Universität Stuttgart
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Item Open Access Kompensationsstrategien von Rückfederungseffekten beim Umformen von hochfesten Stahlblechwerkstoffen(Stuttgart : Institut für Umformtechnik, 2020) Radonjić, Ranko; Liewald, Mathias (Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. MBA)Die ständigen Bestrebungen zur Reduzierung der CO2-Emissionen führen in der Automobilindustrie zur höheren Anforderungen an den Karosserieleichtbau. Um diese Anforderungen zu erfüllen, wurde der Schwerpunkt der Entwicklungen der letzten Jahre auf die Reduzierung des Karosseriegesamtgewichts durch den Einsatz von Leichtbauwerkstoffen sowie Blechen mit geringerer Dicke gelegt. Diese Tendenzen führen zu einem verstärkten Einsatz von hoch- und höchstfesten Stahlblechwerkstoffen zur Herstellung von entsprechenden Karosseriestrukturbauteilen mit geringerem Bauteilgewicht im Vergleich zu früheren Baureihen. Solche Bauteile werden in der Regel durch das Tiefziehen oder das ziehende Biegen hergestellt. Nach der Entnahme des Bauteils aus dem Werkzeug nach der durchgeführten Umformung tritt eine Spannungsrelaxation auf, wonach sich ein neues Spannungsgleichgewicht im Bauteil einstellt. Als Ergebnis dieser Spannungsrelaxation tritt die Rückfederung bzw. die dimensionelle Abweichung zwischen dem entlasteten Bauteil und der Referenzgeometrie auf. Dies kann verschiedene Arten der Rückfederung zur Folge haben: Winkeländerung, Zargenkrümmung, Radienänderung und Torsion bzw. Verdrehung von Bauteilzonen. Bei der Herstellung von Karosseriestrukturbauteilen aus hoch- oder höchstfesten Stahlblechwerkstoffen tritt häufig eine hohe Rückfederung von bis zu einigen Zentimetern auf, welche mit derzeit existierenden Maßnahmen nur schwer oder gar nicht erfolgreich während des Umformens oder gar danach kompensiert werden kann. Im Rahmen dieser Arbeit wurden verschiedene Ansätze im Hinblick auf die Reduktion der Rückfederung am Beispiel eines zweifach gekrümmten hutförmigen Bauteils simulativ und experimentell untersucht. Um die erforderliche Genauigkeit der Simulation dabei gewährleisten zu können, wurden zunächst umfangreiche Werkstoffcharakterisierungen der untersuchten Stahlblechwerkstoffe (DP 600, DP 800 und DP 980) durchgeführt. Darüber hinaus erfolgten die Praxisversuche zur Bestimmung des Einflusses der Blechhalterkraft, Geschwindigkeit der Stößelbewegung und Werkzeugradien auf das Rückfederungsverhalten. Basierend auf den dabei erzielten Ergebnissen konnte zunächst festgestellt werden, dass mit der Erhöhung der Festigkeit des eingesetzten Stahlblechs der Erfolg der zuvor genannten Maßnahmen im Hinblick auf die Reduzierung der rückfederungsbedingten Formabweichungen sinkt, und im Fall des Blechwerkstoffs DP 980 sogar fast vernachlässigbar ist. Des Weiteren wurde die Anwendbarkeit von verschiedenen geometrisch basierten Ansätzen mittels einer nach dem Tiefziehen folgenden Nachformoperation im Hinblick auf die Reduzierung der Rückfederung simulativ untersucht. Diese Ansätze beinhalteten vor allem lokale geometrische Änderungen des Bauteils durch Kalibrierung der Radien sowie das Prägen der ebenen und leicht gekrümmten Bauteilbereiche. Dabei wurde festgestellt, dass mit Hilfe solch geometrisch basierter Ansätze der Spannungszustand im Bauteil grundsätzlich lokal beeinflusst werden kann. In diesem Zusammenhang führte der Einsatz des Kalibrierens der Bauteilradien bei gleichzeitigem Prägen der Bauteilzarge zu einer wesentlichen Reduzierung der Rückfederung. Allerdings erfordern solche geometrisch basierten Ansätze häufig signifikante Änderungen der Bauteilgeometrie. Mit dem Ziel, den Spannungszustand im größtmöglichen Bereich des trägerförmigen Bauteils ohne Änderung von dessen Geometrie entsprechend zu beeinflussen, wurde versucht, die Spannungsüberlagerungseffekte mittels gezielt gewählter Werkzeugradien durch wechselseitigen Platineneinlauf während des Tiefziehens zu bewirken. Aufgrund eines solchen wechselseitigen Platineneinlaufes werden jene Werkstückbereiche, welche während des Ziehvorganges in Kontakt mit den Stempelradien kommen, einem mehrmaligen Biegen unterzogen. Dabei werden die beim ersten Biegen über die Blechdicke verursachten Biegespannungen durch das folgende Rückbiegen mit Spannungen mit entgegengesetztem Vorzeichen überlagert, was sich positiv bezüglich der Reduktion der Rückfederung auswirkt. In diesem Zusammenhang wurde in dieser Arbeit auch dargelegt, dass eine optimale Platineneinlaufkinematik definiert werden kann, die zu einer vernachlässigbaren Rückfederung des entlasteten Bauteils führt. Eine solche optimale Platineneinlaufkinematik während des Ziehvorganges wurde am Beispiel eines zweifach gekrümmten hutförmigen Bauteils in Hinblick auf die nahezu vernachlässigbare Rückfederungsmenge erfolgreich belegt. Diesbezüglich wurde die Forschungshypothese nachgewiesen, dass die Rückfederung des Blechteils reduziert bzw. kompensiert werden kann, in dem die während des Umformens im Bauteil verursachten Spannungen mit Spannungen mit entgegengesetzten Vorzeichen überlagert werden. Die in der vorliegenden Arbeit erzielten Ergebnisse stellen einen wichtigen Beitrag für die industrielle Anwendung bzw. Methodenplanung für die Fertigung von trägerförmigen Bauteilen aus hoch- und höchstfesten Stahlblechwerkstoffen dar.Item Open Access Neuartige Versuchsmethodik zur verbesserten Modellierung der Reibung in der Blechumformung(Stuttgart : Institut für Umformtechnik, 2019) Singer, Markus Ruben; Liewald, Mathias (Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. MBA)Die numerische Abbildung von Tiefziehprozessen benötigt eine Vielzahl von Eingangsparametern, deren Qualität sich direkt in der Abbildegenauigkeit des Prozesses widerspiegelt. Diverse Einflussfaktoren, wie etwa das Fließverhalten des Platinenwerkstoffes, wurden dabei bisher genau untersucht und sind heute in vielen Fällen gut verstanden. Die relativ exakte Beschreibung der im Prozess auftretenden Reibungsmechanismen zwischen Platine und Werkzeug bildet bei den Blechumformverfahren Tief- und Streckziehen hingegen eine Ausnahme. Das Reibungsverhalten bestimmt die Rückhaltung des Ziehflanscheinlaufes in die Zarge sowie welche Prozesskräfte, beeinflusst durch die örtlich unterschiedlichen Blechdickenreduktionen, übertragen werden können. Bei einer unzureichenden Kenntnis dieser Prozessgröße kann der Umformprozess nur unter Verwendung eines Sicherheitsfaktors numerisch ausgelegt werden. Hierbei kann allerdings nicht das gesamte Umformpotential des Prozesses in Kombination mit dem Platinenwerkstoff ausgenutzt werden. Durch die eingeschränkte Zugänglichkeit zur experimentellen Messwertaufnahme muss aktuell auf stark abstrahierte Modellversuche zur Bestimmung des Reibungsverhaltens zwischen Umformwerkzeug und Platine zurückgegriffen werden. Dabei können die komplexen Wechselwirkungen im tribologischen System zwischen Platinen- und Werkzeugoberfläche nicht abgebildet und eingehend untersucht werden. Auch hochentwickelte, numerische Abbildungsmodelle beziehen sich dabei auf Messwerte aus einfachen experimentellen Versuchsaufbauten. Die auftretenden Wechselwirkungen können dabei heute zwar relativ gut invers modelliert, jedoch nicht im realen experimentellen Aufbau gemessen werden. Diese Forschungslücke führt dazu, dass der Reibungszahl in Blechumformsimulationen, trotz ihrer deutlichen Auswirkung auf das Berechnungsergebnis, eine untergeordnete Gewichtung zukommt. Häufig werden lediglich globale, sich nicht verändernde Reibungszahlen im FE-Modell nach Coulomb verwendet. Diese unzureichende Beschreibung führt zu einer ungenauen numerischen Berechnung des Tiefziehprozesses. Im Rahmen dieser Arbeit wird eine neuartige Methode zur Bestimmung der Reibungszahlen vorgestellt und auf Basis der so ermittelten, kontinuierlich aufgenommenen Reibungszahlverläufe ein Reibungsmodell für ein erweitertes Verständnis des tribologischen Systems für das Tiefziehen entwickelt. Im Hauptteil der Arbeit werden zunächst die grundsätzlichen Einflussfaktoren auf das tribologische System mittels Streifenziehversuchen ermittelt und deren Auswirkung auf die Reibungszahl bewertet. Im weiteren Verlauf erfolgt die Integration von Miniatur-Längsmessdübeln in das Umformwerkzeug, welche die elastische Deformation der Werkzeugstruktur aufzeichnen. Darüber können die auf die Platine wirkenden Rückhaltekräfte gemessen werden. Die Messwertaufnahme ist hierbei kontinuierlich über den gesamten Tiefziehprozess sowie ohne Eingriff in die Kontaktfläche zwischen Umformwerkzeug und Platine möglich. Die Positionierung der Sensoren erfolgt nach einer Unterteilung der Werkzeugaktivflächen auf Basis des örtlich vorherrschenden Spannungszustandes in Anlehnung an die Gleitlinientheorie in acht unterschiedliche Sektoren. Aufbauend auf den im Prozess gemessenen Reibungszahlen können für die definierten geometrischen Werkzeugsektoren mathematische Funktionen der Reibungszahlverläufe über den jeweiligen Ziehweg bestimmt werden. Dazu werden die jeweiligen Funktionsbeschreibungen in Abhängigkeit von den zuvor ermittelten Einflussfaktoren wie Flächenpressung, Ziehgeschwindigkeit und Temperatur approximiert. Durch die Integration dieser Reibungszahlen in ein Simulationsmodell ist es anschließend möglich, die Güte der numerischen Abbildegenauigkeit des Prozesses zu bewerten und mit konventionellen numerischen Berechnungen mit konstanten Reibungszahlen zu vergleichen. Des Weiteren kann gezeigt werden, dass der Übertrag der an der einfachen Ziehteilgeometrie „Rechtecknapf“ ermittelten Reibungszahlverläufe auf eine komplexere Ziehteilgeometrie möglich ist und sich dabei die Abbildegenauigkeit der Simulationsrechnungen verbessert. Die vorliegende Arbeit schließt mit einer Zusammenfassung der durchgeführten Forschungsarbeiten ab. Somit wird ein wissenschaftlicher Beitrag zum verbesserten Verständnis der Wirkzusammenhänge des Reibungsverhaltens im Blechumformprozess geleistet sowie weitere zukünftige Potenziale aufgezeigt. Es kann gezeigt werden, dass die numerische Abbildegenauigkeit von Blechumformprozessen steigt, wenn sich über den Stößelweg verändernde Reibungszahlen in den Modellaufbau integriert werden. Dazu wurde in dieser Arbeit eine neuartige Methode zur Bestimmung der real im Prozess auftretenden Reibungszahlen entwickelt. Die Wechselwirkungen der signifikanten Einflussfaktoren auf die Reibungszahlen im Blechumformprozess werden in einem, auf Basis der Gleitlinientheorie, in verschiedene Sektoren unterteilten Tiefziehwerkzeug bestimmt. Die Bestimmung von mathematischen Funktionen des ziehtiefenabhängigen Reibungsverhaltens ermöglicht den Übertrag der experimentell ermittelten und numerisch abgebildeten Reibungszahlen aus einer einfachen Versuchsgeometrie auf ein komplexes, realitätsnahes Tiefziehbauteil.Item Open Access Kaltmassivumformen von Hohlbauteilen mit komplexen helixförmigen Innengeometrien(Stuttgart : Institut für Umformtechnik, 2019) Missal, Nadezda; Liewald, Mathias (Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. MBA)In den letzten Jahren erlangte der technologische Fortschritt von Bauteilen des Antriebsstrangs und Fahrwerks in Bezug auf Leichtbau größere Bedeutung in der automobilen Leichtbaubranche moderner PKWs. Jedoch führen stetig steigende Anforderungen wie unter anderem Sicherheit, Komfort, Fahrleistung und Platzangebot gleichzeitig zu einer Erhöhung des Fahrzeuggewichtes. Aufgrund des relativ hohen Anteils kaltumgeformter Bauteile in Fahrzeugen kann eine gewichtsorientierte Bauteiloptimierung, welche keine dieser Anforderungen beeinträchtigt, entscheidend zum Leichtbau beitragen. Aus diesem Anlass wurde im Jahre 2012 die Initiative „massiver Leichtbau“ gegründet mit dem Ziel, die Massivumformteile moderner Fahrzeuge bezüglich Gewichtseinsparung, Werkstoffwahl, Fertigungstechnik und Bauteildesign bei akzeptablen Kosten zu optimieren. Große Herausforderungen bestehen bei der Optimierung von Bauteilen, die hohen Belastungen wechselnder Richtungen unterliegen. Dazu gehören beispielsweise Kolbenbolzen, welche trotz geringen Gewichts eine hohe Steifigkeit aufweisen müssen. Eine Gewichtsreduzierung solcher Bauteile kann in der Regel nur konstruktiv bzw. durch die Änderung des Bauteildesigns realisiert werden. In [Missal, N., Liewald, M., Felde, A. et al.: Piston pin optimisation with respect to light-weight design in: International Cold Forging Group, 49th Plenary Meeting, Stuttgart 2016, S. 157-161] wurden deshalb innovative Kolbenbolzen mit einer neuartigen helixförmigen Innengeometrie anstelle von bislang üblichem konstantem oder gestuftem Innendurchmesser entwickelt, welche diese widersprüchlichen Anforderungen erfüllen. Aufgrund der Beschränkung und zum Teil unbekannten Verfahrensgrenzen der Massivumformung bei der Herstellung von komplexen Geometrien wurden solche helixförmigen Innengeometrien bisher stets mittels spanender Verfahren erzeugt. Als technisch und wirtschaftlich vorteilhaftere Alternative zur Zerspanung kommt das Kaltfließpressen bzw. Abstreckgleitziehen in Frage. Kaltfließgepresste Komponenten besitzen im Vergleich zu spanend hergestellten verbesserte Eigenschaften wie die Kaltverfestigung, belastungsgerechte Faserverläufe und Eigenspannungen, welche zu erhöhten mechanischen Eigenschaften wie Zugfestigkeit, Druckfestigkeit und Härte führen. Auf Grundlage dieser Erkenntnisse und der Kombination von konstruktiver Optimierung und festigkeitssteigernder Effekte bietet das Kaltfließpressen ein hohes Potenzial für den konstruktiven Leichtbau. Die Anwendbarkeit des Abstreckgleitziehens für die Herstellung von Hohlbauteilen mit komplexen helixförmigen Innengeometrien ist bislang aufgrund unbekannter Verfahrensgrenzen bezüglich der Formfüllung der Innengeometrie in Abhängigkeit der Prozessparameter und des Innenprofils in der industriellen Praxis beschränkt. Zum maximal zulässigen Schrägungswinkel, der Helix bei dem ein schädigungsfreies Ausstoßen des Bauteils noch möglich ist, wurden darüber hinaus ebenfalls noch keine hinreichenden wissenschaftlichen Untersuchungen angestellt. Das Ziel der vorliegenden Arbeit besteht in der systematischen Aufarbeitung ebendieses Forschungsbedarfs sowie in der Entwicklung einer analytischen Methodik zur Ermittlung der Verfahrensgrenzen bezüglich des zulässigen Schrägungswinkels der Innengeometrie beim Ausstoßen unter Berücksichtigung der Reibung, Kontaktspannungen und Kontaktfläche.Item Open Access Ein Beitrag zur Charakterisierung der Verbindungsfestigkeit von flächigen Mehrschichtverbunden in der Blechumformung(Stuttgart : Institut für Umformtechnik, 2020) Hofmann, Dennis; Liewald, Mathias (Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. MBA)In der Automobil- und Luftfahrtindustrie werden verstärkt maßgeschneiderte Produkte bzw. Halbzeuge eingesetzt, um die anspruchsvollen Vorgaben in Bezug auf Leichtbaupotential, Materialeinsparung und Energieeffizienz zu erfüllen. Neben Tailor Welded Blanks und Tailored Rolled Blanks gehören auch die Mehrschichtverbunde zur Gruppe dieser maßgeschneiderten Produkte, welche die Vorteile einer geringen Dichte mit schall- bzw. vibrationsdämpfenden Eigenschaften vereinen. Der Einsatz von Mehrschichtverbunden, insbesondere der der kraft- und stoffschlüssig gefügten Doppelplatinen und Sandwichbleche, findet jedoch derzeit noch wenig Akzeptanz in industriellen Produkten. Der Grund dafür besteht in der bisher unzureichenden Auslegung und Charakterisierung der Verbindungsfestigkeit dieser Halbzeuge. Die Zielsetzung dieser Arbeit besteht daher einerseits in der Charakterisierung und Auslegung der Verbindungsfestigkeit von kraft- und stoffschlüssigen Mehrschichtverbunden in der Blechumformung und anderseits in der systematischen Entwicklung von Möglichkeiten zur Funktionsintegration in kraftschlüssig gefügte Mehrschichtverbunde. Im ersten Teil der Arbeit werden die mechanisch technologischen Kennwerte aus Grund- und Modellversuchen für die numerische Simulation von kraftschlüssigen Mehrschichtverbunden aus Blechen erarbeitet. Diese Kennwerte werden sowohl für die Umformung der Verbunde als auch für die Charakterisierung der Verbindungsfestigkeit verwendet. Für die numerischen Berechnungen des Kraftschlusses zwischen den Bauteilen nach der Umformung werden in diesem Teil der Arbeit insbesondere das tribologische System zwischen den beiden Platinen nach dem Umformen und die kinematische Verfestigung des Blechwerkstoffs charakterisiert. Aufbauend darauf wird die Rückfederungskraft von monolithischen Blechwerkstoffen analytisch, numerisch und experimentell ermittelt, um das Potential zum flächigen Fügen von Platinen durch gemeinsames Umformen, welches als Gemeinsamtiefziehen bezeichnet wird, bewerten zu können. Beim Gemeinsamtiefziehen werden zwei Platinen ohne Verwendung von zusätzlichen Verbindungselementen sowie thermischer und chemischer Verbindung von deren Oberflächen gemeinsam miteinander tiefgezogen, sodass eine flächige Verpressung entstehen kann, wenn die Zargenbereiche senkrecht stehende Flächenanteile aufweisen. Konische Bauteile übertragen beispielsweise keine oder nur geringe Verbindungsfestigkeiten. Die Verbindungsfestigkeit, welche durch eben diese flächige Verpressung durch Gemeinsamtiefziehen entsteht, wird anschließend experimentell analysiert und die werkstoff-, prozess- und bauteiltechnischen Einflussfaktoren werden quantifiziert. Die Verbindungsfestigkeit der gemeinsam tiefgezogenen Mehrschichtverbunde wird weiterhin durch numerische Grundlagenuntersuchungen analysiert, um die erzeugte Verbindungsfestigkeit ohne aufwendige experimentelle Grundsatzuntersuchungen vorhersagen zu können. Grundlage der Charakterisierung der Verbindungsfestigkeit stellen FEM-Berechnungen aus Schalen- und Volumenelementen dar, welche aus einer Mehrstufensimulation aufgebaut werden. Durch strukturmechanische Simulationen kann zusätzlich der Einfluss von der Struktursteifigkeit in Abhängigkeit von der Verbindungsfestigkeit aufgezeigt werden. Abschließend wird ein empirisch-numerisches Prognosemodell zur Vorhersage der Verbindungsfestigkeit von gemeinsam tiefgezogenen Mehrschichtverbunden für rotationssymmetrische Bauteile abgeleitet und validiert. Dieses Modell gilt für die in dieser Arbeit aufgestellten Randbedingungen (z.B. annährend senkrechte Zarge des Bauteils). Im zweiten Teil der Arbeit wird das Gemeinsamtiefziehen auf mögliche industrielle Anwendungen übertragen. Neben dem Fügeprozess des Gemeinsamtiefziehens werden Versteifungs- bzw. Befestigungselemente einstufig in den Mehrschichtverbund integriert, sodass Montagezeiten verkürzt, Hilfsfügeelemente (z.B. Nieten) subsituiert und Zusatzfunktionen (z.B. Drehmomentübertragung) geschaffen werden. Die im Rahmen dieser Arbeit hergestellten kraftschlüssigen Mehrschichtverbunde können beispielsweise ein Drehmoment in Fail-Safe-Anwendungen bis zu 80 Nm übertragen (vgl. Kap.5). Im dritten Teil dieser Arbeit wird die Ermittlung der Verbindungsfestigkeit von stoffschlüssig gefügten Mehrschichtverbunden (Sandwichbleche) betrachtet, da die zuvor betrachteten kraftschlüssig gefügten Mehrschichtverbunde aufgrund der Reibungskräfte nur begrenzte Verbindungsfestigkeiten erreichen. Nachteile dieser Verbunde bestehen in der ungenauen numerischen Vorhersagbarkeit des Versagens der Klebstoffzwischenschicht, sowie in der aufwendigen Kennwertermittlung und der Charakterisierung des Delaminationsverhaltens. Aus diesem Grund wird eine neue inverse Methodik zur Kennwertermittlung von Sandwichblechen auf Basis eines mehrachsigen Laborversuchs vorgestellt. Diese Vorgehensweise ermöglicht eine präzise Vorhersage des Zwischenschichtversagens von dünnen Klebschichten in Sandwichblechen in der Blechumformung. Der wesentliche Erkenntnisgewinn dieser Arbeit besteht daher einerseits in der Vorhersage der Verbindungsfestigkeit zweier gemeinsam umgeformter Platinen nach der Umformung und anderseits in der verbesserten Vorhersage des Zwischenschichtversagens von dünnen Klebeschichten. Die mit dieser Arbeit vorliegenden neuen Vorhersagemöglichkeiten, insbesondere im Bereich der kraftschlüssig gefügten Mehrschichtverbunde, bieten langfristig neue Konstruktions- und Auslegungsmöglichkeiten für flächig zu fügende Blechbauteile. Die in dieser Arbeit durchgeführten Grundlagenuntersuchungen sollten zukünftig dazu verwendet werden, um die Verbindungsfestigkeit von komplexeren Bauteilen vorherzusagen. Eine Kombination aus Form- und Kraftschluss kann dabei die übertragbare Verbindungskraft erhöhen. Denkbar sind beispielweise Anwendungen aus dem Design-, Verpackungs- oder Korrosionsschutzbereich, welche keine großen mechanischen Beanspruchungen der Bauteile in der Betriebs- und Nutzungsphase erfahren und unterschiedliche Ansprüche an die Funktion von innerem und äußerem Bauteil fordern.Item Open Access Hybride Intelligente Konstruktionselemente (HIKE) - Abschlusskolloquium der DFG-Forschergruppe 981 : Stuttgart, 10.11.2015(Stuttgart : Institut für Konstruktionstechnik und Technisches Design, 2016) Binz, HansgeorgDie Forschergruppe hat die Ergebnisse der zweiten Förderperiode anlässlich eines Abschlusskolloquiums am 10.11.2015 in der Universität Stuttgart vor Gästen aus Industrie und Wissenschaft präsentiert. Dabei wurden die Ergebnisse der Teilprojekte in Vorträgen präsentiert, Prototypen in Form von kleineren Funktionsmustern vorgestellt sowie das Zusammenwirken der HIKE im Gesamtdemonstrator „Schalentragwerk“ vorgeführt. Der vorliegende Sammelband enthält jeweils kurze Zusammenfassungen der Teilprojekte, in denen die Ziele, das Vorgehen und die wesentlichen Ergebnisse vorgestellt werden, sowie die Präsentationsfolien der einzelnen Teilprojektvorträge samt einer Einleitung und Zusammenfassung des Sprechers der Forschergruppe.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 Verbesserte Prognose lokaler Einschnürungen in mehrstufigen Blechumformprozessen(Stuttgart : Institut für Umformtechnik, 2021) Drotleff, Klaus; Liewald, Mathias (Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. MBA)Die korrekte Prognose lokaler Einschnürungen während der Umformung komplex geformter Blechbauteile stellt heute einen entscheidenden Erfolgsfaktor für die Erreichung von Zeit-, Kosten- und Qualitätszielen in der Methodenplanung und im Werkzeugbau dar. Seit den 1970er Jahren ist bekannt, dass die Grenzformänderungskurve nach DIN EN ISO 12004-2 keine korrekte Prognose des Beginns von lokalen Einschnürungen im Fall von nicht-linearen Dehnpfaden ermöglicht. Bisher wird dieser Tatsache in der industriellen Praxis häufig durch die Berücksichtigung großer Sicherheitsfaktoren in der Methodenplanung und der Werkzeugkonstruktion Rechnung getragen. Dies ist sowohl aus wissenschaftlicher als auch aus wirtschaftlicher Sicht ein unbefriedigender Zustand. In Zeiten, in denen der bewusste Umgang mit Ressourcen und die Verkürzung von Entwicklungs- und Fertigungszyklen deutlich ins Bewusstsein gerückt sind, ist es unumgänglich, die Herstellbarkeit moderner Blechbauteile in einem möglichst frühen Projektstadium genau zu prognostizieren. Wie im Stand der Technik dieser Arbeit beschrieben, existieren eine Vielzahl an Ansätzen und Modellen zur Prognose lokaler Einschnürungen zur Charakterisierung des Umformverhaltens moderner Blechwerkstoffe für lineare und nicht-lineare Dehnpfade. Diese Modelle sollen die Vorausberechnung des Einschnürbeginns eines Blechwerkstoffs in einem bestimmten Umformprozess ermöglichen. Je nach Modell, werden dafür theoretische Annahmen oder empirische Messungen für die Bedatung des Modells verwendet. Eine praxisnahe Evaluierung der Berechnungsergebnisse anhand konkreter Versuchsbauteile ist allerdings kaum veröffentlicht. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Kriterium entwickelt, welches es ermöglicht, den Beginn der lokalen Einschnürung der Platine unter linearer und nicht-linearer Dehnung zu prognostizieren. Ausgangspunkt für die Entwicklung des Kriteriums bildeten umfangreiche Versuche zur Charakterisierung des Umformverhaltens der Blechwerkstoffe AA6014, DP600 und DX54D. Neben klassischen Werkstoffkennwerten aus dem einachsigen Zugversuch wurden insbesondere Grenzformänderungskurven der Blechwerkstoffe nach unterschiedlichen Vorbeanspruchungen aufgenommen. Diese Ergebnisse zeigen deutlich, wie stark sich das Umformvermögen der Blechwerkstoffe in Abhängigkeit der während der Umformung in die Platine eingebrachten nicht-linearen Dehnpfade verändert. Auf Basis dieser Daten wurde ein Kriterium entwickelt, das den Beginn der lokalen Einschnürung für lineare und nicht-lineare Dehnpfade prognostiziert. Entwicklungsziel bildete ein Kriterium mit geringem Bedatungsaufwand, welches möglichst genaue Aussagen über den Beginn der lokalen Einschnürung der Blechwerkstoffe AA6014, DP600 und DX54D unter nicht-linearen Dehnpfaden ermöglicht. Die praktische Anwendbarkeit dieses Kriteriums wurde zuerst an Grenzformänderungskurven mit nicht-linearen Dehnpfaden nachgewiesen. Anschließend wurde die Prognosefähigkeit des sogenannten IFU FLC-Kriteriums an vier unterschiedlichen Versuchsbauteilen überprüft und evaluiert. Die Versuchsbauteile mit der Bezeichnung „Tunnelverstärkung“ (Versuchsbauteil der Daimler AG) und „Innentüre“ werden in einem Pressenhub gefertigt. Beide Bauteile zeichnen sich durch lokale Einschnürungen in bestimmten Bauteilzonen aufgrund nicht-linearer Dehnpfade aus. Der Beginn der lokalen Einschnürung, der für diese Bauteile anhand der klassischen Grenzformänderungskurve nicht korrekt prognostiziert wird, kann mittels des im Rahmen dieser Arbeit entwickelten Kriteriums deutlich genauer vorhergesagt werden. Der Fokus dieser Arbeit liegt insbesondere auf der Prognose lokaler Einschnürungen in mehrstufigen Blechumformprozessen. Diese weisen häufig besonders stark ausgeprägte nicht-lineare Dehnpfade auf. Hierzu wurden ein als Doppelnapf bezeichnetes Bauteil und ein in drei Umformstufen tiefgezogener Stumpfnapf hinsichtlich des Einschnürbeginns unter nicht-linearen Dehnpfaden untersucht. Diese Versuche dienen zur Evaluierung des IFU-FLC-Kriteriums für mehrstufige Umformprozesse. Der in drei Umformstufen tiefgezogene Stumpfnapf und die dafür entwickelten Umformwerkzeuge wurden so gestaltet, dass eine in-situ Messung der Dehnpfadverläufe möglich ist. Auch für diese beiden in zwei, beziehungsweise drei Umformstufen angefertigten Bauteile zeigte sich, dass das neu entwickelte IFU-FLC-Kriterium eine deutlich genauere Prognose des Beginns der lokalen Einschnürung ermöglicht als die klassische Grenzformänderungskurve nach DIN EN ISO 12004-2. Durch die genauere Prognose lokaler Einschnürungen in Blechumformprozessen mit nicht-linearen Dehnpfaden können diese besser ausgelegt, die Umformwerkzeuge genauer konstruiert und die gesamte Prozesskette bis zur Serienproduktion des Bauteils kostengünstiger und robuster dargestellt werden. In zukünftigen Prozessketten, auf Basis einer virtuellen Bauteilauslegung, wird die Verknüpfung zwischen den während der Herstellung in den Werkstoff eingebrachten Formänderungen und den im weiteren Betrieb auftretenden Belastungen im Werkstoff eine entscheidende Fragestellung darstellen. Dadurch kann das Betriebsverhalten von Blechbauteilen über ihren gesamten Produktlebenszyklus genauer berechnet werden. Zur Beantwortung dieser Fragestellung kann das im Rahmen dieser Arbeit entwickelte Kriterium einen Beitrag leisten.Item Open Access Beitrag zur Umformung von ebenen und versteiften Schichtverbundwerkstoffen(Frankfurt : DGM Informationsgesellschaft mbH, 2014) Bolay, Christian; Liewald, Mathias (Univ.- Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c., MBA)Moderne hybride Schichtverbundwerkstoffe kommen heutzutage vor allem für Leichtbau und Dämpfungsanwendungen zum Einsatz, um leichte Bauteile für hohe Belastungen herzustellen. In der Luft- und Raumfahrt stellen solche Werkstoffe aufgrund der höheren zulässigen Kosten und der einfacheren Bauteilgeometrien den aktuellen Stand der Technik dar, während diese im Karosseriebau derzeit noch höchst selten zum Einsatz kommen. Durch die Verwendung von Werkstoffen mit Zwischenschichten geringer Dichte wird die Steifigkeit, aber auch die Verbunddicke erhöht. Dadurch können leichtere Bauteile hergestellt werden, die jedoch umformtechnische Herausforderungen beinhalten. Beispielsweise führen diese zum erschwerten Falzen von Randbereichen und zur ungenügenden Abstützung der Deckbleche während des Tiefziehens. Gleichzeitig spielt zunehmend das akustische Abstrahlverhalten der Bauteile in die Umgebung eine entscheidende Rolle. Für dämpfende Aufgaben werden zwischen zwei Deckblechen dünne, viskoelastische Zwischenschichten verwendet, um Biegeschwingungen und somit die akustische Abstrahlung zu verringern. Im ersten Teil der Arbeit werden ebene Schichtverbunde und einseitig mit Versteifungselementen versehene Verbunde vorgestellt. Das Flächenträgheitsmoment wird dabei nicht durch eine dickere Zwischenschicht, sondern durch Sicken in einem Deckblech erhöht. Somit kann nach wie vor eine dünne Zwischenschicht mit dämpfenden Eigenschaften bei hoher Bauteilsteifigkeit verwendet werden. Vor allem großflächige Bauteile können gezielt versteift und unversteifte Randbereiche hervorragend gefalzt werden. Durch die einseitige Versteifung können bis zu vier Mal höhere Biegebelastungen aufgenommen und mit einer Sickengestaltung kann die akustische Abstrahlung halbiert werden. Außerdem bleibt eine ebene Bauteilseite für den Werkzeugkontakt oder für optische Anforderungen an das Bauteil erhalten. Im zweiten Teil dieser Arbeit werden Schichtverbunde mit textilen Zwischenschichten untersucht, die sowohl einen interessanten Leichtbaufaktor als auch dämpfende Eigenschaften aufweisen. Einen Schwerpunkt der Arbeit bildet die Charakterisierung dieses Schichtverbundwerkstoffes, zum Beispiel durch Scherzug-, Biege- und Tiefziehversuche sowie Scherschneiduntersuchungen. Insbesondere erweiterte Versagensarten von Schichtverbunden durch Faltenbildung und Delamination in der Zwischenschicht konnten durch eine geeignete Auslegung der Schichtdicken und Umformwerkzeuge vermieden werden. Im dritten Teil der Arbeit werden Umformsimulationen mit verschiedenen Ersatzmodellen unter Berücksichtigung des dreischichtigen Aufbaus untersucht. Die Kennwerte der Werkstoffcharakterisierung werden als Parameter für die Simulationsmodelle verwendet und anschließend mit Hilfe von Umformexperimenten validiert. Es konnten sowohl die Eigenschaften der Deckbleche als auch der Zwischenschicht berechnet werden. Vor allem die Eingabeparameter, wie z. B. die Normal- oder Scherfestigkeiten der Zwischenschicht, die Genauigkeit und die Berechnungszeit der Simulation, spielen eine wesentliche Rolle für den wirtschaftlichen Einsatz solcher Modelle in der Entwicklung von Bauteilen aus Schichtverbunden. Mit Hilfe von bestehenden (größtenteils genormten) und mit neu entwickelten Prüfverfahren konnten die Eigenschaften von Schichtverbunden mit integrierten Versteifungselementen und textilen Zwischenschichten entsprechend genau modelliert und korrespondierende Modellparameter bestimmt werden. Außerdem wurden in Biege- und Tiefziehversuchen die umformtechnischen Grenzen für diese Werkstoffe ermittelt. Dadurch wurde ein wissenschaftlicher Beitrag zur Werkstoffcharakterisierung und zur Auslegung von Umformprozessen moderner hybrider Schichtverbundwerkstoffe geleistet sowie Grenzen der Übertragbarkeit der gewonnenen Erkenntnisse aufgezeigt.Item Open Access Dry metal forming using volatile lubricants injected into the forming tool through flow-optimized, laser-drilled microholes(2020) Henn, Manuel; Reichardt, Gerd; Weber, Rudolf; Graf, Thomas; Liewald, MathiasA novel tribologic system was developed in which volatile lubricants (carbon dioxide-CO2 or nitrogen-N2) were used as a substitute for mineral oil-based lubricants in deep drawing processes. This process allows an intermediate medium to be introduced into the tool contact surfaces under high pressure by flow-optimized, laser-drilled microholes. This eliminates the need for subsequent cost-intensive cleaning processes as volatile lubricants evaporate while expanding to ambient pressure without leaving any residue. This article gives an overview of the current findings to enable and characterize the novel tribologic system. The areas of microhole laser drilling by ultrashort pulsed laser radiation, characterization of the novel tribologic system and realization of the system using a prototype tool will be described.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.