performed in a wide range of strain rates over seven decades up to the range of impact loading of 10^3 s^-1. The results indicate that strain path and the corresponding dislocation structure is important for the post-ECAP yielding and the following hardening response. Furthermore the precipitates of the AA6060 clearly constrain the interactions of dislocations in work-hardening stage III – causing lower strain rate sensitivity. If compared to the AA1070 they avoid hardening in stage V where an additional rate and temperature depending effect contributes – caused by the interaction of deformation induced vacancies and dislocations. The results indicate that the strain-hardening behavior can be described by thermal activated mechanisms.

Die Produktion verschiedener Arten von Gütern ist im globalen Kontext gesellschaftlicher Entwicklung fortwährend an die Verfügbarkeit von Ressourcen gebunden und durch diese zunehmend begrenzt. In den bis heute entstandenen Wertschöpfungsketten basiert die verlustarme und effiziente Verteilung von Produkten, Zwischenprodukten, Halbzeugen sowie auch Rohstoffen auf den spezifisch auf die jeweiligen Erfordernisse eingestellten Funktionen ihrer Verpackungen. Als Bindeglied in nahezu allen Teilen der Produktion werden die Verpackung und ihre Herstellung innerhalb des mit Abstand größten Teils ihrer Anwendung, den Konsumgüterverpackungen als Beispiel für die Diskussion von Einsatzpotentialen naturfaserbasierter Materialien verwendet. Die Habilitationsschrift stellt die Ausgangssituation in der weltweiten Konsumgüterproduktion und Ressourcenverfügbarkeit dar und ordnet die Position naturfaserbasierter Packmittel in diese ein. Es werden Technologien zur Formgebung naturfaserbasierter Materialien zu Packmitteln zusammenfassend dargestellt. Die Ziehtechnik wird im Speziellen in Form eines Leitfadens in ihren Wirkmechanismen und Prozessvarianten sowie in Bezug auf ihre technische Umsetzung dargestellt. Es werden Beispiele konkreter Anwendungsmöglichkeiten diskutiert.

Die Produktion verschiedener Arten von Gütern ist im globalen Kontext gesellschaftlicher Entwicklung fortwährend an die Verfügbarkeit von Ressourcen gebunden und durch diese zunehmend begrenzt. In den bis heute entstandenen Wertschöpfungsketten basiert die verlustarme und effiziente Verteilung von Produkten, Zwischenprodukten, Halbzeugen sowie auch Rohstoffen auf den spezifisch auf die jeweiligen Erfordernisse eingestellten Funktionen ihrer Verpackungen. Als Bindeglied in nahezu allen Teilen der Produktion werden die Verpackung und ihre Herstellung innerhalb des mit Abstand größten Teils ihrer Anwendung, den Konsumgüterverpackungen als Beispiel für die Diskussion von Einsatzpotentialen naturfaserbasierter Materialien verwendet. Die Habilitationsschrift stellt die Ausgangssituation in der weltweiten Konsumgüterproduktion und Ressourcenverfügbarkeit dar und ordnet die Position naturfaserbasierter Packmittel in diese ein. Es werden Technologien zur Formgebung naturfaserbasierter Materialien zu Packmitteln zusammenfassend dargestellt. Die Ziehtechnik wird im Speziellen in Form eines Leitfadens in ihren Wirkmechanismen und Prozessvarianten sowie in Bezug auf ihre technische Umsetzung dargestellt. Es werden Beispiele konkreter Anwendungsmöglichkeiten diskutiert.

Aufgrund fluiddynamischer Effekte bei der Schnellerwärmung für die Warmumformung wird die Applikation der Technologie erschwert. Die vorliegende Arbeit thematisiert diesen Effekt und evaluiert die Triebkräfte sowohl numerisch als auch im Experiment. Aufbauend darauf werden Vermeidungsstrategien aufgezeigt und experimentell validiert um eine Verschiebung der Beschichtung zu verhindern. Es können insbesondere die temperatursensitive Marangonikraft als auch die magnethydrodynamische Wirkung der Lorentzkraft bei einer induktiven Erwärmung als Haupttriebkräfte identifiziert werden, die sich aufgrund identischer Kraftvektorrichtungen überlagern und verstärken. Es hat sich gezeigt, dass für den vorliegenden Fall einer 20-30 μm dünnen AlSi-Beschichtung die Marangonikraft gegenüber der Lorentzkraft um einen Faktor von mindestens 68 überwiegt. Ein vergleichbarer Effekt ist auch bei konduktiver Erwärmung zu beobachten. Hinsichtlich möglicher Vermeidungsstrategien einer globalen Beschichtungsverschiebung bietet die Applikation von lokalen Flussbarrieren mittels Laser, Induktion oder Walztexturierung, sowie das Vermeiden einer freien Flüssigkeitsoberfläche durch Aufbringen einer Zusatzbeschichtung, das größte Potential. / The application of fast heating technologies for hot forming is hindered by fluiddynamic effects and a resulting coating shift. Present thesis investigates this effect to evaluate the driving forces numerically as well as experimentally. Based on this evaluation, strategies are developed and investigated to avoid a global displacement of the AlSi-coating. In case of inductive fast heating the main driving force is represented by a superposition of Lorentzian forces as well as surface tension related Marangoni forces with a force vector pointing from hot to cold regions on the blank. The numerical evaluation shows that in case of 20-30 μm thin layers of AlSi the Marangoni force is at least 68 times higher than the Lorentz force and therefore represents the main driving force. A comparable effect is observable in case of conduction heating. Local flow barriers realized by Laser, inductive heating or texturing as well as the avoidance of a free liquid-surface due to application of additional coating layers show huge potential to prevent a global coating flow.

A heating technology was combined with forming processes to enlarge the formable channel depth of metallic bipolar plates in two process routes. To apply a rapid heating process, electrical resistance heating was chosen and integrated into a forming tool. With a hot forming as well as a two-stage forming process with annealing, two different process routes are presented. According to the results, the technology of resistance heating is well suited for the improvement of the formable channel depth. For both process routes, an increase in forming depth was demonstrated. In hot forming, the channel depth could be improved by up to 50% depending on geometrical parameters of the tool as well as the state of temperature of the sheet. / Zur Vergrößerung der umformbaren Kanaltiefe von metallischen Bipolarplatten wurde eine Erwärmungstechnologie mit dem Umformprozess kombiniert. Zur Anwendung eines schnellen Erwärmungsprozesses wurde die elektrische Widerstandserwärmung gewählt und in ein Umformwerkzeug integriert. Mit der Warmumformung sowie einem zweistufigen Umformprozess mit Zwischenglühen wurden zwei unterschiedliche Prozessrouten analysiert. Die Ergebnisse zeigen, dass die Technologie der Widerstandserwärmung für eine Verbesserung der umformbaren Kanaltiefe geeignet ist. Für beide Prozessrouten konnte eine Erhöhung der Umformtiefe nachgewiesen werden. Bei der Warmumformung konnte die Kanaltiefe in Abhängigkeit der geometrischen Parameter des Werkzeugs sowie des Temperaturzustands des Blechs um bis zu 50% verbessert werden.

Themenschwerpunkte: Moderne Walzstraßenkonzeptionen für neue Umformtechnologien und TMB-Strategien zur Herstellung von Walzdraht, Rechnergestützte Kalibrierung und Stichplanauslegung, Neue Technologien und Anlagen zum Ziehen von Draht, Anlagen und Technologien zur Wärmebehandlung von Draht, Umformtechnologien für neue Drahtwerkstoffe und Legierungen für Hochleistungsanwendungen, Prozessüberwachung und Qualitätssicherung in Prozessen der Drahtherstellung und -weiterverarbeitung, Mathematische Beschreibung der Umformprozesse und des Werkstoffverhaltens bei der Drahterzeugung und Weiterverarbeitung von Draht zu Anwendungen mit hohem Anforderungsprofil / Conference topics: Modern rolling plant concepts for new forming technologies and thermo-mechanical treatment of rolled wires, Computer-aided roll-pass design and pass schedule development, New technologies and equipments for wire drawing, Systems and technologies for the heat treatment of wire forming technologies for new alloys and materials accounting for high-demand wire applications, Process monitoring and quality assurance in wire production and processing, Mathematical modelling of the deformation process and material behaviour during wire production, Post-processing of wire for high-demand applications, and Wire-based additive manufacturing

Drückwalzen als inkrementelles Umformverfahren ist aufgrund seiner Verfahrenscharakteristik mit sehr hohen Rechenzeiten bei der Finite-Elemente-Methode (FEM) verbunden. Die Modelle ModIni und FloSim sind zwei analytisch-elementare Ansätze, um dieser Prämisse entgegenzuwirken. Das für ModIni entwickelte Geometriemodell wird in der vorliegenden Arbeit weiterentwickelt, so dass eine werkstoffunabhängige Berechnung der Staugeometrie ermöglicht wird und ein deutlich größeres Anwendungsspektrum der Methode bereitsteht. Die Simulationsmethode FloSim basiert auf dem oberen Schrankenverfahren und ermöglicht somit eine Berechnung von Zylinderdrückwalzprozessen innerhalb weniger Minuten. Für die Optimierung der Methode FloSim wurden in der vorliegenden Arbeit die analytischen Grundlagen für die Berechnung der Bauteillänge sowie der Umformzonentemperatur während des Prozesses erarbeitet. Weiterhin wurde auf Basis von numerisch realisierten Parameteranalysen ein Ansatz für die analytische Berechnung des Vergleichsumformgrades von Drückwalzprozessen entwickelt. Diese drei Ansätze, zu Bauteillänge, Temperatur und Umformgrad wurden in die Simulationssoftware FloSim integriert und führen zu einer deutlichen Genauigkeitssteigerung der Methode. / Flow Forming as incremental forming process is connected with extreme long computation times for Finite-Element-Analyses. ModIni and FloSim are two analytical/elementary models to antagonize this situation. The geometry model, which was developed for ModIni, is improved within the presented work. The improvement enables the material independent computation of the pile-up geometry and permits a wider application scope of ModIni. The simulation method FloSim is based on the upper bound method, which enables the computation of cylindrical Flow Forming processes within minutes. For the optimization of the method FloSim, the basics for the analytical computation of the workpiece length during the process and the computation of the forming zone temperature were developed within this work. Fur-thermore, an analytical approach for the computation of the equivalent plastic strain of cylindrical Flow Forming processes was developed based on numerical parameter analyses. This tree approaches for computing the workpiece length, the temperature and the equivalent plastic strain were integrated in FloSim and lead to an increased accuracy.

Aktuelle gesellschaftliche und politische Forderungen an die Produktionstechnik wie Nachhaltigkeit und Klimaschutz können bei der Fertigung flächiger Bauteile durch innovative Blechumformverfahren erreicht werden. Durch geschickte Kombinationen von inkrementellen und elektromagnetischen Fertigungsverfahren besteht hier besonders großes Potential. Aus diesem Grund wird im Rahmen dieser Arbeit die Erweiterung der elektromagnetischen Umformung um einen inkrementellen Ansatz untersucht. Dazu wird ein geeigneter Versuchsaufbau entwickelt und für eine ausführliche Prozessanalyse genutzt. Zusätzlich werden effiziente numerische Prozessmodelle entwickelt um eine schnelle Bestimmung weiterer Prozessgrößen zu ermöglichen. Im Ergebnis resultieren Hinweise mit denen das neuartige Verfahren auf beliebige Bauteile angewendet werden kann.

Die Anwendungsmöglichkeiten und Potenziale des temperierten Innenhochdruck-Umformens mit flüssigen Wirkmedien (T-IHU) von Rohren aus verschiedenen Magnesium- und Aluminiumknetlegierungen werden in der vorliegenden Arbeit aufgezeigt. Neben der Werkstoff- und Halbzeugcharakterisierung, der Auslegung von temperierten Innenhochdruck-Umformanlagen und –werkzeugen, den Thermografiemessungen am Halbzeug unter Realbedingungen und der Verifizierung der Simulationsergebnisse des T-IHU-Werkzeuges war der inhaltliche Schwerpunkt die systematische experimentelle Bestimmung der maximalen Umfangserweiterung ∆u_max in Anhängigkeit von der Umformtemperatur ϑ_u, dem Werkstoff und der Wanddicke s₀ im Temperaturbereich von 22°C bis 300°C an drei Versuchsgeometrien T-Stück, Zylinder und Quader bei Innendrücken bis 800 bar. Neben dem Einfluss der Prozessparameter, der Werkstoff- und Halbzeugeigenschaften und der Ausgangswanddicke wurde der signifikante Einfluss der Umformtemperatur und der Umformgeometrie auf die erreichbaren Umfangserweiterungen herausgearbeitet und systematisch dargestellt. Es wurden Umfangsdehnungen von bis zu 120 % (bei ϑ_u = 300°C) erzielt. Die experimentelle Bestimmung der minimal auszuformenden Bauteilaußenradien erfolgte unter Anwendung der statistischen Versuchsplanung. Aus den Regressionsgleichungen wurde eine neue Berechnungsgleichung für den maximalen Innendruck p_imax generiert. Durch die Verifikation dieser Gleichung konnte die hohe Genauigkeit bei der Vorausberechnung des erforderlichen Innendruckes bei einem vorgegebenen minimalen Bauteilaußenradius R_min in Abhängigkeit von der Zugfestigkeit R_m als f (Umformtemperatur) und der Wanddicke s₀ nachgewiesen werden. Die Auslegung der T-IHU-Werkzeug- und Anlagentechnik kann damit wesentlich genauer er­folgen. Durch die Bauteilanalysen nach dem T-IHU-Prozess konnten die hohe Maß- und Formgenauigkeit und die hohe und gleichmäßigere Oberflächengüte nachgewiesen werden. Trotz der beginnenden dynamischen Rekristallisation lag bei allen Versuchswerkstoffen eine Erhöhung der Werkstofffestigkeit in der Umformzone vor. Bei den Untersuchungen bzgl. des T-IHU des Realbauteiles „PKW-Querträger vorn“ konnten die Kenntnisse der Grundlagenuntersuchungen auf ein komplex geformtes Realteil übertragen und erweitert werden. Es zeigte sich, dass der Einsatz von T-IHU-Magnesiumbauteilen ein erhebliches Potenzial für weitere Gewichtsreduzierungen von Leichtbaukonstruktionen besitzt. / This paper presents the potential applications of temperature-supported hydroforming of various magnesium and aluminium alloy tubes using active liquid media. It includes details of material and semi-finished product characterisation, the design of temperature-supported hydroforming equipment and tools, thermography measurements on the semi-finished product under real conditions and verification of simulation results for the temperature-supported hydroforming tool. The main focus, however, was the systematic, experimental approach to determining the maximum increase in perimeter ∆u_max as a function of the forming temperature ϑ_u, the material and the wall thickness s₀ in the temperature range 22°C to 300°C for three trial geometries (T‑piece, cylinder and cuboid) at internal pressures of up to 800 bar. In addition to studying the effect of process parameters, material properties, semi-finished product characteristics and initial wall thickness, the paper also presents the finding that forming temperature and forming geometry have a significant impact on achievable increases in perimeter. Perimeter expansions of up to 120 % were attained (at ϑ_u = 300°C). Statistically designed experiments were used to determine the minimum component outside-radii to undergo the forming process. A new equation for calculating the maximum internal pressure p_imax was generated from regression equations. By verifying this equation, it was possible to demonstrate the high level of accuracy in predicting the internal pressure required for a given minimum component outside-radius R_min as a function of the tensile strength R_m as f(forming temperature) and of the wall thickness s₀. This means that the temperature-supported hydroforming tool and system equipment can be designed far more accurately. Component analyses after the temperature-supported hydroforming process demonstrated the high level of dimensional and geometrical accuracy and the high quality and more consistent surface finish. Despite the onset of dynamic re-crystallisation, the strength of the material was increased in the forming zone in all the materials tested. The knowledge gained from researching the fundamental principles was applied to a real component with a complex shape in studies of temperature-supported hydroforming of the "front car cross-member", which provided further useful insights. It was found that the use of temperature-supported hydroforming magnesium components has considerable potential for further weight reduction in lightweight constructions.