07 Fakultät Konstruktions-, Produktions- und Fahrzeugtechnik
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Item Open Access Beitrag zur Erhöhung der Schnittflächenqualität und des Formänderungsvermögens schergeschnittener Bauteilkanten(Stuttgart : Institut für Umformtechnik, 2023) Senn, Sergei; Liewald, Mathias (Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c., MBA)Die Anforderungen an die Qualität von schergeschnittenen Bauteilkanten haben in den letzten Jahren erheblich zugenommen. Insbesondere in der Elektronikindustrie werden Schnittkanten mit einem möglichst großen Glattschnittanteil gefordert, wobei sie zugleich gratfrei sein und ein hohes verbleibendes Formänderungsvermögen aufweisen sollen. Dieser Trend resultiert aus dem verstärkten Einsatz gestanzter metallischer Produkte in elektronischen Komponenten, wie beispielsweise Kantsteckern oder Leiterplattenhalteklipps, die zur Befestigung von Platinen in Steuergeräten dienen. In diesen Anwendungen sind Bauteilkanten mit Schnittgraten inakzeptabel, da sie während des Produktlebenszyklus, zum Beispiel aufgrund von Vibrationen im Betrieb eines Kraftfahrzeugs, zu Einrissen und Brüchen des Bauteils oder aber auch zu Ablösungen führen können. Dies könnte zu einem Kurzschluss und somit zu einem Ausfall des Produkts führen. Daher ist es insbesondere im Bereich des Stanzens von Elektronikprodukten von entscheidender Bedeutung, dass die Schnittkanten gratfrei sind und hohe Anforderungen an die Schnittflächenqualität erfüllen. Die steigenden Qualitätsanforderungen an schergeschnittene Bauteilkanten in der Elektronikindustrie stehen im Einklang mit dem Bestreben nach immer präziseren und zuverlässigeren Komponenten. Durch die Realisierung von gratfreien Schnittkanten und einer hohen Schnittflächenqualität wird die Funktionalität und Langlebigkeit elektronischer Produkte verbessert. Dies ist von großer Bedeutung, insbesondere in sicherheitskritischen Anwendungen wie der Automobilindustrie, in der Ausfälle aufgrund von fehlerhaften Bauteilen große Rückrufaktionen zu Folge haben können. Um den gestiegenen Qualitätsanforderungen gerecht zu werden, sind Forschungs- und Entwicklungsanstrengungen erforderlich, um neue Schneidverfahren und Werkzeugkonzepte zu entwickeln. Die Vergrößerung des Glattschnittanteils, die Realisierung von gratfreien Schnittkanten und das Beibehalten eines möglichst hohen Formänderungsvermögens bilden dabei entscheidende technologische Aspekte. Durch innovative Technologien und Prozesse können schergeschnittene Bauteilkanten hergestellt werden, die den hohen Qualitätsstandards der Elektronikindustrie gerecht werden und gleichzeitig eine effiziente und zuverlässige Produktion ermöglichen. Diese Arbeit greift das Problem auf und zielt darauf ab, die Schnittflächenqualität von schergeschnittenen Bauteilkanten durch die Induzierung lokaler Druckspannungen zu verbessern. Dies wird durch eine geometrische Modifikation bzw. Neugestaltung der Stempelschneidkanten erreicht. Im ersten Teil der Arbeit wird eine solche Modifikation an einem klassischen Schneidstempel durchgeführt. Dabei wird die Stirnfläche des Stempels stark konkav ausgeformt und nur mit einer relativ kleinen ringförmigen Auflagefläche auf den auszutrennenden Butzen versehen. Durch die Reduzierung der Kontaktfläche werden lokale Druckspannungen in der Scherzone erzeugt, so dass sich während des Schervorgangs ein hinreichend großer Gradient dieser Schubspannungen mit der Bewegungsrichtung des Stempels mitbewegen. Dadurch erfolgt die Rissinitiierung deutlich verzögert, was zu einem höheren Glattschnittanteil und geringerem Kanteneinzug führt. Allerdings ist mit diesem Verfahren keine Gratfreiheit und kein ausreichendes Formänderungsvermögen der Schnittkante erreichbar. Aus diesem Grund wird im zweiten Teil der Arbeit ein zweistufiges Schneidverfahren weiterentwickelt. Dabei erfolgt eine Modifikation der Stempelschneidkante in der Anschneidestufe beim Konterschneiden. Dies ermöglicht die Kombination der Vorteile zweier Verfahren: des Konterschneidens und des Nachschneidens. Beide Verfahren werden in zwei Stufen durchgeführt. Das Konterschneiden ermöglicht gratfreie Bauteile, während das Nachschneiden hohe Glattschnitte mit einem hohen verbleibenden Formänderungsvermögen der Schnittkante ermöglicht. Durch die geometrische Modifikation der Anschneidestufe, beispielsweise durch das Einbringen einer abgesetzten Schneidkante in Kombination mit negativen Schneidspalten beim Anschneiden wird es möglich, beide Verfahren zu kombinieren und ebenfalls senkrechte Druckspannungen in Blechdickenrichtung beim Anschneiden zu erzeugen. Dadurch wird eine Schnittkante erreicht, die gratfrei ist, eine sehr hohe Schnittflächenqualität aufweist und gleichzeitig ein hohes verbleibendes Formänderungsvermögen für nachfolgende Umformvorgänge ermöglicht. Durch die entwickelten Verfahren und deren kombinierter Einsatz wird angestrebt, die Herausforderungen in Bezug auf die Schnittflächenqualität bei schergeschnittenen Bauteilkanten in der Elektronikindustrie zu bewältigen. Durch die Optimierung der Schneidverfahren wird eine präzise Herstellung von Bauteilkanten mit hohen Qualitätsanforderungen ermöglicht, was insbesondere in sicherheitskritischen Anwendungen von großer Bedeutung ist.Item Open Access Biomimetics design of sandwich-structured composites(2023) Kunzmann, Carsten; Aliakbarpour, Hamaseh; Ramezani, MaziarIn the context of energy efficiency and resource scarcity, lightweight construction has gained significant importance. Composite materials, particularly sandwich structures, have emerged as a key area within this field, finding numerous applications in various industries. The exceptional strength-to-weight ratio and the stiffness-to-weight ratio of sandwich structures allow the reduction in mass in components and structures without compromising strength. Among the widely used core designs, the honeycomb pattern, inspired by bee nests, has been extensively employed in the aviation and aerospace industry due to its lightweight and high resistance. The hexagonal cells of the honeycomb structure provide a dense arrangement, enhancing stiffness while reducing weight. However, nature offers a multitude of other structures that have evolved over time and hold great potential for lightweight construction. This paper focuses on the development, modeling, simulation, and testing of lightweight sandwich composites inspired by biological models, following the principles of biomimetics. Initially, natural and resilient design templates are researched and abstracted to create finished core structures. Numerical analysis is then employed to evaluate the structural and mechanical performance of these structures. The most promising designs are subsequently fabricated using 3D printing technology and subjected to three-point bending tests. Carbon-fiber-reinforced nylon filament was used for printing the face sheets, while polylactic acid (PLA+) was used as the core material. A honeycomb-core composite is also simulated and tested for comparative purposes, as it represents an established design in the market. Key properties such as stiffness, load-bearing capacity, and flexibility are assessed to determine the potential of the new core geometries. Several designs demonstrated improved characteristics compared to the honeycomb design, with the developed structures exhibiting a 38% increase in stiffness and an 18% enhancement in maximum load-bearing capacity.Item Open Access Surrogat-Modelle zur Auslegung und Optimierung einhubiger Scherschneidprozesse(Stuttgart : Institut für Umformtechnik, 2024) Schenek, Adrian; Liewald, Mathias (Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c., MBA)Das Scherschneiden zählt zu den wirtschaftlich bedeutenden Fertigungsverfahren in der blechbearbeitenden Industrie. Grund dafür ist, dass nahezu jedes Blechbauteil im Laufe seiner Fertigungskette beschnitten und/oder gelocht wird. Im Zuge der stetig ansteigenden Anforderungen an die Qualität von Blechbauteilen müssen die beim Scherschneiden entstehenden Bauteilkanten heute vermehrt Qualitätsanforderungen wie denjenigen von Bauteilfunktionsflächen entsprechen. In der industriellen Praxis sind derartig hohe Qualitäten von Schnittkanten bzw. -flächen durch einen geringen Kanteneinzug, einen hohen Glattschnittanteil sowie geringe Bruchflächen- und Grathöhen gekennzeichnet. Darüber hinaus ist neben der möglichst hohen Schnittflächenqualität bei der Herstellung von schergeschnittenen Bauteilen auch die Produktivität des verwendeten Verfahrens von entscheidender Bedeutung. Diese Produktivität ist insbesondere durch hohe Ausbringungsmengen, geringe Werkzeugkosten und niedrige Werkzeuginstandhaltungskosten gekennzeichnet. In diesem Zusammenhang zählt das konventionelle Scherschneiden bzw. das Lochen mit einfachwirkenden Pressen zu den produktivsten Schneidverfahren. Nachteilig ist dabei jedoch, dass mit dem konventionellen Scherschneiden nur Schnittkanten mit vergleichsweise groben Toleranzen und maximalen Glattschnittanteilen von bis zu 50 % der Blechdicke erzielt werden können. Sind höhere Bauteilkantenqualitäten erforderlich, so werden bislang Präzisionsschneidverfahren wie Feinschneiden, Genauschneiden oder Nachschneiden eingesetzt. Verglichen mit dem Normalschneiden führt die höhere Werkzeug- und Prozesskomplexität der genannten Präzisionsschneidverfahren jedoch zu deutlich geringeren Ausbringungsmengen und damit zu höheren Bauteilkosten. Vor dem Hintergrund dieser Problemstellungen wurde das Verfahrensprinzip des Hohlschneidens in den vergangenen Jahren am Institut für Umformtechnik (IFU) entwickelt. Das Hohlschneiden stellt ein Sonderschneidverfahren dar, welches sich infolge geometrisch angepasster Lochstempelgeometrien signifikant von Normalschneidprozessen unterscheidet. In Abgrenzung zu konventionell plan geschliffenen Lochstempeln wird die Stempelgeometrie beim Hohlschneiden durch eine stirnseitig angebrachte „Stegbreite“ entlang der Schneidkante des Stempels sowie durch einen sogenannten „Stegwinkel“ definiert. Diese geometrische Anpassung von Lochstempeln bewirkt eine Druckspannungsinduktion in der Scherzone, wodurch die Rissentstehung innerhalb der Scherzone unterdrückt und schließlich eine Glattschnittsteigerung gegenüber dem Normalschneiden erzielt werden kann. Die Motivation des Hohlschneidens besteht demnach darin, Schnittflächen von hoher Qualität zu erzeugen, ohne dass hierfür technologisch aufwendige Werkzeugkonstruktionen wie bei den Sonderschneidverfahren des Fein-, oder Nachschneidens benötigt werden. Das theoretisch hohe wirtschaftliche Anwendungspotential dieses Verfahrens lässt sich dadurch begründen, dass die Steigerung von Schnittflächenqualitäten in bereits bestehenden konventionellen Scherschneidwerkzeugen allein durch den Austausch von Normalschneidstempeln durch Hohlschneidstempel erreicht werden kann. Die der Arbeit zugrundeliegende wissenschaftliche Problemstellung hinsichtlich des Verfahrensprinzips des Hohlschneidens besteht darin, dass Wissensdefizite bezüglich des Zusammenhangs zwischen einzelnen Werkzeugparametern (Stegbreite, Stegwinkel, Schnittlinienführung, Schneidspalt, etc.) sowie Qualitätskenngrößen an den gescherten Blechbauteilrändern vorlagen. Aufgrund mangelnder veröffentlichter Untersuchungsergebnisse existierten bis heute keine mit dem Normalschneiden vergleichbaren Normen, Richtlinien oder Datensätze, die eine entsprechende Werkzeug- bzw. Verfahrensauslegung unterstützen. Als problematisch erwies sich hierbei, dass neben den Parametern des Normalschneidens weitere werkzeugseitige Einflussfaktoren hinsichtlich des Schnittergebnisses zu berücksichtigen sind. Für den Fall solch multidimensionaler Problemstellungen haben sich in den vergangenen Jahren vermehrt datengetriebene Modellierungsansätze des maschinellen Lernens (ML) durchgesetzt. Die Eignung maschineller Lernverfahren für den technologischen Anwendungsbereich des Scherschneidens wurde bislang allerdings nur für spezifische Teilproblemstellungen des Normal- und Feinschneidens nachgewiesen. Diesbezüglich wurden in der Vergangenheit insbesondere Verschleißproblematiken, seltener jedoch qualitätsbezogene Auslegungskriterien für Scherschneidwerkzeuge betrachtet. Die Zielsetzung der vorliegenden Arbeit adressiert die Entwicklung solch datenbasierter Auslegungsmodelle für das Verfahrensprinzip des Hohlschneidens. Eine ausschließlich experimentelle Erprobung unter Praxisbedingungen erschien aufgrund des dafür benötigten Versuchsumfangs als unrealistisch. Die Methode der Surrogat-Modellierung konnte vor diesem Hintergrund als geeigneter Lösungsansatz identifiziert werden. Der grundsätzliche Gedanke hinter der Entwicklung von Surrogat-Modellen besteht darin, auf Basis von Simulationsergebnissen interpolierende bzw. approximierende Ausgleichsfunktionen zur Vorhersage von Zielkenngrößen für einen vorabdefinierten Bereich statistisch verteilter Eingabemerkmale zu ermitteln. Die Ausführungen der vorliegenden Arbeit zeigen, dass höherdimensionale Wirkzusammenhänge zwischen Halbzeug-, Werkzeug- und Schnittflächenparametern des Hohlschneidens von maschinellen Lernalgorithmen auf Grundlage numerischer Daten erlernt und quantifiziert werden können. Unter Verwendung so angelernter ML-Modelle, Methoden der erklärbaren Künstlichen Intelligenz sowie einer differenzierten Betrachtung des in der Scherzone vorherrschenden Spannungszustandes konnte neues explizites und experimentell validierbares Prozesswissen für das Verfahrensprinzip des Hohlschneidens generiert werden. Unter Berücksichtigung dieses so hergeleiteten Prozesswissens ist eine signifikante Verbesserung von Schnittflächenqualitätskenngrößen gegenüber dem Referenzzustand des Normalschneidens gelungen. Die vorliegende Arbeit präsentiert somit eine neuartige systematische Vorgehensweise für die Auslegung und Optimierung einhubiger Scherschneidprozesse.Item Open Access Neuartige Auslegungsverfahren zur Reduzierung der Werkzeugbelastung beim zweistufigen Prägen(Stuttgart : Institut für Umformtechnik, 2024) Weiß, André; Liewald, Mathias (Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c., MBA)Der stetige technologische Fortschritt und die fertigungstechnologischen Innovationen in der Produktion spielen eine Schlüsselrolle, die Effizienz etablierter Technologien in Hochlohnländern radikal zu steigern, um mit Unternehmungen einen Vorteil im agilen globalen Wettbewerb zu erlangen [1]. Umformtechnische Fabrikationsmethoden bieten hierzu eine etablierte, kosteneffiziente und ressourcenschonende Produktionstechnologie, um performante Komponenten in hoher Stückzahl herzustellen [2,3]. Gegenwärtig stellt die begrenzte Gestaltungsmöglichkeit der herzustellenden Geometrie einen bedeutenden und stark limitierenden Faktor für den Einsatz umformtechnischer Produktionsmethoden dar. Exemplarisch können Stirnpassverzahnungen nach aktuellem Stand der Technik umformtechnisch nicht vollständig ausgeformt werden, wodurch eine zerspanende Bearbeitung für eine Vielzahl von Komponenten bislang unumgänglich ist. Das Ziel der vorliegenden wissenschaftlichen Arbeit besteht darin, die bekannten Verfahrensgrenzen der umformtechnischen Herstellung von schwierig auszuformenden Formelementen bedeutend zu erweitern, um die technologischen, wirtschaftlichen und verfahrensspezifischen Vorteile für ein breites Bauteilspektrum zu erschließen. Stirnpassverzahnungen werden zumeist als Kupplungselemente zur Kraft- und Drehmomentübertragung verwendet, wobei die Leistungsfähigkeit dieser Maschinenelemente direkt von der Bauart des Kupplungssystems und der Fertigungsqualität der ineinandergreifenden Kupplungskomponenten abhängt. Aufgrund stetig steigender Anforderungen an die Leistungsfähigkeit von Kupplungselementen wird es in Zukunft nur mit erheblichem Fertigungsaufwand möglich sein, die geforderten Verzahnungsgeometrien mit den bekannten Methoden herzustellen. Damit die wirtschaftliche umformtechnische Herstellung auch zukünftig für Hochleistungskupplungselemente verwendet werden kann, müssen neue Methoden und Verfahren erforscht werden, um die Formfüllung von Verzahnungsgeometrien maßgeblich zu verbessern. Nach aktuellem Stand der Technik werden Stirnpassverzahnungen überwiegend mit einem Prägeverfahren umformtechnisch hergestellt. Charakteristisches Merkmal von Prägeprozessen ist die große Kontaktzone zwischen Werkstück und Werkzeug am Ende des Umformprozesses. Der Werkstoff wird im Prägeprozess von solchen Pressteilen ausschließlich im Bereich der Formelemente plastisch umgeformt. Dabei entstehen große Kontaktzonen ohne Werkstoffrelativbewegung, welche hohe Prozesskräfte und Werkzeugbelastungen am Ende des Prägeprozesses verursachen. Aufgrund der hohen Werkzeugbelastungen am Ende des Prägeprozesses werden die Verzahnungsspitzen in der Praxis nicht vollständig ausgeformt. Um die Formgebung in Prägeprozessen zu verbessern, wurden jedoch bereits diverse Untersuchungen zur Erweiterung der Verfahrensgrenzen von Prägeprozessen durchgeführt. Zumeist wird hierzu eine Vorform zur gezielten Materialvorverteilung vor der Prägestufe in das Werkstück eingeformt. Die aus dem Stand der Technik bekannten Vorformen für Prägeprozesse werden ohne Berücksichtigung der herzustellenden Verzahnung oder Prägegeometrie gestaltet, wobei eine umlaufende Fase am Rohteil die meist genutzte Vorform darstellt. Eine Vorform dieser Bauart bewirkt eine Reduktion des überproportionalen Kraftanstieg am Prozessende, wodurch der Füllgrad der Verzahnungen nur geringfügig gesteigert werden kann. Für die Entwicklungen einer kraftreduzierenden Werkstoffvorverteilung für Prägeprozesse wird aktuell die herzustellende Geometrie für die Konstruktion der Vorform nicht berücksichtigt. Somit kann der Werkstofffluss nicht gezielt in die herzustellende Geometrie geleitet werden, wodurch das volle Potenzial der Werkstück-Werkzeugkontaktreduktion derzeit nicht ausgeschöpft wird. Eine an die Formelemente angepasste Materialvorverteilung bietet das Potenzial, die WerkstückWerkzeugkontaktreduktion bedeutend zu verbessern und damit die Prozesskräfte signifikant zu reduzieren. Diese allgemeine Forschungshypothese wird in der vorliegenden Arbeit dazu verwendet, eine Stirnverzahnungsgeometrie herzustellen, wobei untersucht wird, wie die Materialvorverteilung an die zu fertigende Verzahnung angepasst werden kann, um den Werkstofffluss in der nachfolgenden Prägestufe zu begünstigen. Hierzu wird eine konkretisierte Forschungshypothese aufgestellt: Wird der Werkstück-Stempelkontakt in schwierig auszuformenden Zonen (Zahnspitze) vor dem Kontakt in einfach auszuformenden Zonen (Zahnfuß) erzeugt, kann eine hohe Formfüllung mit geringen Prozesskräften erreicht werden. Basierend auf dieser konkretisierten Forschungshypothese werden in dieser Arbeit zwei Verfahren zur Materialvorverteilung entwickelt: das Free-Divided-Flow- (FDF) und das Pin-to-Gear- (PtG) Verfahren. Im FDF-Verfahren wird das Material einseitig neben der Verzahnung vorverteilt. Hierdurch wird zunächst der Bereich, in welchem das Material vorverteilt wurde, nachfolgend die Verzahnung und abschließend der zweite Bereich neben der Verzahnung ausgeformt. Im PtG-Verfahren wird das Material im Bereich der Verzahnung in einer simplifizierten Geometrie vorverteilt, wodurch zunächst die Verzahnung ausgeformt wird und erst darauffolgend alle angrenzenden Bereiche. Mit beiden Verfahren können die auftretenden Prozesskräfte, im Verhältnis zur konventionellen Formgebung, signifikant reduziert werden. Unter Berücksichtigung einer umformtechnischen Vorformherstellung können die Einsatzgebiete beider vorgestellten Verfahren dargestellt werden: Das FDF-Verfahren eignet sich für die Herstellung von Werkstücken mit großen Abständen zwischen den Einzelzähnen während sich das PtG-Verfahren zur Formgebung von Verzahnungsgeometrien mit hohem Aspektverhältnis eignet. Zur Validierung der Forschungshypothese und zur Analyse der entworfenen Verfahren wird zunächst ein Materialmodell erstellt, um darauf basierend die mehrstufigen FEM-Simulationen der numerischen Verfahrensuntersuchung aufzubauen. Ziel der numerischen Untersuchung ist die Entwicklung einer parametrisierten Vorformgeometrie für beide Verfahren, welche in Abhängigkeit der herzustellenden Verzahnung und ohne weiterführende numerische Simulationen definiert werden kann. Hierzu werden statistische Versuchspläne, Sensitivitätsanalysen, Optimierungsfunktionen und Methoden der Data Analytics angewendet. Zur experimentellen Validierung wird ein Versuchswerkzeug für fünf unterschiedliche Verzahnungen konstruiert und gefertigt (vier Sperrverzahnungen und eine Hirth-Verzahnung). Schwerpunkte der experimentellen Untersuchung stellen die Formfüllungsanalyse, die Maßabweichungsanalyse, die Presskraftanalyse, die Oberflächenrauheitsanalyse, die metallurgische Gefügeanalyse sowie die Analyse der Härteverteilung der Verzahnungsgeometrien dar. In der experimentellen Untersuchung wird im hinteren Teil der Arbeit gezeigt, dass alle Verzahnungsgeometrien beider Verfahren vollständig und ohne Umformfehler ausgeformt werden können. Dabei werden die Verzahnungen sowohl aus dem Einsatzstahl 16MnCrS5 als auch aus dem unlegierten Baustahl C4C mit unterschiedlichen Schmierstoffsystemen im identischen Umformwerkzeug umgeformt. Zur zukünftigen und vereinfachten Verfahrensanwendung werden Konstruktionsrichtlinien verfasst sowie die ermittelten Verfahrensgrenzen des FDF- und des PtG-Verfahrens erläutert. Im Rahmen dieser wissenschaftlichen Arbeit wird mittels unterschiedlicher Verzahnungsgeometrien dargestellt, dass die Prozesskräfte deutlich reduziert und der Formfüllungsgrad bedeutend gesteigert werden können, wenn der Werkstück-Stempelkontakt in der Zahnspitze vor dem Kontakt mit dem Zahnfuß erfolgt. Somit kann die aufgestellte Forschungshypothese am Ende dieser Arbeit mittels numerischer und experimenteller Verfahrensuntersuchungen vollumfänglich validiert werden. Die entwickelten Verfahren erweitern die Verfahrensgrenzen von konventionellen Prägeprozessen signifikant, wodurch zukünftig eine Vielfalt bislang zerspanend hergestellter Verzahnungsgeometrien umformtechnisch und in hoher Qualität gefertigt werden können. Die daraus resultierenden Steigerungen der Produktgestaltungsmöglichkeiten haben überdies eine direkte Auswirkung auf unterschiedliche Fertigungsbereiche entlang der gesamten Prozesskette. Hierdurch werden sowohl die lokal umformenden Fertigungsbetriebe im internationalen Wettbewerb gestärkt als auch ein gesamtwirtschaftlicher Nutzen zur Standortsicherung erwirtschaftet.Item Open Access Beitrag zur Bestimmung der statischen Torsionsfestigkeit von umformgefügten Welle-Nabe-Verbindungen(Stuttgart : Institut für Umformtechnik, 2023) Meißner, Robert; Liewald, Mathias (Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c. MBA)Im sich stetig weiterentwickelnden Mobilitätssektor sind innovative und effiziente Fertigungskonzepte für Bauteile und Komponenten zur Übertragung von Torsionskräften in modernen Fahrzeugen unverzichtbar. Neuartige Konzepte müssen nicht nur die Herstellungskosten verringern, sondern auch die Kohlenstoffemissionen sowohl während der Produktion als auch im Betrieb reduzieren. Für die Übertragung von Torsionskräften werden in Antriebssträngen jeglicher Art Welle-Nabe-Verbindungen eingesetzt. Ein vielversprechendes Fertigungskonzept stellt dafür das Fügen durch Umformen dar. Insbesondere das Verbinden von Wellen und Naben mittels Querfließpressen, in Verbindung mit neuartigen und komplexen Nabenprofilen, ist ein seit langem erforschter Ansatz, um die Produktivität zu steigern. Hierbei lassen sich die Vorteile eines Reibschlusses (Ansprechverhalten unter dynamischer Last) mit denen eines Formschlusses (Übertragung hoher Torsionsmomente) vereinen. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Vorbereitung der Fügepartner durch konventionelle Fertigungstechniken wie Zerspanen oder Kaltumformung erfolgen kann. Anhand von experimentellen Untersuchungen in vorangegangen Arbeiten konnte gezeigt werden, dass die aufnehmbaren Torsionsbelastungen teilweise weit über die Materialgrenzen der Welle hinausgehen können. Bei diesen Untersuchungen zeigte sich, dass nicht die komplexen Nabenprofile der WNV den Schwachpunkt darstellten, sondern ein Torsionsbruch der Welle auftrat. Der Einsatz numerischer Bauteil- und Fertigungsmodelle zur Steigerung der Komponentenleistungsfähigkeit und zur Erschließung weiterer Leichtbaupotenziale sowie die Integration digitaler Entwicklungsaktivitäten geraten bei der Entwicklung neuer Fertigungskonzepte für die Umsetzung einer ganzheitlichen Betrachtung vermehrt in den Fokus. Das Potenzial dieser neuartigen umformgefügten Q-WNV sowie ein erster experimenteller Leistungsnachweis kann den Forschungsarbeiten von Dörr und Funk entnommen werden. Hierbei wurden jedoch bisher noch keine numerischen bzw. analytischen Modelle zur Abbildung der statischen bzw. dynamischen Leistungsfähigkeit entwickelt, noch sind Methoden zur Bestimmung von erreichbaren Torsionsmomenten bekannt, die eine rechnerische Prognose der sicher übertragbaren statischen Torsionsfestigkeit ermöglichen. Die für den statischen Anwendungsfall relevante Kaltverfestigung der Welle wurde bisher nicht untersucht und wird in den heute bekannten Berechnungsvorschriften nicht berücksichtigt. Daher bestand das wissenschaftliche Ziel dieser Arbeit zum einen in der Untersuchung des Einflusses der Kaltverfestigung auf die statische Torsionsfestigkeit von mittels Querfließpressen gefügten WNV. Zum anderen galt es, die Frage zu beantworten, wie sich die durch die Umformung hervorgerufene Kaltverfestigung in die numerische strukturmechanische Belastungsrechnung in Bezug auf Grenzdrehmomente integrieren lässt. Derzeit werden für den Umform- bzw. Fügevorgang und die nachfolgende strukturmechanische Bestimmung der Torsionsfestigkeit in der Entwicklung von Komponenten unterschiedliche physikalische Ansätze angewendet, welche in speziellen FE-Programmen entweder zur Umformsimulation oder zur strukturmechanischen Simulation implementiert sind. Der Einsatz unterschiedlicher Finite-Elemente-Codes erschwert die vollständige Kopplung von Umformprozess und Belastungsanalyse. Daher wird in dieser Arbeit ein ganzheitlicher Ansatz verfolgt, bei dem die Geometrie- und Werkstoffdaten über eine relativ einfache Schnittstelle übertragen werden. Ein weiteres Ziel dieser Arbeit bestand in der Erzeugung von fugendruckhomogenisierten reibschlüssigen Naben zur Erhöhung des Fugendrucks gegenüber konventionellen thermisch gefügten Querpressverbänden bei gleichzeitiger Reduzierung der Spannungsspitzen an den Nabenkanten. Hier galt es, eine Nabenkontur in Wechselwirkung mit dem Werkstofffluss der Welle zu erzeugen, welche eine ballige Außenkontur durch das Querfließpressen beim Fügen aufweist. Um das Ziel dieser Arbeit zu erreichen und die sich daraus abgeleiteten Fragen beantworten zu können, wurde die Baugruppe der WNV in ihren Einzelkomponenten betrachtet. Die systematische Aufteilung ermöglichte die Entwicklung einer Methode zur Integration der Kaltverfestigung in die numerische Torsionsberechnung für WNV. Die Problemstellung dieser Arbeit wurde auf Basis der Erkenntnisse aus dem Stand der Technik hergeleitet (Kapitel 3), konkretisiert und der Forschungsbedarf zunächst an numerischen und experimentellen Untersuchungen zum Vollvorwärtsfließpressen verdeutlicht. Anschließend erfolgte die Betrachtung dieser offenen Fragen zum Umformfügen von WNV mittels Querfließpressen unter der Verwendung von fugendruckbasierten Nabenkonturen. Zur Durchführung dieser Untersuchungen wurden die Werkstoffkennwerte des Naben- und Wellenwerkstoffs ermittelt und die Prüfstände sowie die eingesetzte Messtechnik festgelegt (Kapitel 4). Im Kapitel 5 wurde die Integration der Kaltverfestigung in die numerische Berechnung der statischen Torsionsfestigkeit untersucht, indem der Einfluss der Kaltverfestigung aus dem Fügeprozess herausgelöst und kaltgeformte Wellen durch VVFP hergestellt wurden. Um den Einfluss der Kaltverfestigung auf die erreichbare statische Torsionsfestigkeit von abgesetzten Wellen zu ermitteln, wurden eine Prüfgeometrie und ein Prüfaufbau entwickelt, um fließgepresste und zerspante Wellen statisch zu tordieren. Hierbei wurde eine Steigerung der Torsionsfestigkeit infolge der Kaltverfestigung der im Rahmen dieser Arbeit fließgepressten Wellen von 50 % bis 90 % gegenüber zerspanten Wellen experimentell ermittelt. Um den Einfluss der Kaltverfestigung in der numerischen strukturmechanischen Berechnung der maximal erreichbaren Torsionsfestigkeit zu berücksichtigen, wurde eine Vorgehensweise zur Übertragung numerisch berechneter Eigenspannungen und Dehnungen aus dem Umformprozess entwickelt. Dies ermöglicht den Datentransfer (Geometrie und lokale Bauteileigenschaften) von Deform3DTM (FE-Umformsimulation) zu ANSYS Workbench (FE-Strukturmechaniksimulation). Für diesen Bauteil- und Werkstoffdatentransfer wurde eine hohe Abbildungsgenauigkeit der umformtechnisch erzeugten Spannungen und Dehnungen in ANSYS Workbench erzielt und die Vorhersage der statischen Torsionsfestigkeit von fließgepressten Wellen unter Einfluss der Kaltverfestigung signifikant verbessert. Insbesondere gegenüber gedrehten Wellen wurde mit diesem Datentransfer eine signifikante Verringerung der Abweichung bei der numerischen Bestimmung der statischen Torsionsfestigkeit von 58 % (Drehteil) auf 2 % (Fließpressteil) für den Werkstoff 16MnCr5 und einen Zapfendurchmesser von 26 mm erzielt. Die Untersuchung zur Ermittlung der statischen Torsionsfestigkeit von fugendruckbasiert ausgelegten reibschlüssigen Nabenkonturen für WNV unterteilt sich in zwei weitere Abschnitte. Kapitel 6 fokussierte sich auf die numerische Gestaltung rotationssymmetrischer, hinterschnittiger Nabenkonturen durch die numerische und experimentelle Umsetzung eines iterativen werkstoff- und geometrieintegrierten Gestaltungsansatzes. Hierbei wurde das Ziel verfolgt, nach dem Fügen eine homogene Fugendruckverteilung in der Fuge zwischen Welle und Nabe zu erhalten und den maximal einstellbaren Fugendruck in Abhängigkeit des Wellenwerkstoffs zu ermitteln. Die eingesetzte Welle lag als zylindrischer Körper vor und es wurde ausschließlich die Nabeninnenseite konturiert, wodurch sich zusätzlich ein Hinterschnitt in axialer Richtung einstellte. Die numerischen und experimentellen Untersuchungen zur Gestaltung eines homogenen und maximalen Fugendrucks zeigten, dass eine gezielte fertigungstechnische Herstellung derartiger Verbindungen erfolgen kann. Für den Wellenwerkstoff 16MnCr5 wurde ein maximaler Fugendruck von 350 MPa und für den Wellenwerkstoff 42CrMo4 ein maximaler Fugendruck von 450 MPa ermittelt. Für beide Werkstoffe lag der maximale Fugendruck damit ca. 100 MPa unter der jeweiligen Zugfestigkeit. Der Einsatz einer fugendruckbasierten reibschlüssigen Nabenkontur führte unter Verwendung des gleichen Wellenwerkstoffs zu einer Steigerung der statischen Torsionsfestigkeit um 54 % im Vergleich zu einem thermisch gefügten Pressverband. Unter Verwendung des höherfesten Wellenwerkstoffs 42CrMo4 und eines hohen Fugendrucks von 450 MPa wurde sogar eine Steigerung um 76 % ermittelt. Ebenso wurde für fugendruckbasierte reibschlüssige WNV eine Formfüllung von bis zu 98 % gezeigt, welche sich durch eine präzisere zerspanende Fertigung an den Nabenkanten sogar zu einer vollständigen Formfüllung ausbauen lässt. Aufgrund des axialen Hinterschnitts der Nabenkontur wurden die axialen Abziehkräfte um 14 % bzw. um 22 % je nach Wellenwerkstoff und Fugendruck gegenüber zylindrischen Nabenkonturen gesteigert. In Kapitel 7 erfolgte die Ermittlung eines validierten FE-Umformmodells zur Erhöhung der numerischen Abbildungsgenauigkeit der zuvor experimentell gefügten Proben. Hierfür wurde eine Parameterstudie zur Ermittlung der tribologischen Wechselwirkungen und Reibungszahlen der Fügeverbindung, des Werkstück-Werkzeug-Kontakts und des Werkzeug-Werkzeug-Kontakts in Verbindung mit den geometrischen Fertigungstoleranzen der eingesetzten Halbzeuge durchgeführt. Die Studie zeigte anhand einer mit dem validierten FE-Umformmodell entwickelten Nabenkontur, dass die numerisch ermittelte Geometrie der gefügten Komponente um weniger als 0,1 µm an der Nabenaußenseite vom experimentell ermittelten Ergebnis abweicht und somit der numerisch anvisierte Fugendruck auch in der Realität erreicht wurde. Damit wurde erfolgreich gezeigt, dass mit dem entwickelten FE-Modell fugendruckbasierte reibschlüssige WNV entwickelt und gefertigt werden können. In Kapitel 8 wurden die bisherigen FE-Simulationsmodelle und -methoden zur experimentellen und numerischen Bestimmung der statischen Torsionsfestigkeit für fugendruckbasierte reib- und formschlüssige Nabenprofile verwendet und der Einfluss des zusätzlichen Formschlusses herausgearbeitet. Die Untersuchung zur statischen Torsionsfestigkeit von fugendruckbasierten reib- und formschlüssigen Nabenprofilen zeigte, dass diese Nabenprofile gegenüber bisher bekannten reib- und formschlüssigen Nabenprofilen vergleichbare statische Übertragungsfähigkeiten unter der Berücksichtigung eines deutlich geringeren Formschlusses sowie einer homogeneren Fugendruckverteilung aufwiesen. Die Ergebnisse zeigen, dass die numerische Modellierung der statischen Torsionsfestigkeit von fließgepressten Wellen durch die Integration der Kaltverfestigung mit dem entwickelten Datentransfer deutlich verbessert wurde. Die fugendruckbasierten Nabenkonturen ermöglichen höhere Fugendrücke im Vergleich zu konventionellen thermisch gefügten Querpressverbänden und erzielen dadurch deutlich höhere statische Torsionsmomente. Zudem erfordern WNV-Fügeprozesse keine Temperierung der Fügepartner, und die Halbzeuge können durch (Fein-)Drehen hergestellt werden. Fugendruckbasierte Nabenkonturen bieten gegenüber zylindrischen Nabenkonturen den Vorteil geringerer maximaler radialer und tangentialer Spannungen im Nabenkörper bei nahezu identischer statischer Torsionsfestigkeit. Außerdem wurde eine erhöhte axiale Abziehkraft durch axialen Formschluss nachgewiesen. Der Einfluss der Kaltverfestigung für die in dieser Arbeit untersuchten Wellengeometrien war von untergeordneter Bedeutung. Es wurden FE-Umformmodelle für die fugendruckbasierte Auslegung von reibschlüssigen Nabenkonturen sowie reib- und formschlüssigen Nabenprofilen entwickelt und validiert, die als Grundlage für weitere Untersuchungen zum umformtechnischen Fügen mittels Querfließpressen dienen. Diese Arbeit fokussiert sich maßgeblich auf den Herstellungsprozess fugendruckbasierter reibschlüssiger Nabenkonturen bzw. reib- und formschlüssiger Nabenprofile und insbesondere auf den Einfluss der Kaltverfestigung auf die statische Torsionsfestigkeit der hier untersuchten WNV für die Werkstoffe 16MnCr5 und 42CrMo4 mit einem Wellendurchmesser von 22 mm sowie einem Nabeninnendurchmesser von 25 mm und einem Nabenaußendurchmesser von 50 mm. Die Ermittlung der dynamischen Torsionsfestigkeit der entstandenen Versuchsproben betrachtet und analysiert Hr. Daniel Ulrich (Institut für Konstruktionstechnik und Technisches Design, IKTD, Universität Stuttgart). Diese Arbeit entstand in enger Zusammenarbeit mit dem IKTD im Rahmen eines gemeinsamen Forschungsprojektes, das von der Deutschen Forschungsgemeinschaft gefördert wurde.Item Open Access Efficient net shape forming of high-strength sheet metal parts by Transversal Compression Drawing(2023) Briesenick, David; Liewald, MathiasIn this contribution, a new forming method is presented for high-strength steel sheet metal materials called Transversal Compression Drawing (TCD). For TCD, the blankholder of the conventional deep drawing process is replaced by sliders introducing a vertical force along the blank edge. Compared to conventional deep drawing, compressive stresses are thereby superimposed in the flange area of the sheet metal material, reducing the springback of formed components and the forces required during the process. Proof of this is provided here on the basis of numerical investigations in which conventional deep drawing and TCD are compared using the example of an “S-Rail” component made from DP980. Results of these investigations reveal that with TCD a maximum reduction in springback by more than 5 mm is achieved, leading to an improvement in the component´s overall shape accuracy of more than 55%. Furthermore, frictional work is decreased by − 6.92 kJ/kg, resulting in an overall reduction of maximum forming forces by 67.4%. Besides, TCD enables a trim-free net shape forming of the final part contour in a single operation and an increased material utilization of 4.5% from coil to part. Not least, no sheet thinning occurs with TCD, whereas a maximum thinning of 12% is observed with the conventional deep drawing process.Item Open Access Zyklische Scherprüfung metallischer Folien : Nutzen von Daten in der Umformtechnik - Potenziale der Digitalisierung(2023) Karadogan, Celalettin; Beck, Maxim; Cyron, Patrick; Riedmüller, Kim Rouven; Liewald, MathiasItem Open Access Berechnung kritischer Großwerkzeugkomponenten zur Verbesserung von deren Betriebssicherheit und Leistungsfähigkeit(Stuttgart : Institut für Umformtechnik, 2023) Burkart, Maximilian Walter; Liewald, Mathias (Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c., MBA)Aufgrund des globalen Wettbewerbs steigen die Anforderungen an die Wirtschaftlichkeit der Automobilproduktion stetig an. Die Wettbewerbsfähigkeit der Marktteilnehmer wird hierbei maßgeblich durch Produktivitätspotentiale bestimmt. Im Karosseriebau wird dieser Randbedingung durch die Erhöhung der Ausbringungsleistung begegnet. Hierbei wird insbesondere durch die Einführung neuer Fertigungssysteme versucht, die Produktivität der Blechteilherstellung zu steigern. Der Einsatz der Servopressentechnologie in der Herstellung von Karosserieaußenhautteilen bietet Möglichkeiten, langfristig den gesteigerten Anforderungen an die Produktivität moderner Presswerke zu begegnen. Durch die in Servopressen eingesetzte Motoren- und Regelungstechnik wird eine flexible Programmierung der Stößelbewegung ermöglicht. Insbesondere Nebenzeiten können durch diese relativ neue Pressentechnik reduziert werden, indem das Werkzeug mit einer höheren Geschwindigkeit geöffnet und geschlossen werden kann. Prozessfenster können dementsprechend beibehalten und gleichzeitig die Gesamtausbringung der Pressenlinie erhöht werden. Aufgrund der erhöhten Stößelgeschwindigkeiten induzieren massebehaftete bewegliche Werkzeugkomponenten erhöhte Reaktionskräfte in der Werkzeugstruktur sowie in der Pressenstruktur selbst. Diese Reaktionskräfte können wiederum kritische Belastungen für Werkzeug- und Pressenstruktur übersteigen und somit zu Störungen des Umformprozesses sowie zu einem Versagen von Komponenten in der Serienproduktion führen. Diese Herausforderung erfordert eine Anpassung des klassischen Werkzeugentstehungsprozesses im Hinblick auf die geänderten Prozessanforderungen aufgrund der neuartigen servomotorischen Stößelantriebe. Der Werkzeugentstehungsprozess bildet als Bindeglied zwischen Fahrzeugdesign und Blechteilproduktion die Schlüsselrolle in der Karosserieteilfertigung. Den Veränderungen der Produktionsbedingungen im Presswerksbetrieb durch erhöhte Stößelgeschwindigkeiten wird heute im vorwiegend empirisch geprägten Werkzeugbau aktuell noch zu wenig begegnet. Umformwerkzeuge für Karosseriebauteile werden heute noch recht konservativ ausgeführt, was bedeutet, dass diese meist durch große Massen und hohe Sicherheitsfaktoren geprägt sind. Dies wirkt sich in der Folge nachteilig auf die Ausbringungsleistung und Betriebssicherheit der Pressenlinie und die strukturelle Belastung der Umformwerkzeuge aus. Einerseits müssen in diesem Fall die Hubzahl der Pressenlinie reduziert werden, um die strukturellen Belastungen der Werkzeugkomponenten herabsetzen zu können. Andererseits bedingen hohe Massen der Oberteile von Großwerkzeugen hohe Antriebsleistungen des Pressenstößels, die es langfristig zu reduzieren gilt. Vor diesem Hintergrund wird eine Anpassung der konventionellen Werkzeugauslegung und -konstruktion notwendig, um so den zukünftigen Anforderungen an eine wirtschaftliche Pressteilherstellung im Presswerk zu begegnen. Hierfür muss eine belastungsgerechte Werkzeugausführung umgesetzt werden, um bereits im Werkzeugentstehungsprozess auf zukünftige Belastungen zu reagieren und die Leistungsfähigkeit und Sicherheit der Werkzeuge entsprechend der Anlagentechnik auch bei erhöhten Stößelgeschwindigkeiten beibehalten zu können. Im Rahmen dieser Arbeit wird deshalb eine Vorschrift zur belastungsgerechten Auslegung und Konstruktion von Werkzeugen der Folgeoperationen mit dynamisch bewegten Massen entwickelt, wobei die ganzheitliche Betrachtung des dynamischen Werkzeugsystems aus Werkzeugoberteil und massebehafteten, beweglichen Werkzeugkomponenten im Vordergrund steht. Im ersten Teil der Arbeit werden für die dynamische Belastung relevante Werkzeugkomponenten bestimmt und ein Berechnungsmodell abgeleitet, um das dynamische Systemverhalten eines Folgewerkzeugs für größere Karosserieteile zu beschreiben. Hierbei wird der Fokus aufgrund der bewegten Massen auf die Analyse des dynamischen Niederhaltersystems gelegt. Die identifizierten Werkzeugkomponenten werden daraufhin auf ihr Verbesserungspotential im Hinblick auf deren dynamische Belastung untersucht. Um dafür eine wissenschaftlich fundierte Berechnungsvorschrift zu erstellen, wird eine Modellparametrisierung zur Beschreibung des dynamischen Niederhaltersystems durchgeführt. Die Modellparametrisierung wird anhand von realen Prozessdaten durchgeführt. Zur Festlegung dieser prozessdatenbasierten Modelle werden Versuchsdaten mittels eines Versuchswerkzeugs erfasst und ausgewertet. Ein idealisiertes Versuchswerkzeug ermöglicht hierbei die Bestimmung von Parametern zuvor ausgewählter rheologischer Modellen, die eine Prognose der auftretenden Werkzeugschwingungen ermöglichen. Anschließend werden diese Modelle zur Auslegung der Werkzeugstrukturen herangezogen. Hierbei wird eine Vorgehensweise zur Spannungsbewertung nach der aktuellen FKM-Richtlinie abgeleitet, die es auf Basis der rheologischen Modelle ermöglicht, die auftretenden Belastungen über den Werkzeuglebenszyklus zuverlässig zu bewerten. Abschließend wird die Übertragbarkeit der dynamischen Schwingungsmodelle auf Serienwerkzeuge anhand von Serienmessdaten validiert. Hierfür wird das Werkzeug-Presse-Kollektiv berücksichtigt und anhand von Mehrkörpersimulationen abgebildet. Die Wechselwirkungen zwischen Presse und Werkzeug werden dabei detailliert untersucht und die Eignung der aufgestellten Modelle zur Vorhersage der Dynamik des Niederhalters beim Rückhub des Stößels validiert. Anhand einer Diskussion der Ergebnisse endet diese Arbeit mit der Festlegung einer Auslegungsvorschrift für Folgeoperationen im Hinblick auf die dynamische Niederhalterbelastung. Diese Arbeit liefert somit eine Verbesserung typischer Niederhalterstrukturen im Hinblick auf deren belastungsgerechte Auslegung gegen zu hohe dynamische Belastungen bei hohen Stößelgeschwindigkeiten in Folgeoperationen. Die diesbezüglich abgeleitete, standardisierte Auslegungsvorschrift erweitert die bisher empirische Werkzeugauslegung und -konstruktion um fundierte wissenschaftliche Gesichtspunkte.Item Open Access FE-Analyse des mehrstufigen Biegeprozesses von Flachpaketstatoren für elektrische Maschinen(Stuttgart : Institut für Umformtechnik, 2023) Wüterich, David; Liewald, Mathias (Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c., MBA)Strenger werdende Emissionsauflagen führen im Individualverkehr zu einer erhöhten Nachfrage nach Elektromotoren mit höchsten Wirkungsgraden und Leistungsdichten. Vor allem in der Automobilindustrie zwingen aktuelle Vorschriften zur Begrenzung der Schadstoffemissionen die Hersteller dazu, mittels Verbrennungskraft angetriebene Fahrzeugkonzepte zu verlassen und den Antriebsstrang ihrer Fahrzeuge weiter zu elektrifizieren. Neben der Verwendung vollelektrischer Antriebe dienen auch Kombinationen aus herkömmlichen Verbrennungsmotoren mit Rekuperationssystemen, effizienteren Generatoren oder Hybridantrieben der Emissionsreduzierung. Trotz unterschiedlicher Anforderungen an Drehmoment, Drehzahlen und Gesamtleistung wird ein höherer Wirkungsgrad des Gesamtsystems angestrebt. Besonders wichtige Faktoren mit positivem Einfluss auf den Wirkungsgrad elektrischer Maschinen sind möglichst kleine Luftspalte zwischen Stator und Rotor sowie hohe Füllgrade der aktiven elektromagnetischen Komponenten, d. h. der leitfähigen Wicklungen in Stator und Rotor, die in der Regel aus Kupfer bestehen. Um diese Herausforderungen zu meistern, werden herkömmliche Statorherstellungsmethoden zunehmend durch neuartige Produktionstechnologien wie die Hairpin- oder die Flachpakettechnologie abgelöst. Bei der Hairpin-Technologie werden U-förmige Drahtsegmente längs in die Nuten eines kreisförmigen Statorkerns geschoben, auf der Rückseite geschränkt und anschließend stoffschlüssig miteinander verbunden. Die Flachpakettechnologie basiert auf einem flachen, kammähnlichen Statorkern aus Siliziumeisen, dessen Nuten mit vorgeformten Wicklungen aus Kupferlackdraht und Isolationspapieren versehen werden. Anschließend führt eine mehrstufige Biegeabfolge der ganzen Baugruppe zur geforderten Kreisform des Stators. Jede Biegestufe, bestehend aus einem Biege- und Rückfederungsvorgang, erfolgt in einer separaten Biegemaschine, die nach VDI 3430 dem Rotationszugbiegen zugeordnet wird. Nach dem letzten Biegevorgang folgt eine Kalibrierung des Stators mit einer integrierten Fügeoperation durch Laserschweißen der beiden Statorenden. Beide Technologien erreichen vergleichsweise hohe mechanische Füllgrade und damit eine höhere Leistungsfähigkeit des Stators. Im Gegensatz zur Hairpin-Technologie erfordert der Flachpaketprozess jedoch keine stoffschlüssigen Fügevorgänge an elektrischen Leitern, welche in der Massenproduktion von Rotoren oder Statoren zu einer geringeren Prozessrobustheit führen. Allerdings hängen die Rundheitseigenschaften des Stators von den Biegeparametern und den hochkomplexen mechanischen und geometrischen Eigenschaften der Flachpaketbaugruppe ab. Deswegen stellt die Gewährleistung enger Rundheitstoleranzen eine der größten Herausforderungen dieses Fertigungsverfahrens dar. Insbesondere die Vorhersage des Biege- und Rückfederungsverhaltens der Flachpaketbaugruppe in einzelnen Biegeoperationen war bisher nicht möglich, sodass aufwändige Iterationen zur Auslegung des Prozesses nötig waren. Zudem mussten bisher vergleichsweise große Rundheitsabweichungen des fertigen Stators akzeptiert oder weitere Prozessschritte zur Rundheitskalibrierung vorgenommen werden. Die Untersuchungen der vorliegenden Arbeit entstanden in einer Zusammenarbeit zwischen der SEG Automotive Germany GmbH und dem Institut für Umformtechnik der Universität Stuttgart und zielten darauf ab, die Rundheitsabweichungen der Statoren mittels vertieften und quantifizierten Prozesswissens nachhaltig zu reduzieren. Zu diesem Zweck wurden drei Berechnungsmodelle basierend auf der Finite-Elemente-Methode in ANSYS Workbench 18.2 entwickelt, verifiziert und validiert. Das Modell des Statorkerns enthält lediglich den flachen Statorkern als Werkstück in einem Biege- und Rückfederungsvorgang. Da dieser Aufbau die Grundlage für die Berechnung mehrerer Operationen sowie für die Analyse einer gesamten Flachpaketbaugruppe darstellt, wurde dieses Modell bezüglich dessen numerischer Konsistenz verifiziert und anhand von Vergleichen mit analytischen Rechnungen für plausibel erklärt. Im Rahmen der zweiten Modellgruppe wurden einzelne Segmente des mit den Kupferwicklungen und Isolationsfolien ausgestatteten Statorkerns modelliert, um deren Umformverhalten im Detail zu beschreiben. Insbesondere die Einflüsse der Wicklungseigenschaften auf das Biegeverhalten der gesamten Baugruppe erwiesen sich als relevant, um alle Biegestufen in der Prozessfolge der Produktionsanlage realistisch beschreiben zu können. Im Hinblick auf eine höhere Effizienz weiterer Simulationen konnten die Einflüsse der Wicklungen in Ersatzmodelle basierend auf Stabelementen überführt werden. Das dritte Berechnungsmodell, das Prozessmodell, fasst vier aufeinanderfolgende Biegestufen in einer einzigen Simulation zusammen, die jeweils aus einem Biege- und Rückfederungsvorgang bestehen. Dabei enthält die modellierte Baugruppe das verifizierte Statorkernmodell und die Stabelemente mit fiktiven Materialmodellen, die das komplexe Umformverhalten der Wicklung ersetzen. Auf Grundlage dieses Prozessmodells konnten alle vier Biegestufen einschließlich des abschließenden Kalibrier- und Fügevorgangs numerisch vollständig beschrieben werden. Damit war es möglich, Abhängigkeiten der kreisförmigen Statorgeometrie von den Werkstück- und Prozesseigenschaften zu ermitteln. Die elastisch-plastischen Eigenschaften der Flachpaketbaugruppe und die Vorspannkraft zwischen Biegekern und Werkstück zählen zu den wichtigsten Eigenschaften, die in dieser Arbeit untersucht wurden. Bevor die gewonnenen Erkenntnisse aus den Simulationsmodellen genutzt werden konnten, wurden die FE-basierten Ergebnisse an den vier Biegemaschinen im Serienbetrieb experimentell validiert. In diesem Zusammenhang wurde eine Methodik entwickelt, um mittels 3D-Scan erzeugte Flächenmodelle des Flachpakets nach einzelnen Biegeoperationen ausrichten und mit den Vorhersagen aus den Finite-Elemente-Modellen vergleichen zu können. Darüber hinaus wurden geschlossene Statoren, die den vollständigen Biegeprozess auf der Produktionslinie bei der SEG durchlaufen hatten, mit bereits etablierten Messabläufen mittels eines Koordinatenmessgeräts digitalisiert. Diese digitalen Messwerte erlauben die Analyse der Rundheit der kreisförmigen Muster und eine Validierung der Ergebnisse des FE-basierten Prozessmodells, welches den gesamten Flachpaketbiegeprozess beschreibt. Zwei Aufgabenfelder weisen einen hohen Stellenwert für die Prozessentwicklung auf: • Das systematische Einhalten festgelegter Toleranzwerten bei konstruktiven Neuerungen des Statordesigns und chargenbedingten Schwankungen. • Die Veränderung des Prozessablaufs, mit dem Ziel, engere Toleranzwerte zu erreichen. Bezüglich beider Aufgabenfelder wurde festgestellt, dass sich die tangentiale Vorspannkraft zwischen Biegekern und Werkstück als einstellbarer Parameter eignet, da sich dieser flexibel an den jeweiligen Biegemaschinen verändern lässt. Deshalb wurden FE-basierte und experimentelle Untersuchungen durchgeführt, um die Sensitivitäten geometrischer Ergebnisse der vier Biegeoperationen bezogen auf Veränderungen der Vorspannkraft zu quantifizieren. Basierend auf diesen Analysen wurde das mehrstufige Prozessmodell hinsichtlich der Vorspannkraft validiert. In der letzten Phase dieser Untersuchungen wurden die gewonnenen Erkenntnisse auf die lachpaketbiegevorgänge im realen Fertigungsprozess übertragen. Die Sensitivitäten der Statorgeometrie bezüglich der Vorspannkräfte jedes einzelnen Biegevorgangs wurden in ein mathematisches Optimierungsproblem überführt, wobei minimale Rundheitsabweichungen das Optimierungsziel bildeten. Die Vorspannkräfte der vier Biegevorgänge stellen die Variablen dieser Optimierungsfunktion dar. Die mit diesem systematischen Optimierungsansatz berechneten Parameter prognostizierten eine Reduktion der Rundheitsabweichungen um mehr als 24 %. Diese Reduktion konnte für zwei verschiedene Statortypen experimentell bestätigt werden. Die in dieser Arbeit vorgestellten Untersuchungen bieten systematische Ansätze, um anhand der Entwicklung, Verifizierung und Validierung von FE-Modellen, Erkenntnisse über einen komplexen Umformprozess der vormontierten Flachpaketbaugruppe, bestehend aus Stahllamellen, Kupferwicklung und Isolationsfolien, zu gewinnen. Die ermittelten Maschineneinstellungen resultierend aus der oben genannten Methodik zur Rundheitsoptimierung konnten erfolgreich auf die aktuelle Serienfertigung von Flachpaketstatoren übertragen werden. Die derzeit in den Biegestationen verwendbaren Bereiche der Vorspannkraft liegen zwischen 0 und 13 kN. Höhere Vorspannkräfte führten zu einer unerwünschten Verformung der Statorzähne vor dem Biegen. Darüber hinaus beschränken die Geometrien der vorhandenen Werkzeuge für jede der vier Biegemaschinen das aktuelle Biegeverfahren, d. h. die minimalen und maximalen Biegewinkel, die während eines Biegevorgangs verwendet werden können. Sowohl der Vorspannbereich als auch die Geometrie der Biegewerkzeuge begrenzen die Statorrundheit, die derzeit mit der vorgestellten Methode erreicht werden kann.Item Open Access The “third body” approach to joining of metals by simple shear under pressure(2024) Beygelzimer, Yan; Grötzinger, Karl C.; Liewald, Mathias; Estrin, Yuri; Kulagin, RomanA continuum mechanics approach to cold welding (CW) of metals under shear is considered. The main idea is to treat a weld joint as an extra material-a “third body” in its own right. Its properties stem from plastic co‐deformation of the two contacting alloys. The mechanical characteristics of the weld joint, i.e., its strength and plasticity in the complex stress state, are determined by the deformation history of the “third body.” The proposed approach enables a unified description of the CW process itself, as well as the subsequent variation of shape of the composite material with the weld joint.