Prozessentwicklung zur Herstellung stoffschlüssiger Hybridbauteile auf Basis der Formgebung im teilflüssigen Zustand

Abstract

Seit nunmehr zwanzig Jahren werden am Institut für Umformtechnik (IFU) der Universität Stuttgart Forschungsarbeiten auf dem Gebiet der Formgebung im teilflüssigen Zustand durchgeführt. Bei diesen Formgebungsverfahren liegen die zu verarbeitenden metallischen Werkstoffe in einem Temperaturbereich zwischen Solidus- und Liquidustemperatur der jeweiligen Legierung vor. In diesem Zustand besitzen diese Werkstoffe hervorragende Fließeigenschaften, wodurch komplexe Bauteilkonturen in einem Formgebungsschritt mit near-net-shape Qualität geformt werden können. Erste Forschungsarbeiten in den 2000er-Jahren am IFU befassten sich mit der grundlegenden Verfahrensentwicklung in Bezug auf die induktive Erwärmung der Halbzeuge und der darauffolgenden Formgebung durch experimentelle Untersuchungen [1]-[3]. Anschließend folgten Forschungsarbeiten zur numerischen Abbildung des Formgebungsvorgangs und die Erweiterung des Verfahrens auf die Formgebung hochschmelzender Werkstoffsysteme sowie die Herstellung von Hybrid- bzw. Verbundbauteilen [4]-[6]. Diese vielfältigen Anwendungspotentiale der Formgebung im teilflüssigen Zustand ermöglichen es, den stetig steigenden Anforderungen an die Produktionstechnik zu begegnen. Denn aufgrund steigender Energie- und Rohstoffpreise und immer schärferen Umweltschutzauflagen in Europa kommt dem Leichtbau im allgemeinen Maschinenbau und insbesondere im Mobilitätssektor eine immer größere Bedeutung zu. Die Anforderung an die metallverarbeitende Industrie lautet heute, Fertigungsverfahren und die herzustellenden Bauteile möglichst energie- und ressourceneffizient auszulegen. Ein Lösungsansatz besteht darin, Komponenten, welche im Betrieb komplexen Funktions- und Belastungsprofilen mit lokal unterschiedlichen Beanspruchungen in einzelnen Bauteilbereichen ausgesetzt sind, durch eine Kombination unterschiedlicher Werkstoffe, d. h. hybrid, auszuführen. Solche Hybridbauteile können z. B. durch die Kombination von verschleißresistenten Werkstoffen im Randbereich mit zähen Werkstoffen im Kernbereich erzeugt werden. Die so erzeugten Hybridbauteile besitzen das Potential, unterschiedlichste Belastungsanforderungen an das Bauteil erfüllen zu können. Eine besondere Herausforderung ergibt sich für solche Hybridbauteile in der Gestaltung des Übergangsbereichs zwischen den innerhalb des Bauteilvolumens verwendeten Werkstoffen. So ergibt sich für die Erzeugung eines stoffschlüssigen Übergangsbereichs zwischen diesen Teilvolumina die spezifisch höchste Herausforderung an geeignete Fertigungsverfahren. Diese Problemstellungen eines möglichst homogenen stoffschlüssigen Übergangsbereichs zwischen den beiden Verbundpartnern für solche Hybridbauteile konnte mit den bisher bekannten Fertigungsverfahren noch nicht zufriedenstellend gelöst werden. Ein Ansatz zur Lösung dieser Problemstellung liegt in der Erweiterung der konventionellen Verfahrensgrenzen des Thixoschmiedens hin zum Hybrid-Thixoschmieden. Dabei werden hybride Halbzeuge gemeinsam induktiv bis in den teilflüssigen Zustand erwärmt und nach der Erwärmung zu einem hybriden Bauteil geformt. Zur Herstellung solcher Metall-Metall-Verbundbauteile mittels Hybrid-Thixoschmieden fehlen zum heutigen Zeitpunkt wesentliche Verfahrensgrundlagen. Diese werden jedoch in Zukunft wichtig, um die Funktionalität solcher Komponenten in Kombination mit Leichtbau und Materialeffizienz im Maschinen- und Anlagenbau oder im Mobilitätssektor merklich zu erhöhen. Vor diesem Hintergrund besteht die wesentliche Zielsetzung der im Rahmen dieser Arbeit vorgestellten Forschungsaktivitäten in der Prozessentwicklung des Hybrid-Thixoschmiedens zur Herstellung metallischer Hybridbauteile mit einer stoffschlüssigen Übergangszone zwischen beiden Verbundpartnern. Der Schwerpunkt der Arbeit liegt auf der Entwicklung geeigneter Erwärmungskonzepte für solche hybriden Halbzeuge anhand experimentellen Untersuchungen und der Entwicklung geeigneter numerischer Methoden zur Prozesssimulation des Hybrid-Thixoschmiedens. Zunächst wurden die eingesetzten Versuchswerkstoffe dazu umfassend im Hinblick auf die physikalischen Stoffeigenschaften im teilflüssigen Zustand charakterisiert. Insbesondere die thermischen und elektrischen Kennwerte erfahren eine starke Änderung in diesem Temperaturbereich und beeinflussen somit maßgeblich den Erwärmungs- und den Formgebungsprozess. Diese Materialparameter dienten als Eingangswerte für die neu entwickelte numerische Simulationsmethodik zur Abbildung der Formgebung im teilflüssigen Zustand. Diese Simulationsmethodik, bestehend aus einer zweistufigen Simulation aus induktiver Erwärmung und anschließender Formgebung, wurde zunächst für monolithische Werkstoffe entwickelt. Hier konnte aufgezeigt werden, dass durch diese neuartige Simulationsmethodik mit Berücksichtigung der induktiven Erwärmung eine verbesserte numerische Prozessauslegung mit erhöhter Abbildegenauigkeit im Vergleich zu den bisher eingesetzten numerischen Methoden besitzt. Diese erhöhte Abbildegenauigkeit konnte mittels experimenteller Erwärmungs- und Formgebungsversuche nachgewiesen werden. Anschließend erfolgte eine Übertragung dieser neu entwickelten Simulationsmethodik auf das Hybrid-Thixoschmieden und somit die Möglichkeit der zuverlässigen Abbildung von induktiver Erwärmung und die anschließender Formgebung von hybriden Halbzeugen. Im Anschluss an die numerische Prozessentwicklung erfolgte die experimentelle Herstellung von Hybridbauteilen mittels Hybrid-Thixoschmieden. Anhand dieser experimentellen Untersuchungen konnten die numerischen Modelle validiert und vollständig ausgeformte Hybridbauteile erzeugt werden. Die anschließende Analyse des Übergangsbereichs dieser Hybridbauteile konnte einen vollständigen stoffschlüssigen Übergangsbereich zwischen den Verbundpartnern nachweisen. Weiterhin wurde das Verfahren auf komplexere Bauteilstrukturen und weitere Werkstoffkombinationen übertragen. Durch diesen Übertrag konnte aufgezeiggt werden, dass mit dem Hybrid-Thixoschmieden ein Fertigungsverfahren zur Herstellung stoffschlüssiger Hybridbauteile besteht, um den Anforderungen an energie- und ressourceneffiziente Fertigungsverfahren und Bauteile gerecht zu werden.