Universität Stuttgart
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Item Open Access Mechanismen der Faltenbildung beim Bundanstauchen an hohlen Fließpressteilen(Stuttgart : Institut für Umformtechnik, 2016) Schiemann, Thorben; Liewald, Mathias (Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. MBA)Der wirtschaftliche Durchbruch des Kaltfließpressens von Stahl gelang in den 1930er Jahren nach erfolgreicher Umsetzung des sogenannten Singer Patents [PAT59], das ein Verfahren zur Phosphatierung der für die Kaltformgebung eingesetzten Halbzeuge aus Stahl beschreibt. Die wirtschaftliche Bedeutung des Fließpressens und des Stauchens nahm im Zuge der Industrialisierung und der Massenproduktion stetig zu. Der Automobilsektor gilt gemeinhin als der größte Abnehmer für durch Fließpressen und Stauchen hergestellte Bauteile. Weitere große Abnehmer sind der allgemeine Maschinenbau und die Bauindustrie. Durch Fließpressen hergestellte Bauteile zeichnen sich gegenüber durch andere Fertigungsverfahren hergestellte Bauteile aus Stahl vor allem durch die überlegenen mechanischen Eigenschaften aufgrund der fertigungsbedingten Kaltverfestigung sowie des belastungsgerechten Faserverlaufs aus. Darüber hinaus sind sehr hohe Mengenleistungen sowie einbaufertige Form-, Maß- und Lagetoleranzen (zwischen IT6 - IT11 [VDI98]) erzielbar. Die Oberfläche fließgepresster Bauteile weißt eine geringe Rauigkeit auf. Angesichts der globalen Ressourcenknappheit nimmt ein weiterer Vorteil dieses Fertigungsverfahrens - die Ressourceneffizienz - einen immer höheren Stellenwert ein. Fortschritte bei den Fertigungsverfahren zur Herstellung der für die Formgebung benötigten Umformwerkzeuge, wie z.B. das Senkerodieren und das Drahtschneiden sowie Weiterentwicklungen der Werkzeug- und auch Werkstückwerkstoffe und der für die Umformung benötigten tribologischen Systeme, erlauben die Herstellung immer komplexerer Komponenten [Lan08]. Die komplexen Fertigungsprozessketten bei der Herstellung von Kaltfließpress- und Kaltstauchteilen beginnen im Walzwerk mit dem Design des für den Anwendungsfall benötigten Werkstoffes. Bei der Weiterverarbeitung vom Draht erfolgt meist eine Reduzierung des Ausgangsdurchmessers durch eine oder mehrere Ziehstufen, die Vereinzelung durch einen Scherprozess und die mehrstufige Umformung. Dem Umformprozess können Weiterverarbeitungsschritte wie das Walzen und das Spanen angeschlossen sein. Darüber hinaus sind Veredelungsprozesse wie das Verzinken und Wärmebehandlungsprozesse zur Erreichung der notwendigen Bauteilfestigkeiten möglich. Die Komplexität dieser Prozessketten in Verbindung mit dem globalen Kostendruck und bedarfssynchroner Produktionen erfordert die frühzeitige Erkennung und Vermeidung von Fehlern, möglichst bereits während der Entwicklungsphase. Ein Hilfsmittel zur frühzeitigen Fehlererkennung ist die Methode der finiten Elemente und die auf ihr basierenden Computerprogramme zur Umform- und Prozesssimulation. Erklärtes Ziel aktueller Entwicklungen im Bereich der Massivumformung (z.B. Forschungsverbund Massiver Leichtbau) ist die virtuelle Abbildung dieser Prozessketten, die nicht nur die Herstellung des Umformteils, sondern auch mögliche Wärmebehandlungsschritte sowie das Verhalten des Bauteils unter Einsatzbedingungen berücksichtigen. Voraussetzung für die frühzeitige Erkennung von Fertigungsfehlern ist eine ausreichende Kenntnis über deren Ursache, die Mechanismen zur Entstehung dieser Fehler sowie der daraus abgeleiteten Ansätze zur Vermeidung dieser Fehler. Die vorliegende Arbeit setzt an diesem Punkt an und enthält Untersuchungsergebnisse zu Entstehungsarten, Ursachen, numerischer Darstellung sowie Abstellmaßnahmen des Umformfehlers äquatoriale Faltenbildung beim zweiseitig eingespannten, innen geführten Bundanstauchen hohler Fließpressteile. Die eingangs erwähnte Ressourceneffizienz durch Kaltmassivumformung hergestellter Leichtbauteile lässt sich durch Verwendung hohler Halbzeuge als Ausgangsmaterial weiter steigern. In Kapitel 1 und Kapitel 2 der vorliegenden Arbeit werden daher neben den Grundlagen des Fließpressens und des Stauchens verschiedene Herstellungsmöglichkeiten rohrförmiger Halbzeuge und in Kapitel 2.4 deren umformtechnische Weiterverarbeitung zu hohlen Bundwellen mittels Stauchen, Quer-Fließpressen und zahlreicher Sonderverfahren zusammengefasst. Ferner erfolgt die Darstellung bekannter verfahrensspezifischer Grenzen mit dem Schwerpunkt der äquatorialen Faltenbildung in einer übersichtlichen Form, aus der sich die in Kapitel 3 beschriebene Motivation und Zielsetzung der vorliegenden Arbeit ableitet. Defizite verschiedener nationaler und internationaler wissenschaftlicher Arbeiten zur Thematik der vorliegenden Arbeit sind vor allem die Missachtung des Einflusses der Umformhistorie der hohlen Halbzeuge auf die Faltenbildung sowie fehlende Untersuchungen zum Einfluss mehrstufiger Umformverfahren, Wärmebehandlungen sowie kinematischer, thermischer und tribologischer Einflüsse auf die äquatoriale Faltenbildung. Aus dem Stand der Technik leitet sich darüber hinaus Forschungsbedarf zur numerischen Darstellung der bekannten und bislang unbekannten Faltenbildungsmechanismen ab. Die Parametrisierung der numerischen Modelle, die Vorgehensweise zur Ermittlung der dafür benötigten Materialkennwerte und die eingesetzten Sampling- und Auswertemethoden für die stochastischen Parameterstudien werden in Kapitel 4 vorgestellt. In Kapitel 5 werden die eingesetzten Untersuchungsmethoden, die verwendete Anlagentechnik sowie die mehrstufigen, experimentell und numerisch untersuchten Prozessrouten und Verfahrenskombinationen für die Generierung der Untersuchungsergebnisse der vorliegenden Arbeit vorgestellt. In Kapitel 6 werden die drei gefundenen und zur äquatorialen Faltenbildung beim zweiseitig eingespannten, innen geführten Bundanstauchen hohler Halbzeuge führenden Mechanismen erläutert und anhand numerischer sowie experimenteller Untersuchungen belegt. Metallographische Analysen unterstützten hierbei die wissenschaftliche Beweisführung. Es gibt, Stand heute, drei verschiedene zur Faltenbildung führende Mechanismen. Die Faltenbildung 1. Art, als Folge instabilen Ausknickens des hohlen Halbzeuges, wird signifikant von geometrischen Prozessgrößen wie der bezogenen freien Stauchhöhe und der Wanddicke des hohlen Halbzeuges beeinflusst. Die numerischen und experimentellen Untersuchungen in Kapitel 7 zeigen darüber hinaus, dass das Instabilitätsverhalten des hohlen Halbzeuges werkstoffunspezifisch ist und kinematische sowie thermische Einflussgrößen nicht signifikant sind. Über die im Stand der Technik dargestellten Einflussgrößen hinaus konnte gezeigt werden, dass die Umformhistorie bzw. die Vorverfestigung des hohlen Halbzeuges das instabile Ausknicken signifikant beeinflusst und die Verfahrensgrenze bezogene freie Stauchhöhe in Richtung geringerer freier Stauchhöhen verschoben wird. Mittels geeigneter Wärmebehandlungen der umformtechnisch hergestellten hohlen Halbzeuge konnte die Verfahrensgrenze bezogene freie Stauchhöhe erweitert werden (Kapitel 7.5). In Kapitel 8 wird gezeigt, dass eine verfahrensspezifische, lokal sehr hohe, Verfestigung in Wechselwirkung mit der Oberflächenqualität des hohlen Halbzeuges sowie der lokalen Oberflächenverkleinerung zu einem hohen Fließwiderstand innerhalb des Werkstückes führt und der von oben nachfließende Werkstoff im Bauteil eingeschlossen wird. Überlegungen, dass diese Faltenbildung 2. Art aufgrund Überschreitung des werkstoffspezifischen ertragbaren Formänderungsvermögens ein Riss ist, wurde durch REM- und EDX-Analysen in Kapitel 6 widerlegt. Im Rahmen der experimentellen Untersuchungen in Kapitel 8.2.3 und Kapitel 8.2.4 konnte darüber hinaus gezeigt werden, dass die lokale Verfestigung Hauptursache für die Faltenbildung 2. Art ist und durch eine geeignete Wärmebehandlung oder einen veränderten Stofffluss vermieden werden kann. Bei Vermeidung sowohl der Falte 1. Art als auch 2. Art kommt es aufgrund der verfahrensspezifischen kontinuierlichen Reduzierung der inneren Mantelfläche zu einer unvermeidbaren multiplen Faltenbildung 3. Art (Kapitel 6.3). Die numerischen Untersuchungen zur prädiktiven Vorhersage der Faltenbildung 2. Art in Kapitel 7.5 zeigen, dass mittels der in der verwendeten Simulationssoftware verfügbaren Schadenskriterien diese Art der Faltenbildung nicht darstellbar ist. Es wird daher in Kapitel 9 die Vorgehensweise und die Umsetzung zur Entwicklung eines empirischen Schädigungsmodells zur Vorhersage der Faltenbildung 2. Art beschrieben. Die Beschreibung der experimentell bestimmten Einflussgrößen auf die Faltenbildung 2. Art erfolgte mit mathematisch, empirischen Termen und in Kapitel 10 wird die Parametrisierung der Gleichungen mittels der vorliegenden experimentellen Datenbasis beschrieben. Die Validierung und Absicherung des empirischen Schädigungskriteriums sowie der Nachweis der Übertragbarkeit auf andere Verfahren erfolgt in den Kapiteln 10.2 und 10.3. Kapitel 11 enthält eine Zusammenfassung der durchgeführten Forschungsarbeiten. Die gewonnen Erkenntnisse über die Verfahrensgrenzen werden in werkstoffspezifischen Arbeitsdiagrammen übersichtlich dargestellt. Die numerischen und experimentellen Ergebnisse dieser Arbeit machen deutlich, dass der Umformfehler Faltenbildung beim zweiseitig eingespannten und innen geführten Bundanstauchen differenziert und unter Beachtung der Fertigungsfolge, beginnend mit der Herstellung des hohlen Halbzeugs, betrachtet werden muss. Generell ist eine geringe Vorverfestigung des hohlen Halbzeuges vor dem Stauchprozess anzustreben. Darüber hinaus sollte eine möglichst geringe Oberflächenrauigkeit der inneren Mantelfläche angestrebt und das Instabilitätsverhalten des hohlen Halbzeuges während des Stauchens berücksichtigt werden. Kinematische und tribologische Einflussgrößen auf die Bildung einer Falte können im Rahmen z.B. industriell erreichbarer Prozessgeschwindigkeiten vernachlässigt werden. Mittels des entwickelten und in eine kommerzielle Software implementierten, empirischen Schädigungsmodells konnte erstmals die Faltenbildung 2. Art mit einer relativ hohen Genauigkeit prädiktiv vorhergesagt werden. Die Ergebnisse dieser Arbeit leisten somit einen wichtigen Beitrag zur industriellen Prozessauslegung derartiger Umformprozesse.Item Open Access Residual stresses in deep-drawn cups made of duplex stainless steel X2CrNiN23-4 : influence of the drawing depth(2021) Simon, Nicola; Erdle, Hannes; Walzer, Stefan; Gibmeier, Jens; Böhlke, Thomas; Liewald, MathiasResidual stress development in deep drawing processes is investigated based on cylindrical cups made of duplex stainless steel sheet. Using a two-scale approach combining finite element modelling with a mean field homogenization scheme the macro residual stresses as well as the phase-specific micro residual stresses regarding the phases ferrite and austenite are calculated for steel X2CrNiN23-4 for various drawing depths. The simulation approach allows for the numerical efficient prediction of the macro and phase-specific micro residual stress in every integration point of the entire component. The simulation results are validated by means of X‑ray diffraction residual stress analysis applied to a deep-drawn cup manufactured using corresponding process parameters. The results clearly indicate that the fast simulation approach is well suited for the numerical prediction of residual stresses induced by deep drawing for the two-phase duplex steel; the numerical results are in good agreement with the experimental data. Regarding the investigated process, a significant influence of the drawing depth, in particular on the evolution of the residual stress distribution in drawing direction, is observed. Considering the appropriate phase-specific strain hardening, the two-scale approach is also well suited for the prediction of phase specific residual stresses on the component level.Item Open Access Simulationsgestützte Analysemethodik zur Untersuchung von thermomechanischen Bauteildeformationen von Fahrzeugkarosserien im Lacktrocknungsprozess(Stuttgart : Institut für Umformtechnik, 2016) Albiez, Christoph; Liewald, Mathias (Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. MBA)Neue Karosserieleichtbaukonzepte stellen nicht nur neue Herausforderungen an die beanspruchungsgerechte Materialauswahl und die Auslegung der Fügetechnologien, sondern auch an den Fertigungsprozess selbst und dessen Absicherung. Im Rahmen dieser Arbeit wurden deshalb die Produktveränderungen von Fahrzeugkarosserien im Lacktrocknungsprozess (Δα-Problematik) untersucht. Da anmutungsrelevante Oberflächenveränderungen von Außenhautbeplankungen zu zeit- und somit kostenintensiven Änderungsschleifen in der Anlaufphase eines neuen Automobils führen können, sind virtuelle Methoden zur Erkennung und Bewertung möglicher Fehlerquellen von besonderem Interesse. Im Stand der Technik wurden die phänomenologischen Einflussgrößen des thermomechanischen Verformungsverhaltens von Fahrzeugkarosserien im Lacktrocknungsprozess umfangreich beschrieben und aktuelle Konzepte der virtuellen und physischen Absicherung vorgestellt. Die aufgeführten Arbeiten zeigten zwar die mögliche Kopplung der einzelnen Prozesssimulationen im Fertigungsprozess mit der KTL-Trocknung durch Anwendung von Mapping-Algorithmen auf, der eigentliche Nachweis zur Notwendigkeit der Berücksichtigung vorgelagerte Fertigungsprozesse zur Vorhersage von bleibenden Formabweichungen nach der Lacktrocknung blieb ungeklärt. Ferner lagen keine ausreichenden experimentellen Untersuchungen an unterschiedlichen Baugruppen zur Bewertung des Einflusses von vorhandenen Formabweichungen vorgelagerter Fertigungsschritte und Wechselwirkungen aufgrund von Eigenspannungen auf das Deformationsverhalten von Baugruppen im KTL-Trocknungsprozess vor. Desweiteren existierten keine Handlungsempfehlungen oder Analysemethoden, die zwischen den jeweiligen Produktentstehungsphasen sowie den vorhandenen Produkt- und Prozessinformationen unterschieden. Die Vorgehensweise dieser Arbeit zur Entwicklung einer durchgängigen simulationsgestützten Analysemethodik zur Untersuchung des thermomechanischen Bauteilverhaltens in Lacktrocknungsprozessen basierte auf Baugruppen mit unterschiedlichen Komplexitätsstufen aufgrund der unterschiedlichen Fragenstellungen hinsichtlich der Prognosegüte der thermomechanischen Berechnungsmethode, der Wechselwirkungen mit vorgelagerter Fertigungsschritten und die Anwendbarkeit der Analysemethode auf ganze Fahrzeugkarosserien. Ausgangspunkt der prinzipiellen Untersuchungen bildete die „spannungsfreie“ Baugruppe „Hutprofil“. Hierbei wurden grundlegende Voruntersuchungen zur Qualifizierung der Messmethoden im Hinblick auf die experimentellen Untersuchungen vorgenommen. Neben der Temperaturmessung stand die Ermittlung des in-situ Deformationsverhaltens unter realen Versuchsbedingungen im Fokus der Untersuchungen. Als Handlungsfeld wurde hier die entkoppelte Ermittlung thermischer und mechanischer Bauteildehnungen identifiziert und in diesem Zuge ein kompaktes Messsystem auf Basis von Dehnungsmessstreifen (DMS) und PT1000 Temperatursensoren entwickelt, das die Aufzeichnung von thermomechanischen Bauteildehnungen und Temperaturen an ausgewählten Bereichen während des Ofendurchlaufs ermöglicht. Da die Validierung von numerischen Berechnungsergebnissen anhand experimenteller Untersuchungen, eindeutiger und reproduzierbarer Vorschriften bedarf, wurden unterschiedliche konsistente Auswertungsmethoden in Abhängigkeit der eingesetzten aktiven und passiven 3D-Messverfahren erarbeitet. Ergänzend wurden hierzu erweiterte Oberflächenevaluierungsverfahren und formbeschreibende Metriken eingeführt. Als notwendige Eingangsgröße der numerischen Parameterstudien wurden die mechanischen Eigenschaften der verwendeten Aluminium- und Stahlwerkstoffe charakterisiert. Die Ermittlung der temperaturabhängigen Materialkennwerte erfolgte hierbei in Anlehnung des KTL-spezifischen Temperaturprofils. Neben der Ermittlung der temperaturabhängigen Fließkurven mit sinkender Streckgrenze bei steigender Temperatur in der Aufheizphase wurde der Einfluss der Ausscheidungshärtung von Aluminiumlegierungen auf die Fließkurvenänderungen während der Haltezeit aufgezeigt. Die anschließenden numerischen und experimentellen Untersuchungen an der Baugruppe „Hutprofil“ führten zu dem eindeutigen Nachweis, dass die in dieser Arbeit verwendete Berechnungsmethodik zur Vorhersage der thermomechanischen Bauteildeformationen im Lacktrocknungsprozess geeignet ist. Dabei identifizierten die durchgeführten numerischen Parameterstudien einen signifikanten Einfluss der numerischen Ersatzmodelle der Fügeverbindungen auf das Deformationsverhaltens der Baugruppe. Dementsprechend wurden in den experimentellen Versuchen Baugruppen unterschiedlicher Verbindungssteifigkeiten und -nachgiebigkeiten realisiert, die den signifikanten Einfluss der Verbindungstechnik eindeutig bestätigten. Die Validierung der Berechnungsergebnisse zeigte somit hohe Übereinstimmungen der steifen Schraubenverbindung und eine hinreichend genaue Abbildung des Deformationsverhaltens der genieteten Baugruppen aufgrund der Nachgiebigkeiten und der Verkippung der Nieten bei maximaler Belastung. Die Validierung der Berechnungsergebnisse identifizierte somit weitere Handlungsfelder hinsichtlich der Charakterisierung und Kalibrierung der temperaturabhängigen Verbindungseigenschaften (Steifigkeiten) neuer Fügeverbindungen und Ableitung geeigneter Ersatzmodelle für den Einsatz in umfangreichen Gesamtkarosseriemodellen. Ferner zeigten die experimentellen Bauteilversuche die Notwendigkeit zu weiterführenden Untersuchungen des viskoelastischen Materialverhaltens von Aluminiumblechlegierungen im KTL-Trocknungsprozess und die Implementierung geeigneter Materialmodelle in die Prozesssimulation auf. Auf der nächsten Komplexitätsebene der numerischen und experimentellen Untersuchungen wurden Prozesseinflussgrößen anhand der „Benchmarkbaugruppe Karosserieanbauteile“ nach [Eck12] bestehend aus einer geclinchten Innengruppe zweier Aluminiumblechteile und ein geklebtes und rollgefalztes Aluminiumaußenhautbauteil bewertet. Da sich die Prozesskettenbaugruppe besonders durch die hohe Variabilität der einstellbaren Produkt- und Prozessparameter auszeichnet, wurden unterschiedliche Baugruppen hinsichtlich maßlicher Vorhaltungen bzw. Vorspannung der Innengruppe und Klebstoffmengen generiert und dessen Einfluss auf die finale Formabweichungen nach der Temperierung untersucht. Hierbei wurde aufgezeigt, dass sich die unterschiedlichen Verspannungen der gefügten Innengruppen deutlich stärker auf die bleibenden klebstoffbedingten Formänderungen als die Verringerung der Klebstoffmenge selbst auswirken. Somit haben vorgelagerte Fertigungsschritte im Hinblick auf bereits vorhandenen Bauteilabweichungen und Spannungszuständen aus dem Presswerk oder Karosseriebau einen direkten Einfluss auf das Deformationsverhalten der Baugruppe im Ofen und müssen somit in der Prozesskettensimulation berücksichtigt werden. Die anschließende numerische Abbildung der bleibenden Formabweichungen nach der Temperierung der „Benchmarkbaugruppe Karosserianbauteile“ berücksichtigte darüber hinaus unterschiedliche Ansätze auf Basis von Nominal- und digital rekonstruierten Bauteilgeometrien sowie einer Prozesskettensimulation zur Verknüpfung des Lacktrocknungsprozesses mit vorgelagerten Fertigungsschritten. Zwar wurde die Machbarkeit und Notwendigkeit zur Integration der Produkteigenschaften und -zustände vorgelagerter Fertigungsschritte nachgewiesen, jedoch wurde im Rahmen dieser Arbeit deutlich, dass für eine durchgängige Prozesskettensimulation auch eine sequentielle Validierung nach jedem einzelnen Fertigungsschritt notwendig ist. Die Implementierung digital rekonstruierter Bauteildaten ermöglichte hierzu alternative Berechnungsmethoden zur Berücksichtigung von vorhandenen Formabweichungen, die das thermische Deformationsverhalten und somit unmittelbar die bleibenden Formabweichungen maßgeblich beeinflussen. Auf Basis der Untersuchungen in dieser Arbeit wurden Anwendungsgrenzen abgeleitet und Einsatzmöglichkeiten in der frühen Konzeptphase sowie anlaufbegleitende Problemanalysen zur Reifegradsteigerung prinzipiell und qualitativ aufgezeigt. Abschließend wurden die erarbeiteten Erkenntnisse auf die Analysemethode von umfangreichen Karosseriemodellen übertragen. Dabei wurde im Sinne einer effizienten Berechnungsmethode zur iterativen Unterstützung des Entwicklungsprozesses die Submodelltechnik mit kurzen Berechnungszeiten unter der Prämisse einer gleichbleibenden Prognosegüte eingeführt. Die vorgestellten modellreduzierten Submodelle ermöglichten sowohl die effiziente Kopplung mit vorgelagerten Prozessen als auch parametrische Berechnungen zur Erstellung von Sensitivitäts- und Optimierungsstudien. Auf dieser Grundlage wurde eine verifizierte und durchgängige Analysemethode zur Prognose und Bewertung von thermomechanischen Produktveränderungen in der frühen Entwicklungsphase sowie eine anlaufbegleitende Reifegradsteigerung durch die Integration realer Produkt- und Prozessdaten in der Simulation vorgestellt.Item Open Access Cold forging of gear components by a modified Samanta process : conference proceedings(2020) Weiß, A.; Deliktas, T.; Liewald, M.; Missal, N.Cold forging of toothed components by extrusion is associated with high punching forces and tool loads, which requires the use of expensive and high-strength tool steels. High process forces result into a substantial tool deflection, which significantly reduces the precision of the toothed components. Thus, the development of alternative processes in order to reduce acting process forces in cold forging is of high interest. A potential process enhancement approach is to use a preform operation where the resulting preform can be formed partwise either in the same or in a subsequent die. Preforms allow to systematically control the material flow in subsequent forming operations. For this reason, the Institute for Metal Forming Technology in Stuttgart has developed a new cold extrusion process for manufacturing toothed components based on the conventional Samanta process. The newly developed die design of the Guided Material Flow-Samanta (GMF-Samanta) process enables efficient cold forging of gears. By means of numerical simulations and forging experiments it was successfully demonstrated that the new Guided Material Flow-Samanta process results into a significant reduction of punch force and normal pressure while simultaneously improving the die filling.Item Open Access Beitrag zum Umformfügeprozess einer Welle-Nabe-Verbindung durch Quer-Fließpressen(Stuttgart : Institut für Umformtechnik, 2016) Dörr, Florian; Liewald, Mathias (Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. MBA)Laut VDA-Jahresbericht 2014 wird im Bereich des Automobilbaus etwa 75 % der Wertschöpfung des Endproduktes in vor- und zwischengeschalteten Produktionsschritten bei Zulieferern erbracht [VDA14]. Zur Effizienzsteigerung der Wertschöpfungskette wird hierbei die Bündelung von Fertigungsschritten bzw. die Synchronisation mehrerer Produktionsschritte in der Zulieferkette bei einem TIER-1 Lieferant als Systemlieferant angestrebt. Die Kombination der beiden Grundverfahren Umformen und Fügen bietet beispielsweise eine Möglichkeit zur Erhöhung des Anteils an der Wertschöpfungskette bei einem solchen TIER-1 Lieferanten, wenn dieser zusätzlich zum Fügeprozess auch für die umformtechnische Herstellung der Einzelteile verantwortlich ist. Dies erfordert zum einen die interdisziplinäre Zusammenarbeit der Fachgebiete Füge- und Umformtechnik und zum anderen die weitere wissenschaftliche Erforschung grundlegender Wirkzusammenhänge auf diesem Gebiet. Zur Steigerung der Attraktivität konventioneller Umformverfahren im Allgemeinen und dem Quer-Fließpressen im Speziellen untersucht diese Arbeit eine Verfahrenskombination aus Quer-Fließpressen einer Welle und dem gleichzeitigen Fügen dieser mit einer Nabe. Aufgrund der Verfahrensspezifika des umformtechnischen Fügens handelt es sich bei der hergestellten Welle-Nabe-Verbindung um einen sowohl kraft- bzw. reibschlüssigen als auch formschlüssigen nicht lösbaren Verbindungstyp. Der elastisch-plastische Umformprozess der Welle führt zu bleibenden elastischen Verformungen beider Fügepartner, wobei sich in der Kontaktfläche ein Gleichgewichtszustand aus Innendruck auf die Nabe und Außendruck auf die Welle einstellt. Insbesondere dünnwandige und gehärtete Naben sind aufgrund der ebenfalls vorhandenen tangentialen Zugspannungen und der Spannungsinhomogenität, verursacht durch das Nabeninnenprofil, anfällig hinsichtlich eines Sprödbruchs während des Umformfügens. Zur Vermeidung eines derartigen Versagensfalls während des Umformfügeprozesses kann prinzipiell zum einen werkzeugseitig eine radiale Nabenvorspannung realisiert werden. Zum anderen kann bauteilseitig eine Anpassung des Nabeninnenprofils zur Reduzierung der Kerbwirkung erforderlich werden. Eine weitere Herausforderung auf dem Gebiet des Umformfügens mittels Fließpressverfahren ist die Einstellung optimaler tribologischer Bedingungen. Im Gegensatz zum umformtechnischen Fügen im Bereich der Blechumformung treten beim Fließpressen signifikante Oberflächenvergrößerung der umgeformten Fügepartner auf. Dies wird beim Verfahren des gemeinsamen Fließpressens [Lang93] ausgenutzt, um annähernd stoffschlüssige Verbindungen in Form einer Kaltpressschweißverbindung zu erzeugen. Für den in dieser Arbeit betrachteten Fall des umformtechnischen Fügens sind daher während des Prozesses möglichst geringe Gleitreibungszahlen zum Erreichen hoher Formfüllungsgrade anzustreben. Nach dem Umformprozess sollten dahingegen hohe Haftreibungszahlen in der Kontaktfläche beider Fügepartner erreicht werden. Zur Lösung der oben genannten Herausforderungen und offenen Fragestellungen wird im Rahmen dieser Arbeit zunächst der Stand der Technik für die beiden Themengebiete Fließpressen (Kap. 2.1) und Umformfügen (Kap. 2.2) betrachtet und bereits bekannte Lösungen und Herangehensweisen analysiert. Nach der Ermittlung der relevanten Werkstoffkennwerte (Kap. 5) erfolgt eine numerische Prozessanalyse des Umformfügeprozesses (Kap. 7), die neben der Untersuchung unterschiedlicher Einflussfaktoren und der Festlegung von Versuchsparametern für die experimentelle Untersuchung die Grundlage für die Werkzeuggestaltung und -konstruktion (Kap. 6) bildet. Mit Hilfe eines segmentierten Werkzeuges zur einstellbaren, radialen Vorspannung der Naben während des Umformfügeprozesses werden im weiteren Verlauf der Arbeit drei Versuchsreihen durchgeführt (Kap. 8). Diese drei Versuchsreihen beschäftigen sich mit der Untersuchung des tribologischen Systems zwischen Welle und Nabe während und nach dem Umformfügeprozess, dem Einfluss des Nabeninnenprofils auf Vorgangs- und Kenngrößen der Verbindung und mit dem Einfluss der radialen Nabenvorspannung während des Umformfügeprozesses. In der ersten Versuchsreihe (Kap. 8.3), die die Analyse des tribologischen System umfasst, werden neben unterschiedlichen Oberflächentopografien beider Fügepartner auch verschiedene Schmierstofftypen untersucht sowie Haft- und Gleitreibungszahlen in der Kontaktfläche der Welle-Nabe-Verbindung ermittelt. In der nachfolgenden Versuchsreihe zum Einfluss des Nabeninnenprofils auf Vorgangs- und Verbindungskenngrößen (Kap. 8.4) werden die Hauptmerkmale des Nabeninnenprofils, bestehend aus Profilexzentrizität, Mitnehmeranzahl und Profiltyp variiert. Die letzte Versuchsreihe (Kap. 8.5) dient zur Ermittlung des Einflusses der radialen Nabenvorspannung durch das segmentierte Werkzeug auf Vorgangsgrößen und Bauteileigenschaften, wie beispielsweise die übertragbare Axialkraft, die sich ergebende Rundheitsabweichung oder den sich einstellenden Kontaktfugendruck in der Verbindung. Die Diskussion der numerischen und experimentellen Untersuchungsergebnisse (Kap. 9) führt alle erzielten Ergebnisse zusammen und vergleicht diese. Abschließend werden Empfehlungen zur Prozessführung und Bauteilgestaltung gegeben, welche zur Herstellung einer dünnwandigen Welle-Nabe-Verbindung mit gehärteter Nabe einzuhalten sind und welche Wirkzusammenhänge zwischen den genannten Einflussfaktoren und Prozesskenngrößen und Bauteileigenschaften bestehen. Die im Rahmen dieser Arbeit erzielten Ergebnisse lassen den Schluss zu, dass es möglich ist, Welle-Nabe-Verbindungen mit komplexen Nabeninnenprofilen und guten Bauteileigenschaften mittels Quer-Fließpressen der Welle herzustellen. Hierbei treten Bauteileigenschaften wie die Zunahme der Rundheitsabweichung oder das Vorhandensein von Eigenspannungen in der Nabe auf, die sich aufgrund des Herstellverfahrens lediglich reduzieren, sich jedoch nicht vollständig vermeiden lassen. Die für diesen konkreten Fall gewonnenen Erkenntnisse werden abstrahiert und dienen als Basis für allgemeingültige Prozessanforderungen sowie zu erwartende Komponenteneigenschaften nach dem umformtechnischen Fügen durch Kaltfließpressen (Kap. 9). Während sich diese Arbeit maßgeblich auf den Herstellungsprozess und einige Komponenteneigenschaften wie die erreichbare axiale Haftkraft oder die sich einstellenden Rundheitsabweichungen fokussiert, werden Verbindungseigenschaften, wie die dynamische und statische Torsionsfestigkeit von Hr. Michael Funk (Institut für Konstruktionstechnik und Technisches Design, IKTD, Universität Stuttgart) betrachtet und analysiert. Diese Arbeit entstand in enger Zusammenarbeit mit dem IKTD im Rahmen eines gemeinsamen Forschungsprojektes, das von der Deutschen Forschungsgemeinschaft gefördert wurde (LI 1556/24-1 bzw. BI 746/10-1). Eine kurze Übersicht zu den ermittelten Verbindungseigenschaften ist ebenfalls in Kap. 9 zu finden.Item Open Access Ein Beitrag zum Wärmeeinfluss und zur Temperaturführung bei der Umformung von nichtrostenden Stahlblechwerkstoffen(Stuttgart : Institut für Umformtechnik, 2016) Schmid, Philipp; Liewald, Matthias (Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. MBA)Die Umformung nichtrostender austenitischer Blechwerkstoff ist aufgrund der dehnungsinduzierten α‘-Martensitbildung und des damit einhergehenden TRIP-Effekts (Transformation Induced Plasticity) stark von der Umformtemperatur beeinflusst. Änderungen der Umformtemperatur sind dabei nicht nur vom Werkstoff selbst hervorgerufen, sondern auch von tribologischen oder werkzeugspezifischen Rahmenbedingungen und wirken sich unmittelbar auf die Umformbarkeit und Bauteilqualität aus. Im Rahmen dieser Arbeit wurden der Einfluss der Temperatur und Wärmeströme in Umformwerkzeugen auf das Materialverhalten und Umformergebnis untersucht und Methoden aufgezeigt, um den Wärmeeinfluss als Größe zur gezielten Verbesserung vorhandener Prozesse einzusetzen. Im Hauptteil der Arbeit wurde mittels nichtisothermen uniaxialen Zugversuchen grundlegendes Wissen zur Martensitentwicklung erlangt und Zusammenhänge mit den mechanischen Werkstoffeigenschaften hergestellt. Mithilfe von temperierten Nakajima-Versuchen konnten temperaturabhängige Versagensgrenzen bestimmt und in Zusammenhang mit der Austenitstabilität gebracht werden. Grundlagenversuche zum Zwischenglühen von Austeniten zeigen, dass durch den gezielten Einsatz von Wärme die Werkstoffeigenschaften in mehrstufigen Umformprozessen gezielt beeinfluss werden können. In weiterführenden Untersuchungen des tribologischen Systems und von Wärmeübergängen in Umformwerkzeugen konnte der Einfluss der Werkzeugoberflächenbeschaffenheit sowie von Schmierstoffen und Ziehfolien auf die Wärmeflüsse qualitativ und quantitativ erfasst werden. Die passive Erwärmung von Umformwerkzeugen wurde mittels Dauerlaufversuchen in Labor- und Realversuchen erfasst und diskutiert. Dieses Wissen dient als Basis für zukünftige weiterführende Verbesserungen der Temperaturführung in Umformwerkzeugen. Der Fokus der durchgeführten Arbeiten lag dabei auf Tiefziehprozessen, wobei die Übertragbarkeit der gewonnenen Erkenntnisse auf Sekundärprozesse wie dem Scherschneiden nachgewiesen wurde. Aufbauend auf den gewonnenen Ergebnissen konnte die generelle Beeinflussung der Martensitbildung mithilfe von lokal temperaturgeführten Umformwerkzeugen sowie dem lokalen Zwischenglühen von Bauteilen belegt werden. In diesem Kontext wurde ein innovatives Werkzeugtemperiersystem auf Basis der Peltier-Kühltechnik entwickelt, umgesetzt und in praktischen Versuchen validiert. Die im abschließenden Kapitel der Arbeit durchgeführten simulativen Studien eines Serienprozesses zeigen die generelle Umsetzbarkeit und Abbildbarkeit von Wärmeentwicklungen und deren Einfluss auf die dehnungsinduzierte Martensitbildung. Gleichzeitig konnte ein vereinfachtes Werkstoffmodell entwickelt werden, mithilfe dessen die Rechenzeiten bei Anwendung numerischer Methoden sowie Komplexität der Modellparameterbestimmung durch Miteinbeziehung der Austenitstabilität in die Modellierung verbessert werden kann. Die Arbeit schließt mit einer Zusammenfassung der innerhalb der vorliegenden Arbeit durchgeführten Forschungsarbeiten. Mithilfe dieser wurde ein wissenschaftlicher Beitrag zur Werkstoffcharakterisierung nichtrostender Austenitischer Stähle und zur Auslegung temperaturgeführter Umformprozesse und Werkzeuge geleistet sowie weitere zukünftige Potenziale aufgezeigt.Item Open Access Friction and wear behavior of deep drawing tools using volatile lubricants injected through laser-drilled micro-holes(2021) Reichardt, Gerd; Henn, Manuel; Reichle, Paul; Umlauf, Georg; Riedmüller, Kim; Weber, Rudolf; Barz, Jakob; Liewald, Mathias; Graf, Thomas; Tovar, Günter E. M.In deep drawing processes, the use of lubricants is mandatory in order to prevent wear on tools and surface damage to the formed sheet metal components. Here, frequently used lubricants are synthetic and mineral oils, emulsions, and waxes. However, these conventional lubricants have to be applied to the sheet material prior to the forming operation and removed afterwards by cleaning processes. Additionally, the lubricants often contain substances that are harmful to the environment and to human health. To counteract these economic and ecological disadvantages, research is currently being conducted on a novel tribological system. For this, volatile media such as liquid carbon dioxide and gaseous nitrogen are being used, and are introduced directly into the friction zones between the tool and the sheet metal material during deep drawing under high pressure through special laser-drilled micro-holes. This paper covers the latest investigations and findings regarding the design of flow-optimized micro-holes, the laser drilling process, the friction characterization on tool radii, and the tool wear to be expected when using the lubrication medium CO2.Item Open Access Methode zur Bewertung und Prognose der Anmutungsqualität und der Herstellbarkeit von Falzschlaufen an Karosserieanbauteilen aus Aluminium(Stuttgart : Institut für Umformtechnik, 2016) Hönle, Severin; Liewald, Mathias (Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c. MBA)Die hohen Ansprüche der Kunden an Premiumfahrzeuge sowohl im Hinblick auf die technologische Leistungsfähigkeit des Fahrzeugs wie auch hinsichtlich der attraktiven Gestaltung des Exterieurs stellen heute zentrale Punkte bei der Planung und Entwicklung solcher Fahrzeuge dar. Gleichzeitig wird der Prozess zur Konzept- und Serienentwicklung von Premiumfahrzeugen durch den hohen Grad an Derivatisierung und die Forderung nach kurzen Produkteinführungszeiten zunehmend komplex. Insbesondere die Fertigung von Anbauteilen für die Fahrzeugaußenhaut steht im Spannungsfeld zwischen der Umsetzung von Designvorgaben, die den Kundenwunsch widerspiegeln, und der Wirtschaftlichkeit zur Auslegung und Absicherung der Herstellbarkeit dieser Teile. Neben den Designmerkmalen auf der flächigen Außenhaut (z. B. Tornadolinie) stehen auch Designmerkmale wie Fugen im Fokus der Fahrzeughersteller. Die Fugen von Fahrzeugen (z. B. Türfuge) stellen aufgrund Ihrer geringen Breite (< 10 mm) keine selbständigen Formelemente dar, vielmehr wirken die Fugen als Trennlinie zwischen zwei Bauteilen. Diese Trennlinien sind einerseits technisch erforderlich (z. B. um eine Relativbewegung der Bauteile zu ermöglichen), andererseits sind die Fugen für den Kunden sichtbar und stellen somit ein gestalterisches Element der Fahrzeugaußenhaut dar. Im Sinne des Produktdesigns sind Fugen Teil der Produktgestalt, die beim Kunden Aufmerksamkeit erzeugen und Interesse wecken soll. Die „Kommunikation“ zwischen Mensch und Produkt wird durch die Wahrnehmung und die Erkennung des Produkts sowie durch das Verhalten gegenüber dem Produkt bestimmt. Die emotionalen Eindrücke des Kunden, d. h. das Auftreten von negativen oder positiven Stimmungen, werden als Anmutung des Produktes bezeichnet. Diese Anmutung stellt einen diffusen, gefühlsartigen und subjektiv geprägten Eindruck dar. Durch das projizieren des erlebten Eindrucks auf das Produkt wird die Anmutung gleichzeitig zu einer Objekteigenschaft. Für eine ansprechende Produktgestaltung mit dem Ziel bestimmte Fahrzeugeigenschaften (z. B. Sportlichkeit) zu vermitteln, muss die Anmutung der Karosseriefugen mit betrachtet und bewertet werden. Die zeitlichen Vorgänge während des Erkennens sowie grundsätzliche Zusammenhänge zwischen Formgestalt und Anmutung sind zwar bekannt (vgl. Kap. 2.1), eine Quantifizierung der Anmutungsleistung von Karosseriefugen heutiger Fahrzeuge liegt jedoch nicht vor. Ziel dieser Arbeit ist es daher die Anmutung von Karosseriefugen zu erfassen, zu quantifizieren und fertigungstechnische Einflussgrößen zu ermitteln. Karosseriefugen werden durch die angrenzenden Anbauteile bestimmt. Hierbei steht vor allem die Falzung der Anbauteile, welche deren Umrandung darstellt, im Fokus. Das Falzen des Außenteils mit dem Innenteil stellt einen Karosseriebauprozess dar. Aus fertigungstechnischer Sicht ist das Falzen der Bauteile ein Biegeprozess, bei dessen Auslegung insbesondere die auftretenden Biegebeanspruchungen betrachtet werden müssen. Die im Rahmen dieser Arbeit betrachteten Aluminiumblechwerkstoffe der AA 6xxx Reihe weisen eine, im Vergleich zu üblichen Stahlgüten, reduzierte Biegbarkeit auf. Obwohl in den vergangenen Jahren zahlreiche Ansätze zur Bestimmung der Biegbarkeit (vgl. Kap. 2.3.4) dieser Werkstoffe entwickelt wurden, stellt die Auslegung von Falzprozessen für den PKW-Karosseriebau auch heute noch eine große Herausforderung dar. Eine Ursache hierfür ist die eingeschränkte Übertragbarkeit der in einfachsten Laborversuchen ermittelten Biegekriterien, z. B. mithilfe des Plättchenbiegens, auf den komplexen Karosseriebauprozess unter Berücksichtigung der Einzelteilherstellung, z. B. Tiefziehen. Im Rahmen dieser Arbeit wurden daher seriennahe Versuchswerkzeuge für Maschinen- und Rollfalzvorgänge eingesetzt, um einerseits die Biegekriterien zu validieren und andererseits Prozesseinflussgrößen zu quantifizieren. Damit zukünftige Fertigungsprozesse für Karosserieanbauteile aus Aluminium, welche an ihrer Bauteilumrandung Falzschlaufen mit hoher Anmutungsqualität aufweisen sollen, versagensfrei ausgeführt werden können, ist es Ziel dieser Arbeit ein prinzipielles Modell zur Prognose der Anmutungsqualität der Falzschlaufe und der auftretenden Biegebeanspruchungen zu entwickeln. Das als Hemming Quality Diagram HQD bezeichnete Modell stellt einen kausalen Zusammenhang zwischen der Anmutungsqualität einer Falzschlaufe und deren Herstellbarkeit dar. Die grundlegenden Voraussetzungen hierfür sind die Kenntnisse über die prozessualen Einflussgrößen auf die dimensionalen Eigenschaften der Falzschlaufe (und somit auch deren Anmutungsqualität) sowie auf die Biegebeanspruchungen (und somit der Herstellbarkeit der Falzschlaufe). Für die Bewertung der Herstellbarkeit wurde zunächst die Biegbarkeit von zwei Aluminiumlegierungen mithilfe des Plättchenbiegens charakterisiert. Die Ergebnisse der Charakterisierung dienten als Referenz bei der nachfolgenden Bewertung der während des Falzens auftretenden Biegebeanspruchungen. Für die Bewertung der Biegbarkeit wurde der Biegebewertungsfaktor nach [DEN14] als Versagenskriterium verwendet. Dieses Kriterium wurde speziell für Aluminiumlegierungen der AA 6xxx Reihe entwickelt und beschreibt das Versagen in Folge einer starken Dehnungslokalisierung an der Falzschlaufe. Für die experimentelle Bestimmung der Biegebeanspruchung wurde zunächst mithilfe der optischen Formänderungsanalyse die Dehnungsverteilung an der Falzkante gemessen und anschließend das Dehnungsmaximum und die Breite der Formänderungszone bestimmt. Aus dem Verhältnis dieser beiden Größen kann die Biegebeanspruchung abgeleitet werden. Im Anschluss an die Charakterisierung der Werkstoffe wurde die prozessuale, schrittweise Entwicklung der Biegebeanspruchung während des Falzens betrachtet. Hierbei wurde sowohl das Maschinenfalzen mit starren Werkzeugen als auch das Rollfalzen mit einem industriellen Roboter untersucht. Die betrachtete Prozessfolge umfasste dabei sowohl das Tiefziehen und Abstellen der Bauteilflansche des Einzelteils als auch das Falzen. Bei beiden Fertigungstechnologien zeigt sich, dass die Biegebeanspruchung nicht ausschließlich vom Falzprozess abhängt, vielmehr werden die Beanspruchungen bereits bei der Einzelteilherstellung prädisponiert. Aufbauend auf die prozessuale Betrachtung der Fertigungskette wurden mit denselben seriennahen Werkzeugen die Einflussgrößen auf die Biegebeanspruchung untersucht und quantifiziert. Neben den prozessualen Einflussgrößen (z. B. Vorbeanspruchung des Außenblechs beim Tiefziehen) wurden zwei Aluminiumlegierungen und konstruktive Einflussgrößen (z. B. Nennblechdicke des Innenteils) mit betrachtet. Die experimentellen Versuche wurden mit einem statistischen Versuchsplan durchgeführt und ausgewertet. Die Ergebnisse zeigen sowohl für das Maschinen- als auch für das Rollfalzen, dass die Wahl des Blechwerkstoffs und die Nennblechdicken der eingesetzten Blechgüten den weitaus größten Teil der resultierenden Biegebeanspruchung vorherbestimmen. Die prozessualen Größen „Abstellradius“ und „Vorbeanspruchung“ bilden die wichtigsten fertigungstechnischen Einflussgrößen. Beim Maschinenfalzen kann die Biegebeanspruchung nur sehr gering durch die technologischen Parameter des Falzens (z. B. Falzkraft) beeinflusst werden. Beim Rollfalzen ist die Möglichkeit zur Einflussnahme etwas deutlicher ausgeprägt. Hier ist vor allem die Bahn der Falzrolle während des Vorfalzens entscheidend. Im Vergleich zur Beeinflussung der Biegebeanspruchung durch den Einzelteilprozess sind die Stellmöglichkeiten beim Falzen (Maschinen- und Rollfalzen) als gering zu bewerten. Die experimentellen Untersuchungen dienten neben der Ermittlung der Biegebeanspruchung auch der Ermittlung der dimensionalen Eigenschaften der Falzschlaufe. Für die Bewertung der dimensionalen Eigenschaften werden charakteristische Merkmale, die einerseits messtechnisch erfassbar sind, andererseits die visuellen Eigenschaften der Falzschlaufe in Hinblick auf die Anmutung widerspiegeln, benötigt. Die Analyse der Querschnitte von Falzschlaufen aus Aluminium zeigte, dass die Kontur eines gefalzten Blechabschnitts nur unzureichend durch die Angabe eines Kreisradius beschrieben wird. Deutlich bessere Approximationen wurden mithilfe von Ellipsen erzielt. Für die Bewertung der dimensionalen Eigenschaften wurde eine Ellipse gewählt, deren Hauptachsen die sichtbare Schlaufenlänge und die sichtbare Schlaufentiefe bilden. Die Kontur des Falzes wird auf diese Weise zu ca. 97 % genau wiedergegeben. Analog zu den experimentellen Untersuchungen zur Biegebeanspruchung wurde die schrittweise Entwicklung der Falzgeometrie innerhalb der Fertigungskette betrachtet. Dabei zeigt sich, dass beim Maschinenfalzen die sichtbare Schlaufenlänge und -tiefe prinzipiell zunächst bis zum Vorfalzen größer werden, bevor beim Fertigfalzen die endgültige Schlaufenform erzeugt wird. Im Gegensatz dazu findet beim Rollfalzen eine kontinuierlich fortschreitende Reduktion der sichtbaren Schlaufenlänge und -tiefe statt. Vergleichbar zu den Betrachtungen der Einflussgrößen auf die Biegebeanspruchung beim Falzen kann für die dimensionale Ausführung festgestellt werden, dass die Einzelteilherstellung die finale Schlaufenform maßgeblich vorbestimmt. Bei beiden Fertigungstechnologien beträgt der Einfluss zwischen 80 - 90 %. Nur ein vergleichsweise geringer Teil der Schlaufengeometrie wird durch das eigentliche Falzen im Karosserierohbau bestimmt. Nachdem die Herstellbarkeit der Falzverbindung experimentell untersucht wurde, stand in den folgenden Untersuchungen die Ermittlung der Anmutungsqualität im Fokus. In einer Feldstudie wurden zunächst die Falzschlaufen an heutigen Premiumfahrzeugen unterschiedlicher Marken gemessen. Diese Messwerte dienten als Ausgangspunkt für eine theoretische Betrachtung von Fugenmerkmalen und einer Probandenbefragung zur Ermittlung von Einflussgrößen auf die wahrgenommene Anmutungsqualität von Falzschlaufen. Im Rahmen der theoretischen Untersuchung wurde angenommen, dass die Wahrnehmung der Fugengeometrie nicht ausschließlich durch die geometrische Fugenbreite. sondern auch durch die angrenzenden Bauteilgeometrien. bestimmt wird. Die wahrnehmbare Fugenbreite wird demnach durch den Helligkeitsverlauf quer zur Fugenrichtung beeinflusst. Als Haupteinflussgrößen auf diese Helligkeitsverteilung und die wahrnehmbare Fugenbreite wurden die geometrische Fugenbreite, die sichtbare Schlaufenlänge der Falzschlaufe, der Blickwinkel des Betrachters, die Asymmetrie der Fugen und der Lichteinfallswinkel identifiziert. Für die quantitative Erhebung der Anmutungsqualität wurde ein Fragebogen erstellt, der von der Probandengruppe bearbeitet wurde. Um sicherzustellen, dass die Probanden eine Gruppe von Kunden von Premiumfahrzeugen widerspiegeln, wurde anhand von Kontrollfragen am Beginn des Fragebogens eine Klassifizierung der Teilnehmer vorgenommen. Im Vergleich mit bekannten Merkmalen von Kunden im Premiumsegment wurde festgestellt, dass die durch gezielte Auswahl und anschließendes Schnellballverfahren bestimmten Probanden diese Gruppe repräsentieren. Im Hauptteil des Fragebogens wurden den Teilnehmern Darstellungen von Fugensituationen mit unterschiedlichen geometrischen Merkmalen vorgelegt, die von den Probanden verglichen und bewertet wurden. Die vorgelegten Fugensituationen unterschieden sich in jeweils einem Merkmal und stellten somit einen einfachen statistischen Versuchsplan zur Untersuchung von Einflussgrößen dar. Die Auswertung der Umfrageergebnisse zeigt, dass die Fugenbreite und der Falzradius an der Fuge die signifikantesten Einflussgrößen auf die empfundene Fugenqualität darstellen. Die Signifikanz der Einflussfaktoren und deren Rangfolge in der Bewertung stimmen mit den Ergebnissen der theoretischen Studien zur wahrnehmbaren Fugenbreite überein. Anhand der experimentellen und theoretischen Untersuchungsergebnisse zu den Einflussparametern auf die Herstellbarkeit und die Anmutungsqualität von Falzschlaufen beim Maschinen- und Rollfalzen, können die Anmutungsqualität und die Herstellbarkeit in Abhängigkeit der Prozessgrößen (z. B. Vorfalzwinkel) angegeben werden. Durch die Kombination beider Prognosemodelle wird das Hemming Quality Diagram gebildet, das beide Zielgrößen prognostizieren kann. Für die Validierung des HQD wurde ein Serienbauteil aus Aluminium verwendet (Vordertür). Zunächst erfolgte die Prognose der Biegebeanspruchung und der Anmutung anhand von vorgegebenen Prozessgrößen (z. B. Schätzung der Vordehnung aus Vorgängerprojekt), anschließend wurden die dimensionalen Schlaufeneigenschaften sowie die Biegebeanspruchung am Bauteil gemessen. Hierzu wurden die optischer Formänderungsanalyse und die Schliffbildanalyse eingesetzt. Der Vergleich der gemessenen Werte mit den vorhergesagten Prognosewerten zeigte nur geringste Abweichungen. Abschließend lässt sich festhalten, dass mit dieser Arbeit eine Methode zur Prognostizierung der Anmutungsqualität von Falzschlaufen sowie der auftretenden, werkstofflichen Beanspruchungen bei deren Herstellung dargelegt wurde. Diese übergreifende, d. h. über die technologischen Gesichtspunkte hinausgehende, Bewertung von Falzprozessen basiert auf technologischen Versuchen mit Serienwerkstoffen und technologieunabhängigen Kundenbefragungen. Die Anwendung der Methode wurde im Rahmen dieser Arbeit an einem Serienbauteil aufgezeigt. Für die Auslegung zukünftiger Falzprozesse bietet sich somit die Möglichkeit diese sowohl im Hinblick auf die Herstellbarkeit, als auch im Hinblick auf die Anmutungsqualität der Falzverbindung zu gestalten.Item Open Access Auslegung einer Prozessroute für das Thixo-Schmieden metallischer Rohrhalbzeuge unter Berücksichtigung der auftretenden Materialströmungen(Stuttgart : Institut für Umformtechnik, 2018) Riedmüller, Kim Rouven; Liewald, Mathias (Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c. MBA)Am Institut für Umformtechnik (IFU) der Universität Stuttgart werden seit mehr als zwanzig Jahren Forschungsarbeiten auf dem Gebiet der Formgebung im teilflüssigen Materialzustand durchgeführt. Bei den hierbei untersuchten Formgebungsverfahren, insbesondere der Verfahrensvariante Thixo-Schmieden, werden metallische Rohteile zunächst induktiv in den Temperaturbereich zwischen der Solidus- und der Liquiduslinie erwärmt und anschließend mithilfe einer hydraulischen Hochgeschwindigkeitspresse geformt. Nach der Erwärmung weisen die teigigen, aber dennoch formstabilen Metallhalbzeuge Flüssigphasenanteile zwischen 30 % und 50 % auf und besitzen hervorragende Fließeigenschaften. Diese Fließeigenschaften erlauben die Herstellung komplexer, endkonturnaher Bauteile mit mechanischen Eigenschaften, die annähernd mit denen von Schmiedeteilen vergleichbar sind, mittels eines einzigen Formgebungsschritts. Darüber hinaus ist es aufgrund der für das Thixo-Schmieden charakteristischen Fließeigenschaften teilflüssiger Metallwerkstoffe möglich, sowohl neuartige Metalllegierungen mit immer höheren Festigkeiten und/oder Härtegraden zu verarbeiten, als auch Hybrid- und Verbundbauteile herzustellen. Diese prozesstechnischen Vorteile qualifizieren das Thixo-Schmieden in besonderem Maße dafür, die stetig zunehmenden Produktionsanforderungen, die unter anderem durch die Energie und Rohstoffverknappung, die fortschreitenden Produktindividualisierung sowie den ansteigenden Leichtbautrend bedingt sind, zu erfüllen. Trotzdem besteht bei den produzierenden Unternehmen der metallverarbeitenden Industrie bis heute nur eine geringe Akzeptanz gegenüber diesem Formgebungsverfahren. Ein wesentlicher Grund für diese geringe Akzeptanz liegt in der relativ komplexen Prozessführung sowohl bei der Rohteilerwärmung als auch bei der anschließenden Formgebung der teilflüssigen Metallwerkstoffe, sodass meist ein umfangreiches Expertenwissen zur Einstellung der idealen Anlagenparameter erforderlich ist. Ein weiterer Grund besteht in der hohen Sensibilität des Thixo-Schmiedens gegenüber prozesstechnischen Randbedingungen wie Rohteil- und Werkzeugtemperaturen sowie Stößel- bzw. Fließgeschwindigkeiten. Diese müssen relativ genau bestimmt und eingehalten werden, um eine möglichst hohe Prozesssicherheit zu gewährleisten. Vor diesem Hintergrund bestand die wesentliche Zielsetzung der in dieser Arbeit dargestellten Forschungsaktivitäten darin, die Konkurrenzfähigkeit des Thixo-Schmiedens gegenüber konventionellen Schmiede- und Gießverfahren zu steigern und somit einen Beitrag zu leisten, das Verfahren als Fertigungsalternative für produzierende Unternehmen der Metallindustrie attraktiver zu machen. Hierfür wurden im Rahmen der Auslegung einer Prozessroute für das Thixo-Schmieden metallischer Rohrhalbzeuge Maßnahmen zur Erhöhung der Prozessrobustheit sowie zur Vereinfachung der Prozessführung umgesetzt. Zudem wurden potentielle Anwendungsmöglichkeiten des Verfahrens dargestellt, mit denen den beschriebenen Produktionsanforderungen zukünftig noch besser begegnet werden kann. Im Einzelnen wurden dabei die nachfolgend zusammengefassten Forschungsinhalte bearbeitet. Zunächst wurde im Rahmen experimenteller Untersuchungen zur induktiven Erwärmung metallischer Rohrhalbzeuge in den teilflüssigen Materialzustand gezeigt, dass der Einfluss des bei der induktiven Erwärmung auftretenden Skin-Effekts durch den Einsatz von rohrförmigen anstelle von zylindrischen Rohteilen vernachlässigbar gering wird. Daraus resultierend konnte die Rohteilerwärmung für rohrförmige Halbzeuge im Vergleich zu Vollkörpern robuster gestaltet und die Ermittlung der hierfür erforderlichen Anlagenparameter vereinfacht werden. Ein weiterer Beitrag zur Erhöhung der Prozesssicherheit konnte mit dieser Arbeit durch die Optimierung der simulativen Prozessauslegung im Hinblick auf die Vorhersage kritischer Materialströmungen geleistet werden. Diese Optimierung wurde im Wesentlichen durch die Entwicklung eines neuen Viskositätsmodells erreicht. Mit diesem Modell wurden einphasige Formfüllsimulationen aufgebaut, mit deren Hilfe prozessbedingt auftretende, kritische Materialströmungen beim Thixo-Schmieden und dadurch zu erwartende Bauteilfehler prognostiziert werden konnten. Zudem konnten anhand dieser Simulationen Aussagen darüber getroffen werden, ob diese kritischen Materialströmungen durch eine frühzeitige Erstarrung oder durch einen inhomogenen, instabilen Materialfluss des teilflüssigen Metallwerkstoffes bedingt sein würden. Die Simulationsergebnisse wurden mithilfe von realen Formgebungsversuchen validiert und somit die Eignung des neu entwickelten Viskositätsmodells im Hinblick auf eine verbesserte simulative Auslegung des betrachteten Thixo-Schmiedeprozesses nachgewiesen. Für die Versuche wurde ein modulares Formgebungswerkzeug konstruiert und angefertigt, welches die kostengünstige Herstellung verschiedener rotationssymmetrischer, hohler Bauteilformen mit im Wesentlichen fertigen Funktionsflächen ermöglichte. Mit diesem Werkzeug wurden des Weiteren Formgebungsversuche durchgeführt, mit welchen die Potentiale des Thixo-Schmiedens hinsichtlich der Herstellung von hohlen Leichtbauteilen aus Werkstoffen mit erhöhten Festigkeits- bzw. Härtewerten sowie der ressourceneffizienten Wiederverwertung von Metallspänen aufgezeigt werden konnte. Mit diesen abschließenden Formgebungsversuchen wurde schlussendlich nachgewiesen, dass mit dem betrachteten Thixo-Schmiedeprozess insbesondere für Nischenanwendungen eine material- und ressourceneffiziente Fertigungsalternative zu den etablierten Schmiede- und Gießverfahren besteht.Item Open Access Einsatz eines neuartigen Verfahrens zum kombinierten Recken und Tiefziehen von Außenhautbeplankungen aus Feinblech(Stuttgart : Institut für Umformtechnik, 2016) Papaioanu, Apostolos; Liewald, Mathias (Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. MBA)Die vorliegende Arbeit befasst sich mit dem Einsatz einer neuartigen Technologie zum kombinierten Recken und Tiefziehen von Feinblechen unter Laborbedingungen. Das übergeordnete Ziel der Untersuchung besteht darin, die von Vlahovic und Liewald [Vla06b] vorgestellte Werkzeugtechnologie weiterzuentwickeln und diese für die Verwendung von Leichtbauwerkstoffen zu ertüchtigen. Die Technologie war bisher auf einfache Geometrien unter Verwendung von Stahlblechwerkstoffen limitiert, sodass im Rahmen dieser Arbeit die Einsatzmöglichkeiten erweitert wurden. Zunächst wurden in Kapitel 2 relevante Grundlagen der Umformtechnik sowie Werkzeugkonzepte und Technologien zum Recken bzw. Steckziehen von Feinblech vorgestellt und beschrieben. Hierbei wurden speziell die prozessbeeinflussenden Werkstoffkennwerte näher beleuchtet und deren Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften streckgezogener Bauteile erläutert. Im Rahmen anschließender Voruntersuchungen wurde in Kapitel 3 die neuartige Werkzeugtechnologie zum kombinierten Streck- und Tiefziehen vorgestellt und die Charakteristika des Verfahrens sowie deren Einfluss auf das Ziehergebnis beschrieben. Die Analyse der sog. Short-Cycle-Stretchforming-Technologie (SCS) sowie die Bewertung der damit hergestellten Bauteile, zeigten deutliche Optimierungs- und Weiterentwicklungspotentiale hinsichtlich der damit herstellbaren Bauteile und der zu verwendenden Blechgüten auf. Daraus leitete sich in Kapitel 4 die Motivation und Zielsetzung: dieser Arbeit ab. In Kapitel 5 wurden im Rahmen von Grundlagenuntersuchungen zunächst geometrische und tribologische Parameter an den für diese Technologie typischen SCS-Formelementen variiert, um relevante Einflussgrößen zu identifizieren und diese gezielt zu verändern. Hierfür wurde ein Laborprüfstand zur Ermittlung der Biege- und Reibungskräfte an Formradien entwickelt und aufgebaut, mit dessen Hilfe die Prozessparameter und deren Einfluss quantifiziert werden konnten. Die Erkenntnisse dieser Untersuchungen wurden für die Entwicklung eines weiteren, auf die SCS-Technologie basierenden, Versuchswerkzeuges genutzt. Dieser anwendungsnahe Prüfstand erlaubte die gezielte Variation weiterer Prozessparameter auf den Ziehvorgang, deren Untersuchungsergebnisse die Basis für den Aufbau eines entsprechenden Simulationsmodells bildeten. Für eine realitätsnahe Abbildung des Umformprozesses wurden für das Simulationsmodell experimentell ermittelte Werkstoffkennwerte sowie gemessene Reibungskenngrößen herangezogen. Das validierte Modell konnte anschließend für eine virtuelle Optimierung des Umformprozesses auf Basis numerischer Methoden eingesetzt werden. Unter Einbeziehung dieses Modells und mithilfe weiterer experimenteller Grundlagenuntersuchungen konnte die Funktion der SCS-Technologie ebenfalls auf eine Aluminiumlegierung der 6xxx-Familie übertragen werden. Im Rahmen dieser Prozesserweiterung auf einen Leichtbauwerkstoff wurde dieser hinsichtlich seiner natürlichen Alterung untersucht, um mögliche Einflüsse auf die Funktion der SCS-Technologie zu identifizieren. Basierend auf den Erkenntnissen der Grundlagenuntersuchungen wurde in Kapitel 6 die Prozesskinematik der SCS-Technologie auf zwei Bauteilgeometrien übertragen. Mithilfe der Prozesssimulation wurden zunächst ein SCS-Werkzeug für die Herstellung einer PKW-Fondtürbeplankung aus Stahlblechwerkstoff entwickelt und unter Laborbedingungen entsprechende Bauteile gefertigt. Aufgrund der Prozesscharakteristik konnten die Bauteile auf einer einfachwirkenden Presse ohne zusätzliche Zieheinrichtung hergestellt werden. Ferner wurde ein weiteres SCS-Werkzeug für die Herstellung einer Dachbeplankung entwickelt und aufgebaut. Hierbei wurden mehrere Neuerungen gegenüber den zuvor entwickelten Werkzeugen umgesetzt. Die Anzahl der für das Recken notwendigen Formelemente konnte reduziert werden, wodurch eine deutliche Verbesserung des Materialnutzungsgrades erreicht werden konnte. Weiterhin wurden die Formelemente erstmalig gekrümmt ausgeführt, um einerseits das Werkzeug kompakter gestalten zu können und andererseits der Krümmung des Bauteils Rechnung zu tragen. Die konstruktive Gestaltungskomplexität der Formelemente wurde hierdurch erhöht, der konstruktive Werkzeugaufbau spiegelt jedoch den Aufbau heutiger, konventioneller Tiefziehwerkzeuge wider, wodurch die Praxistauglichkeit des Verfahrens nachgewiesen werden konnte. Als weiteres Novum wurde dieses Werkzeug für die Herstellung von Blechformteilen aus einer Aluminiumgüte der 6xxx-Familie konzipiert. Damit konnte die Funktion der SCS-Technologie auch unter Verwendung eines Leichtbauwerkstoffs nachgewiesen werden. Im weiteren Verlauf wurden die Bauteileigenschaften der beiden Beplankungsteile untersucht und bewertet. Sowohl die in Abhängigkeit von den Platinenabmessungen erzielten Formänderungen, als auch die entsprechende Formänderungsverteilung wurden erfasst und bewertet. Ebenfalls wurde die dehnungsabhängige Rückfederung der Beplankungssteile betrachtet, um diese gegenüber dem konventionellen Tiefziehen von Blechformteilen bewerten zu können. Ein wesentlicher Schwerpunkt der Untersuchungen bestand darin, die dehnungsabhängigen Beuleigenschaften der Bauteile zu erfassen. Diese wurden mithilfe eines Beulprüfstandes im Rahmen von quasi-statischen sowie dynamischen Beulversuchen erfasst und bewertet. Es konnte sowohl für die Fondtürbeplankung aus Stahlblech, als auch für die Dachbeplankung aus Aluminium eine deutliche Erhöhung der Beulfestigkeit mit zunehmender Verfestigung nachgewiesen werden. Für die Aluminiumbeplankungsteile konnte diese durch eine zusätzliche Warmauslagerung der Bauteile, die einen im Fahrzeugbau typischen KTL-Lacktrocknungsprozess entspricht, nochmals deutlich gesteigert werden. Die Beulsteifigkeit der Bauteile veränderte sich nur marginal mit zunehmender Verfestigung. Diese nur unmerkliche Reduzierung resultiert aus dem dehnungsabhängigen Abfall des E-Moduls und der Blechdickenreduzierung. Um den SCS-Prozess mit dem konventionellen Tiefziehen auch aus energetischer Sicht vergleichen zu können, wurden entsprechende Messreihen durchgeführt, anhand derer die zur Herstellung einer Dachbeplankung nötige Energie erfasst wurde. Eine Gegenüberstellung mit dem konventionellen Tiefziehen unter Verwendung einer Zieheinrichtung, zeigte deutliche energetische Vorteile der SCS-Technologie auf. Schließlich konnten im Rahmen einer abschließenden Untersuchung weitere Einflussgrößen auf die Reproduzierbarkeit der Ergebnisse unter Verwendung der SCS-Technologie identifiziert werden. Ferner wurde ein entsprechendes Konzept erarbeitet, welches die Reproduzierbarkeit des Prozesses durch eine gezielte Steuerung des Werkstoffflusses erhöhen soll. Das Konzept zur Steuerung des Werkstoffflusses und das entsprechend umgesetzte Werkzeug wurden in Kapitel 7 vorgestellt. Es konnte die Funktion der gezielten Beeinflussung des Werkstoffflusses nachgewiesen werden, jedoch unterlag der Prozess größeren Schwankungseinflüssen, die im Rahmen dieser Arbeit nicht näher betrachtet wurden.