Auslegung einer Prozessroute für das Thixo-Schmieden metallischer Rohrhalbzeuge unter Berücksichtigung der auftretenden Materialströmungen

Abstract

Am Institut für Umformtechnik (IFU) der Universität Stuttgart werden seit mehr als zwanzig Jahren Forschungsarbeiten auf dem Gebiet der Formgebung im teilflüssigen Materialzustand durchgeführt. Bei den hierbei untersuchten Formgebungsverfahren, insbesondere der Verfahrensvariante Thixo-Schmieden, werden metallische Rohteile zunächst induktiv in den Temperaturbereich zwischen der Solidus- und der Liquiduslinie erwärmt und anschließend mithilfe einer hydraulischen Hochgeschwindigkeitspresse geformt. Nach der Erwärmung weisen die teigigen, aber dennoch formstabilen Metallhalbzeuge Flüssigphasenanteile zwischen 30 % und 50 % auf und besitzen hervorragende Fließeigenschaften. Diese Fließeigenschaften erlauben die Herstellung komplexer, endkonturnaher Bauteile mit mechanischen Eigenschaften, die annähernd mit denen von Schmiedeteilen vergleichbar sind, mittels eines einzigen Formgebungsschritts. Darüber hinaus ist es aufgrund der für das Thixo-Schmieden charakteristischen Fließeigenschaften teilflüssiger Metallwerkstoffe möglich, sowohl neuartige Metalllegierungen mit immer höheren Festigkeiten und/oder Härtegraden zu verarbeiten, als auch Hybrid- und Verbundbauteile herzustellen. Diese prozesstechnischen Vorteile qualifizieren das Thixo-Schmieden in besonderem Maße dafür, die stetig zunehmenden Produktionsanforderungen, die unter anderem durch die Energie und Rohstoffverknappung, die fortschreitenden Produktindividualisierung sowie den ansteigenden Leichtbautrend bedingt sind, zu erfüllen. Trotzdem besteht bei den produzierenden Unternehmen der metallverarbeitenden Industrie bis heute nur eine geringe Akzeptanz gegenüber diesem Formgebungsverfahren. Ein wesentlicher Grund für diese geringe Akzeptanz liegt in der relativ komplexen Prozessführung sowohl bei der Rohteilerwärmung als auch bei der anschließenden Formgebung der teilflüssigen Metallwerkstoffe, sodass meist ein umfangreiches Expertenwissen zur Einstellung der idealen Anlagenparameter erforderlich ist. Ein weiterer Grund besteht in der hohen Sensibilität des Thixo-Schmiedens gegenüber prozesstechnischen Randbedingungen wie Rohteil- und Werkzeugtemperaturen sowie Stößel- bzw. Fließgeschwindigkeiten. Diese müssen relativ genau bestimmt und eingehalten werden, um eine möglichst hohe Prozesssicherheit zu gewährleisten. Vor diesem Hintergrund bestand die wesentliche Zielsetzung der in dieser Arbeit dargestellten Forschungsaktivitäten darin, die Konkurrenzfähigkeit des Thixo-Schmiedens gegenüber konventionellen Schmiede- und Gießverfahren zu steigern und somit einen Beitrag zu leisten, das Verfahren als Fertigungsalternative für produzierende Unternehmen der Metallindustrie attraktiver zu machen. Hierfür wurden im Rahmen der Auslegung einer Prozessroute für das Thixo-Schmieden metallischer Rohrhalbzeuge Maßnahmen zur Erhöhung der Prozessrobustheit sowie zur Vereinfachung der Prozessführung umgesetzt. Zudem wurden potentielle Anwendungsmöglichkeiten des Verfahrens dargestellt, mit denen den beschriebenen Produktionsanforderungen zukünftig noch besser begegnet werden kann. Im Einzelnen wurden dabei die nachfolgend zusammengefassten Forschungsinhalte bearbeitet. Zunächst wurde im Rahmen experimenteller Untersuchungen zur induktiven Erwärmung metallischer Rohrhalbzeuge in den teilflüssigen Materialzustand gezeigt, dass der Einfluss des bei der induktiven Erwärmung auftretenden Skin-Effekts durch den Einsatz von rohrförmigen anstelle von zylindrischen Rohteilen vernachlässigbar gering wird. Daraus resultierend konnte die Rohteilerwärmung für rohrförmige Halbzeuge im Vergleich zu Vollkörpern robuster gestaltet und die Ermittlung der hierfür erforderlichen Anlagenparameter vereinfacht werden. Ein weiterer Beitrag zur Erhöhung der Prozesssicherheit konnte mit dieser Arbeit durch die Optimierung der simulativen Prozessauslegung im Hinblick auf die Vorhersage kritischer Materialströmungen geleistet werden. Diese Optimierung wurde im Wesentlichen durch die Entwicklung eines neuen Viskositätsmodells erreicht. Mit diesem Modell wurden einphasige Formfüllsimulationen aufgebaut, mit deren Hilfe prozessbedingt auftretende, kritische Materialströmungen beim Thixo-Schmieden und dadurch zu erwartende Bauteilfehler prognostiziert werden konnten. Zudem konnten anhand dieser Simulationen Aussagen darüber getroffen werden, ob diese kritischen Materialströmungen durch eine frühzeitige Erstarrung oder durch einen inhomogenen, instabilen Materialfluss des teilflüssigen Metallwerkstoffes bedingt sein würden. Die Simulationsergebnisse wurden mithilfe von realen Formgebungsversuchen validiert und somit die Eignung des neu entwickelten Viskositätsmodells im Hinblick auf eine verbesserte simulative Auslegung des betrachteten Thixo-Schmiedeprozesses nachgewiesen. Für die Versuche wurde ein modulares Formgebungswerkzeug konstruiert und angefertigt, welches die kostengünstige Herstellung verschiedener rotationssymmetrischer, hohler Bauteilformen mit im Wesentlichen fertigen Funktionsflächen ermöglichte. Mit diesem Werkzeug wurden des Weiteren Formgebungsversuche durchgeführt, mit welchen die Potentiale des Thixo-Schmiedens hinsichtlich der Herstellung von hohlen Leichtbauteilen aus Werkstoffen mit erhöhten Festigkeits- bzw. Härtewerten sowie der ressourceneffizienten Wiederverwertung von Metallspänen aufgezeigt werden konnte. Mit diesen abschließenden Formgebungsversuchen wurde schlussendlich nachgewiesen, dass mit dem betrachteten Thixo-Schmiedeprozess insbesondere für Nischenanwendungen eine material- und ressourceneffiziente Fertigungsalternative zu den etablierten Schmiede- und Gießverfahren besteht.