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Entwicklung und Einsatz additiv gefertigter Presshärtewerkzeuge mit glattgewalzten Oberflächen
(2024) Komodromos, Anna Katarina; Tekkaya, A Erman; Witt, Gerd; Woizeschke, Peer
Durch Laserpulverauftragschweißen (LPA) ist eine flexible Gestaltung von Kühlkanälen beim Presshärten mit einer Vielzahl von Größen und einer hohen Positionierungsflexibilität im Vergleich zu spanenden Verfahren möglich. Das anschließende Glattwalzen der Werkzeugoberflächen in Kombination mit einer Variation der LPA-Prozessparameter ermöglicht eine Steuerung der Werkzeugoberflächeneigenschaften und des Reibverhaltens. Parameter wie der Walzdruck oder die Bahnüberlappung im LPA-Prozess wurden untersucht, um ihre Auswirkungen auf Rauheit, Härte, Reibung, Eigenspannungen und Wärmeübergangskoeffizient der Werkzeugoberflächen zu quantifizieren. Der Reibkoeffizient bei erhöhten Temperaturen hängt stark von der Oberflächenrauheit der Werkzeugstahloberflächen ab, die durch LPA und Glattwalzen erzeugt wird. Das letztgenannte Verfahren verbessert die Oberflächenintegrität: Die Rauheitsspitzen werden um bis zu 75 % abgeflacht, die Härte und die Eigenspannungen werden um bis zu 20 % bzw. 70 % erhöht. Die Rauheit der Werkzeugoberflächen wird jedoch hauptsächlich durch die Bahnüberlappung beim LPA-Verfahren bestimmt. Trotz der höheren Oberflächenrauheit liegt der Wärmeübergangskoeffizient im Bereich konventionell ge- fertigter Werkzeugoberflächen von bis zu 2.700 W/m2K bei Kontaktdrücken bis zu 40 MPa. Darüber hinaus senken die additiv gefertigten oberflächennahen Kühlkanäle einerseits die Stempeltemperatur im Presshärteprozess, andererseits halten sie die Werkzeugtemperatur über mehrere Presshärtezyklen konstant. Im Vergleich zum konventionell gefertigten Stempel bietet das LPA-Verfahren den Vorteil, dass der Abstand der Kühlkanäle zur Werkzeugoberfläche auf ein Drittel verringert ist und ein kontinuierlicher Kühlmittelkreislauf im Stempel erzeugt wird. Da die Temperatur des Stempels reduziert und konstant gehalten wird, besteht das Potenzial, die Zykluszeiten zu reduzieren und eine Überhitzung der Werkzeuge zu vermeiden. Darüber hinaus kann durch die oberflächennahen Kühlkanäle die Härte des Hutprofils aus dem Werkstoff 22MnB5 im gekühlten Kontaktbereich erhöht werden. Durch den Einsatz eines texturierten Niederhalters wird der thermische Verlauf des Bauteils verändert: Die mittels LPA hergestellte Textur hält die Wärme länger im Blech, was eine höhere Duktilität des Teils während des Presshärtens in Verbindung mit einer homogenen Temperaturverteilung über das Hutprofil ermöglicht. Dies wirkt sich direkt auf die Blechdicke, die Festigkeit und die Härte des umgeformten Bauteils aus: Eigenschaften, die im Vergleich zum konventionellen Werkzeug höhere und homogener verteilte Werte aufweisen. Numerische Simulationen des Prozesses können diese Effekte ebenfalls genau vorhersagen. Zusammenfassend konnten die Möglichkeiten und vorteilhaften Eigenschaften der Her- stellung von Presshärtewerkzeugen durch die neue Prozesskombination aus LPA und Glattwalzen nachgewiesen werden. Diese Erkenntnisse können für weitere Entwicklungen in diesem Bereich genutzt werden, wie die Anwendung von beidseitigen Texturen auf den Werkzeugen oder die Gestaltung von Kühlkanälen für komplexere Geometrien.
Gezielte Eigenspannungseinstellung in der inkrementellen Blechumformung
(2024) Maaß, Fabian; Tekkaya, A. Erman; Härtel, Sebastian; Menzel, Andreas
Infolge einer inhomogenen Umformung zur Herstellung von Bauteilen verbleiben Spannungen im Material. Diese Eigenspannungen sind mechanische Spannungen, die zu einer inneren Belastung des Bauteils führen. Das Vorhandensein von Eigenspannungen kann die Leistungsfähigkeit eines Bauteils je nach Ausprägung signifikant steigern oder zu einem früheren Versagen im Belastungsfall führen. Daher ist die Kenntnis des resultierenden Eigenspannungszustands infolge des Fertigungsschritts durch geeignete Prognosemodelle unerlässlich. Eigenspannungen werden für gewöhnlich durch nachgelagerte mechanische Bearbeitungsschritte gezielt in Bauteile eingebracht oder durch thermische Nachbehandlungsprozesse eliminiert. Diese nachgelagerten Prozessschritte zur Eigenspannungseinstellung benötigen zusätzliche Ressourcen. Das flexible Umformverfahren der inkrementellen Blechumformung zeichnet sich im Vergleich zu konventionellen Umformverfahren durch geringe Werkzeugkosten und Prozesskräfte bei gleichzeitig erhöhter Umformbarkeit aus. Durch die unterhalb des Werkzeugs lokalisierte Umformzone bietet die inkrementelle Blechumformung die Möglichkeit, Eigenspannungen lokal definiert in Bauteile einzubringen. Die Flexibilität der inkrementellen Blechumformung ermöglicht die Herstellung geometrisch identischer Bauteile mit unterschiedlichen Prozessparametern, welche die wirkenden Umformmechanismen beeinflussen. Der Zusammenhang von Prozessparametern, Umformmechanismen und den daraus resultierenden Eigenspannungen ist bislang nicht bekannt. Ziel dieser Arbeit ist es daher, ein grundlegendes Verständnis über die Eigenspannungsausbildung bei der inkrementellen Blechumformung zu erarbeiten, um Eigenspannungen durch diesen Umformprozess stabil und definiert in Bauteile einzubringen sowie die Verbesserung des Bauteileinsatzverhaltens durch gezielt induzierte Eigenspannungszustände zu quantifizieren. Unter Zuhilfenahme eines numerischen Prozessmodells wird der Einfluss von Zustellinkrement und Werkzeugradius auf die Umformmechanismen und die Eigenspannungsausbildung im Bauteil identifiziert. Basierend auf diesen Ergebnissen werden Konzepte der Spannungsüberlagerung analysiert und experimentell erprobt, um die Möglichkeiten der Eigenspannungseinstellung während des Umformprozesses zu vergrößern. Eine gezielte Einstellung des Eigenspannungszustands kann genutzt werden, um die Leistungsfähigkeit von Bauteilen unter statischer und zyklischer Last zu steigern. Dies eröffnet Möglichkeiten der Materialeinsparung durch niedrigere Sicherfaktoren bei der Bauteilauslegung, um dem Leichtbaugedanken zur Steigerung der Ressourceneffizienz gerecht zu werden.
Umformung mittels vaporisierender Aktuatoren: Experimente und Modellierung
(2023) Hahn, Marlon; Tekkaya, A. Erman; Reese, Stefanie; Handge, Ulrich
Bei der dynamischen Blechumformung mittels vaporisierender Aktuatoren wird versucht die gewaltvolle Expansion einer metallischen Folie zu nutzen, die entsteht, wenn ein hoher Kondensatorentladestrom diese binnen kürzester Zeit bis in die Gasphase erhitzt. Zwar sind für diesen durchaus flexiblen Prozess einige Anwendungen und experimentelle Grundlagenuntersuchungen bekannt, einen allgemeinen makroskopischen Modellierungsansatz gab es bisher jedoch noch nicht. Deshalb werden in dieser Arbeit derartige Ansätze erarbeitet, die sowohl das physikalische Prozessverständnis erhöhen als auch eine vollständige Prozessauslegung ermöglichen. Dazu werden zwei aufeinanderfolgende Teilprozesse getrennt betrachtet; zuerst die elektrische Energieeinbringung in den Folienaktuator bis zum sogenannten Berstpunkt, dann die eigentliche mechanische Werkstückumformung. Um letztlich eine rein prediktive Berechnung zu gewährleisten, werden zunächst Experimente durchgeführt, die v. a. die Etablierung eines Aktuatorwerkstoffgesetzes ermöglichen, das jegliche Prozessparametereinflüsse auf die erreichbare Energieeinbringung widerspiegeln kann. Nach einer diesbezüglichen numerischen Analyse wird schließlich ein analytisches Modell für die Vorhersage der Energieeinbringung entwickelt. Jene Energieeinbringung bestimmt als Anfangsbedingung für die Simulation des zweiten Teilprozesses den Berst- bzw. Vaporisationsdruck. Dieser wird impulsartig auf das Blech übertragen, wodurch die u. a. dehnratenabhängige und aufgrund der Trägheit inhomogene Umformung voranschreitet. Der gasförmig expandierende Aktuator wird dabei mit einer netzfreien Partikelmethode modelliert, während die damit interagierenden Festkörper der Finite-Elemente-Methode genügen. Zuvor mittels speziellem Laser bei freier Umformung gemessene Geschwindigkeits- bzw. Verschiebungsverläufe von Stahlblechen validieren den gewählten Modellierungsansatz, womit nun ein durchgängiges Prozessmodell zur Verfügung steht. Zudem werden räumlich flexible Vaporisationsdruckverteilungen mithilfe eines weiter vereinfachten Umformmodells evaluiert und bauteilbezogen optimiert. Im Rahmen einer beispielhaften, experimentellen Umsetzung werden unter Zuhilfenahme der Analytik erstmals zwei unterschiedliche Vaporisationsbereiche - d. h. Aluminiumfolien - für die Ausformung unterschiedlicher, verbundener Bauteilhöhen parallel geschaltet. Abschließend werden noch Konzepte aufgezeigt, die zum einen die Flexibilität und zum anderen die Berechnungseffektivität des noch jungen Fertigungsverfahrens weiter steigern könnten.
Isotherme Innenhochdruckumformung geschlossener Profile
(2023) Kamaliev, Mike; Tekkaya, Erman; Homberg, Werner
Die Warmumformung von Blechwerkstoffen gilt als konventionelles Verfahren zur Herstellung hochfester und komplexer Strukturen. Die Übertragung auf die Innenhochdruckumformung ermöglicht durch die Herstellung von gehärteten Hohlstrukturen neue Anwendungsbereiche. Bisherige Forschungsprojekte fokussieren die Verfahrensentwicklung, wobei die Prozessschritte oft an die Blechumformung angelehnt sind. Innovationen, die auf dem Einsatz von rohrförmigen Halbzeugen beruhen, fanden nur in ge ringem Umfang statt. Auch die verwendeten Methoden zur Werkstoffcharakterisierung basieren häufig auf standardisierten Verfahren wie dem Zug- und Nakajimaversuch. Dadurch werden die Belastungs- und Formänderungsbedingungen sowie die Halbzeuge mit ihren spezifischen Eigenschaften nicht oder nur teilweise abgebildet. Ausgehend von diesem Stand wurde das neue Verfahren der Isothermen-Hochtemperatur-Pneumoumformung entwickelt. Bei diesem Prozess werden Rohre konduktiv erwärmt und mittels Innendruck ausgeformt. Der elektrische Strom wird während des gesamten Formgebung aufrechterhalten, sodass die Werkstücktemperatur nahezu konstant bleibt. Durch thermische Entfestigungsmechanismen kann dabei mit zunehmender Prozessdauer eine höhere Formänderung bei gleicher Belastung erzielt werden. Nach der Warmumformung können die Bauteile durch einen Volumenstrom des Umformmediums abgeschreckt und somit gehärtet werden. Zur Bestimmung erforderlicher Kennwerte für eine Prozessmodellierung wurden neue Methoden zur Werkstoffcharakterisierung entwickelt. Der Hot-Tube-Bulge-Test und der Pressurized-Tube-Tensile-Test ermöglichen die Aufnahme von Grenzformänderungskurven. Weiterhin eignet sich der Hot-Tube-Bulge-Test zur Aufnahme von Fließkurven. Sie erreichen im Vergleich zum Warmzugversuch einen zweifach höheren Umformgrad und dienen als Unterstützung bei der Auswahl geeigneter Extrapolationsmodelle. Die Messung der thermischen Entfestigung erfolgte durch Zeitstandversuche. Ausgehend von den ermittelten Materialkennwerten wurde die Isothermen-Hochtemperatur-Pneumoumformung numerisch modelliert und anhand geometrischer Kennwerte validiert. Der Einfluss des Innendrucks, der Werkzeuggeometrie und der Belastungszeit auf den Umformprozess wurde quantifiziert. In Abhängigkeit von der Werkzeuggeometrie und dem Innendruck wurden werkstoffspezifische Prozessfenster aufgestellt. Die Mechanismen der Innenhochdruck-Umformung werden auf Profile übertragen. Das druckunterstützte Hochtemperatur-Profilbiegen wird numerisch modelliert und experimentell validiert. Bei diesem Verfahren werden Rohre mit konstantem Innendruck beaufschlagt, lokal induktiv erwärmt und kinematisch gebogen. Mit steigendem Innendruck kann die Faltenbildung zunehmend minimiert werden. Dies ist auf eine induzierte Spannungsüberlagerung zurückzuführen, welche die kritischen Druckspannungen am Innenbogen minimiert.
Analyse und Modellierung der thermomechanischen Beeinflussung der Randzoneneigenschaften beim Einlippentiefbohren von Bauteilen aus Vergütungsstahl
(2023) Nickel, Jan; Biermann, Dirk; Walther, Frank
Die Randzoneneigenschaften von Bauteilen sind entscheidend für deren Funktionseigenschaften und werden durch die bei der Fertigung eingesetzten Bearbeitungsprozesse maßgeblich beeinflusst. Insbesondere bei spanenden Fertigungsverfahren wie dem Bohren entstehen durch die, während des Prozesses auftretenden, thermomechanischen Belastungen Veränderungen, sowohl an der Bohrungsoberfläche als auch im Randzonengefüge. Die mechanischen Lasten können dabei eine plastische Deformation des Randzonengefüges verursachen und damit verbunden zu einer Einebnung der Bohrungsoberfläche, Gefügeverfeinerung, Verfestigungseffekten sowie der Entstehung von Druckeigenspannungen beitragen. Zu hohe thermische Lasten können hingegen zu ermüdungsfestigkeitsmindernden Defekten in der Bauteilrandzone führen, wie der Bildung von Neuhärtungsschichten, die als „white-etching layer“ bezeichnet werden. In dieser Dissertation wird das Ziel verfolgt, durch technologische Untersuchungen grundlegende Erkenntnisse zur prozessbedingten Randzonenbeeinflussung beim Einlippentiefbohren des Vergütungsstahls 42CrMo4+QT zu erlangen. Dabei liegt ein Fokus auf der Analyse der prozessbedingten mechanischen und thermischen Randzonenbelastungen, die bei unterschiedlichen Prozessparametern auf die Bohrungsrandzone wirken. Die resultierenden Randzoneneigenschaften werden analysiert und hinsichtlich der Auswirkungen auf die Ermüdungsfestigkeit bewertetet. Die grundlegenden Erkenntnisse und Ergebnisse der technologischen Untersuchungen dienen als Grundlage für Modelle, um die prozessbedingten Randzonenveränderungen beim Einlippentiefbohren mittels Finite-Elemente-Simulation vorherzusagen. Das Einlippentiefbohren wurde dabei als Verfahren mit besonders hohem Potential zur mechanischen Beeinflussung der Randzoneneigenschaften identifiziert, da aufgrund des asymmetrischen Werkezugaufbaus eine relativ hohe Passivkraft am Werkzeugkopf entsteht, die über Führungsleisten an die Bohrungswand übertragen wird. Durch die Analyse der thermomechanischen Werkzeug- und Randzonenbelastungen mittels eines dafür entwickelten Versuchsaufbaus werden geeignete Prozessparameter identifiziert, um bereits während des Tiefbohrens die Randzonenintegrität gezielt zu beeinflussen und damit verbundene Funktionseigenschaften einzustellen. Zur Abdeckung eines breiten Spektrums an Prozessbedingungen, werden Untersuchungen unter Variation der Werkzeuggestalt, der Schnittwerte und der Kühlschmierstrategie durchgeführt und die jeweiligen Auswirkungen auf das thermomechanische Belastungskollektiv in Verbindung mit den Beurteilungskriterien der Randzoneneigenschaften analysiert. Die Finite-Elemente-Simulation des Einlippentiefbohrprozesses ermöglicht eine Vorhersage der resultierenden Randzonenveränderungen. Durch die Simulationen des Spanbildungsvorgangs an der Werkzeugschneide können die auf die Bohrungsrandzone wirkenden Temperaturen vorhergesagt und eine zu hohe thermische Randzonenbelastung durch die Wahl entsprechender Schnittwerte vermieden werden. Die Simulation der mechanischen Randzonenbeeinflussung durch die Führungsleisten ermöglicht eine Vorhersage der Eigenspannungsverläufe in der Bohrungswand und ermöglicht eine Gegenüberstellung mit Randzonennachbehandlungsverfahren wie der hydraulischen Autofrettage. Die Erkenntnisse der technologischen und numerischen Untersuchungen stellen die Grundlage dar, um bereits während des Tiefbohrens die angestrebte Randzonen¬integrität einzustellen und so kosten- und ressourcenintensive nachgelagerte Verfahren zur Randzonennachbehandlung einzusparen.
Extending the potentials of draw-forging
(2022-02-24) Rakshit, Tanmoy; Gebhard, Johannes; Napierala, Oliver; Kolpak, Felix; Schulze, André; Hering, Oliver; Tekkaya, A. Erman
Composite components combine the benefits of different materials, leading to improved product properties, enhanced resource- and energy efficiency and widening the product spectrum. Draw-forging is the unique combination of deep-drawing and cold forging, where a core material is encapsulated within a thin sheet metal blank. Previously, the basic draw-forging process only allowed covering of the shaft tip, and the covered length was limited by the maximum drawing ratio of the sheet. In this work, the different failure types, including tearing of the sheet, asymmetric encapsulation, and the development of a gap in the transition zone were investigated numerically and experimentally and the axial encapsulation length is increased significantly. The usage of anisotropic sheet material leads to a form fit and enhances the bond strength in draw-forged hybrid components. An alternative process route in which a pierced sheet is utilized to partially cover a specific section of a shaft was also developed. The process route was stabilized with a novel contoured counter holder to ensure high repeatability.
Analytical model of the in-plane torsion test
(2022-01-24) Cwiekala, Nils; Traphöner, Heinrich; Haupt, Peter; Clausmeyer, Till; Tekkaya, A. Erman
In research and industry, the in-plane torsion test is applied to investigate the material behaviour at large plastic strains: a sheet is clamped in two concentric circles, the boundaries are twisted against each other applying a torque, and simple shear of the material arises. This deformation is analysed within the scope of finite elasto-plasticity. An additive decomposition of the Almansi strain tensor is derived, valid as an approximation for arbitrary large plastic strains and sufficiently small elastic strains and rotations. Constitutive assumptions are the von Mises yield criterion, an associative flow rule, isotropic hardening, and a physically linear elasticity relation. The incremental formulation of the elasticity relation applies covariant Oldroyd derivatives of the stress and the strain tensors. The assumptions combined with equilibrium conditions lead to evolution equations for the distribution of stresses and accumulated plastic strain. The nonzero circumferential stress must be determined from the equilibrium condition because no deformation is present in tangential direction. As a result, a differential-algebraic-equation (DAE) system is derived, consisting of three ordinary differential equations combined with one algebraic side condition. As an example material, properties of a dual phase steel DP600 are analysed numerically at an accumulated plastic strain of 3.0. Radial normal stresses of 3.1% and tangential normal stresses of 1.0% of the shear stresses are determined. The influence of the additional normal stresses on the determination of the flow curve is 0.024%, which is negligibly small in comparison with other experimental influences and measurement accuracies affecting the experimental flow curve determination.
Effect of preheating during laser metal deposition on the properties of laminated bending dies
(2022-12-22) Dardaei Joghan, Hamed; Hahn, Marlon; Tekkaya, A. Erman
Metal-laminated tooling provides a fast and cheap manufacturing concept. In this study, laser metal deposition (LMD) is used for reducing and eliminating the stair step effect in a metal-laminated bending die. Preheating could decrease the undesired residual stresses in additive manufacturing, thus a systematical analysis of the effect of preheating of the laminae on the surface quality and mechanical properties of the bending die is performed. Ferritic steel sheets (S355 MC) with a thickness of 2 mm are laser cut and stacked up to manufacture the laminated bending die with a radius of 6 mm. The sheets are joined and the stair steps are filled with LMD with stainless steel powder 316L-Si. The initial temperature of the tool sheets (substrates), beside room temperature, is elevated up to 300 °C. The effect of the preheating on the surface roughness, shape deviation, hardness, and residual stresses of the die are investigated. The mean height of the surface increases by 59% at elevated temperatures. However, the tensile residual stress parallel to the weld direction at the middle of the deposited area decreases only around 25%. The functionality of the forming tools manufactured by this method is proven by bending of DC06 and HC380LA sheets.
Manufacturing of integrated cooling channels by Directed Energy Deposition for hot stamping tools with ball burnished surfaces
(2022-08-03) Komodromos, Anna; Kolpak, Felix; Tekkaya, A. Erman
Hot stamping tools require cooling channels, preferably with a high positioning flexibility. Conventionally, these are machined. This represents a disadvantage because of the limited accessibility for milling tools and the low flexibility. By means of the Directed Energy Deposition (DED) process, a flexible design of the cooling channels is possible. Different geometries of cooling channels can be manufactured by DED in order to control the heat balance in the hot stamping tool. In this context an agreement between the additive producibility and the surface fraction of the cooling channels, which contributes to the effective heat at the tool surface, is important. Experimental and numerical analyses demonstrate that a possible configuration in this field is the drop shaped cooling channel. To reduce the surface roughness after the DED process, the tool surfaces are ball burnished subsequently. The resulting roughness and the waviness of the tool surface are reduced but not leveled completely. Texturing of the surface can be applied to in fluence the material flow in the hot stamping process which is implemented by DED. The combination of the described methods allows for manufacturing hot stamping tools with near-surface cooling channels and a global or local adjustment of the surface properties of the tools.
Bleche aus stranggepressten Aluminiumspänen
(2023) Schulze, André; Tekkaya, A. Erman; Maier, Hans Jürgen
Die Gewinnung von Aluminium und seine Weiterverarbeitung zu Produkten ist mit einem hohen Energiebedarf und Treibhausgasemissionen verbunden. Andererseits führen die Folgen des Klimawandels zu verstärkten Anstrengungen in den Bereichen Energieeffizienz, Emissionsminderung und Ressourcenschonung. Das direkte Recycling ohne Wiedereinschmelzen ermöglicht Energie-, Treibhausgas- und Materialeinsparungen. Eine neue Prozesskette, bestehend aus dem Strangpressen von Aluminiumspänen zu einem zylindrischen offenen Profil und dem anschließendem Aufweiten und Walzen, zur Herstellung von Blechen aus EN AW-6060 Aluminiumspänen, wird vorgestellt. Die physikalischen Vorgänge bei der Verschweißung der Späne in den einzelnen Prozessschritten werden untersucht und eine Vorhersage der Verschweißqualität mit Hilfe eines analytischen Modells und numerischer Methoden berechnet. Die mechanischen Eigenschaften sowie die Mikrostruktur der spänebasierten Bleche werden untersucht und die Ergebnisse mit denen von Blechen auf Basis von konventionellen Gussblöcken verglichen. Die Bleche werden durch Biegen und Tiefziehen zu Biegeteilen und Näpfen weiterverarbeitet, um ihre Umformbarkeit zu ermitteln. Die Ergebnisse zeigen leichte Unterschiede in den Eigenschaften der spänebasierten Bleche, die eine Differenz von 2 – 10 % zu den gussbasierten Blechen haben. Die Analyse der Biegeteile bzw. der tiefgezogenen Näpfe zeigt keine signifikanten Unterschiede zwischen denen aus Spänen und denen aus Gussmaterial. Es kann festgestellt werden, dass ihr Potential zur weiteren plastischen Umformung gleich ist, was die neue Prozessroute zu einer ressourcenschonenden Alternative für die Herstellung von Produkten aus Aluminiumblechen macht.
Umformung additiv gefertigter Bleche mit strukturiertem Kern
(2023) Rosenthal, Stephan; Tekkaya, A. Erman; Witt, Gerhard
Die Technologie der additiven Fertigung (AM) bietet ein großes Potenzial für Leichtbauanwendungen und wird neben dem Rapid Prototyping auch immer häufiger für industrielle Anwendungen eingesetzt. Ein Nachteil dieses Verfahrens sind die lange Produktionszeit und die begrenzte Baugröße. Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung und Untersuchung einer neuen Prozesskombination zur effizienten Herstellung von umformbaren Blechen mit strukturiertem Kern. Es wird ein kombinierter Prozess aus AM und anschließender Umformung der Blechhalbzeuge mit Kernstruktur entwickelt, der eine Steigerung der Zeiteffizienz von bis zu 380 % im Vergleich zur direkten Herstellung der Teile in Endgeometrie bietet. Die Umformung von AM-Blechen mit einem strukturierten Kern wird in dieser Arbeit erstmals untersucht. Die relative Dichte der Struktur ist ein entscheidendes Maß für die Umformbarkeit. Diese Versagensarten während des Biegens und Tiefziehens werden in Prozessfenstern in Abhängigkeit von der relativen Dichte der Kernstruktur berücksichtigt. Die Umformbarkeit von Blechen mit Kernstruktur wird durch die Kernstruktur selbst beeinflusst. Inhomogene Anbindungen zwischen dem Kern und den Deckblechen sind für Dehnungslokalisierungen verantwortlich, welche die Umformbarkeit einschränken. Zum Ende werden zwei neue Forschungsfelder beschrieben und erste Ergebnisse gezeigt. Hybride Sandwichbleche, die aus AM-Kernstrukturen und konventionell gewalzten Blechen bestehen, müssen verbunden werden, um die Größenbeschränkungen von AM-Maschinen zu überwinden. Ein weiteres Feld ist die Topologieoptimierung der Kernstruktur, für die eine Methodik mit ersten numerischen Ergebnissen gezeigt wird. Insgesamt bietet die neue Prozesskombination große Leichtbaupotenziale und Möglichkeiten zur Funktionsintegration in die Kernstruktur.
Production and subsequent forming of chip-based aluminium sheets without remelting
(2021-10-22) Schulze, André; Hering, Oliver; Tekkaya, A. Erman
Bent components and deep drawn cups are produced by direct usage of aluminium chips without melting following a new process chain: hot extrusion of aluminium chips to a cylindrical open profile, flattening, subsequent rolling and bending or deep drawing. The properties of the hot extruded chip-based AA6060 sheets are examined by tensile tests and microstructural investigations and the results are compared with those obtained from material extruded from conventional cast billets. The chip-based sheets were used to form components by bending or deep drawing. No significant differences between the bent components or deep-drawn cups made of chips and those from cast material are observed regarding their capability for further plastic forming operations. This makes the new process route a resource-efficient alternative for the production of aluminium sheet products.
Speeding up additive manufacturing by means of forming for sheet components with core structures
(2021-08-30) Rosenthal, Stephan; Hahn, Marlon; Tekkaya, A. Erman; Platt, Sebastian; Kleszczynski, Stefan; Witt, Gerd
A new process combination route consisting of additive manufacturing (AM) with a subsequent forming operation is proposed. The process route has the opportunity to increase the efficiency of the AM process route up to 360%. Stainless steel 316L sheets with different core structures (similar to sandwich sheets) are produced by AM, characterized, and formed in a die bending operation. The bending characteristics of this novel semi-finished product can be accurately predicted in a numerical simulation. The new process route is discussed in detail and compared to conventional AM parts in terms of the production efficiency.
In-situ Hybridisierung von Faser-Metall Laminaten
(2022) Mennecart, Thomas; Tekkaya, A. Erman; Ben Khalifa, Noomane; Handge, Ulrich
Die Reduktion der bewegten Massen stellt eine wesentliche Maßnahme zur Reduzierung des Energieverbrauchs im Verkehrswesen dar. Möglichkeiten der Massenreduktion werden durch Substitution von Werkstoffen oder durch Werkstoffverbunde ermöglicht. Hierbei finden sich Faser-Metall Laminate aber bisher nur in der Flugzeugindustrie mit vergleichsweise kleinen Stückzahlen wieder. Diese Arbeit hat die Entwicklung eines neuen und innovativen Prozesses zur Herstellung von Faser-Metall Laminaten zum Thema. Mittels der hier beschriebenen In-situ Hybridisierung wird die Formgebung durch Tiefziehen mit der Infiltrierung des Fasergewebes durch die Matrix kombiniert. So können Bauteile ohne Werkzeugwechsel in einem Produktionsschritt hergestellt werden. Für die Entwicklung der In-situ Hybridisierung ist eine genaue Kenntnis des Deformationsverhaltens des Gewebes wie auch die Interaktion zwischen Gewebe und Deckblechen notwendig. Der Einfluss der Fasern auf das Deformationsverhalten der metallischen Bleche wird mittels experimenteller und numerischer Verfahren untersucht. Bei hohem transversalem Druck führt die Reibung zwischen Fasern und Metall zu einer Absenkung der Umformbarkeit der Metallbleche. Die Bedingungen für auftretende Relativverschiebungen zwischen den einzelnen Schichten wurden untersucht und bestimmt. Hierbei stellt sich heraus, dass die Relativverschiebungen aufgrund der Werkzeuggeometrien eher gering sind. Dem gegenüber sind Reibungskräfte aufgrund direkten Kontaktes zwischen Fasern und Blech zu vermeiden. Ein Demonstratorwerkzeug wurde entwickelt und aufgebaut, um die Eignung der Insitu Hybridisierung zur Herstellung dreidimensionaler Bauteile aufzuzeigen. Verschiedene Prozessparameter wurden in Versuchsreihen untersucht, um die Bedingungen eines stabilen Herstellungsprozesses zu definieren. Die In-situ Hybridisierung stellt eine Möglichkeit dar, um Leichtbauprodukte für einen breiteren Anwendungsbereich herzustellen.
Consequences of large strain anisotropic work-hardening in cold forging
(2021-10-21) Kolpak, Felix; Hering, Oliver; Tekkaya, A. Erman
The influence of anisotropic work-hardening on the component properties and process forces in cold forging is investigated. The focus is on the material behaviour exhibited after strain path reversals. The work-hardening of three steels is characterized for large monotonic strains (equivalent strains up to 1.7) and subsequent strain path reversals (accumulated strains up to 2.5). Tensile tests on specimens extracted from rods forward extruded at room temperature reveal an almost linear work-hardening for all investigated steels. The application of compressive tests on extruded material gives insights into the non-monotonic work-hardening behaviour. All previously reported anisotropic work-hardening phenomena such as the Bauschinger effect, work-hardening stagnation and permanent softening are present for all investigated steels and intensify with the pre-strain. Experimental results of 16MnCrS5 were utilized to select constitutive models of increasing complexity regarding their capability to capture anisotropic work-hardening. The best fit between experimental and numerical data was obtained by implementation of a modified Yoshida-Uemori model, which is able to capture all observed anisotropic work-hardening phenomena. The constitutive models were applied in simulations of single- and multi-stage cold forming processes, revealing the significant effect of anisotropic hardening on the predicted component properties and process forces, originating in the process-intrinsic strain path reversals as well as in strain path reversals between subsequent forming stages. Selected results were validated experimentally.
Characterization of flow induced anisotropy in sheet metal at large strain
(2021-10-29) Gutknecht, Florian; Traphöner, Heinrich; Clausmeyer, Till; Tekkaya, A. Erman
Background: Many metals exhibit a stress overshoot, the so-called cross-hardening when subjected to a specific strain-path change. Existing tests for sheet metals are limited to an equivalent prestrain of 0.2 and show varying levels of cross-hardening for identical grades. Objective: The aim is to determine cross-hardening at large strains, relevant for forming processes. Mild steel grades (DC04, DC06, DX56) and high strength steel grades (BS600, DP600, ZE800) are investigated to quantify the level of cross-hardening between different grades and reveal which grades exhibit cross-hardening at all. Method: A novel test setup for large prestrain using hydraulic bulge test and torsion of curved sheets is developed to achieve an orthogonal strain-path change, i.e. the strain rate tensors for two subsequent loadings are orthogonal. The influence of strain rate differences between the tests and clamping of curved sheets on the determined cross-hardening are evaluated. The results are compared to experiments in literature. Results: Cross-hardening for sheet metal at prestrains up to 0.6 true plastic strain are obtained for the first time. For DX56 grade the maximum cross-hardening for all prestrains have a constant level of approximately 6%, while the maximum cross-hardening for DC04 and DC06 grades increases, with levels between 7 and 11%. The high strength grades BS600 and ZE800 do not show cross-hardening behavior, while, differencing from previous publications, cross-hardening is observed for dual phase steel DP600. Conclusion: Depending on the microstructure of the steel grade the cross-hardening increases with large prestrain or remains constant.
Anisotropic hardening in cold forging
(2022) Kolpak, Felix; Tekkaya, A. Erman; Yoshida, Fusahito
The goals of metal forming process design have long exceeded the mere shaping of components. Changes of the component properties which are caused by forming, including residual stresses, damage and work-hardening have received increasing attention in the last years. If done right, the incorporation and control of property changes of cold forged components in terms of numerical process simulations could significantly improve the energy- and resource-efficiency of metal forming processes as well as the components’ service life and performance. To predict and exploit the property changes by means of numerical simulations, the exact incorporation of the workpiece material behavior is of utmost importance. Up to now, anisotropic hardening is rarely considered in the field of cold bulk metal forming making impossible a flawless prediction of a component’s properties and its performance. In the scope of this thesis, typical cold forging materials are characterized with regard to their anisotropic work-hardening behavior exhibited at large strains. Tension, torsion and upsetting of material specimens pre-strained by forward rod extrusion reveal the material’s work-hardening behavior under a variety of different strain paths. It was shown that all investigated materials exhibit an extensive Bauschinger effect, workhardening stagnation and permanent softening which, up to now, are rarely considered in cold forging simulations. All anisotropic hardening phenomena intensify drastically, with the pre-strain. The experimental data is utilized to select, modify, and fit constitutive models of increasing complexity with the goal to capture all relevant work-hardening phenomena exhibited in the course of strain path changes. A modified version of the Yoshida- Uemori multi-surface model is successfully implemented and applied to improve the prediction accuracy of cold forging simulations. Various hardening models were applied to the simulation of basic single-stage cold forging processes, revealing, that the flow stress and residual stresses as well as the ejector forces are strongly affected by strain path changes, which cannot be captured with the common assumption of isotropic workhardening. While the forming forces of single-stage cold forging processes are hardly affected by anisotropic hardening, despite the occurrence of intrinsic strain path changes, the forming forces in multi-stage forming operations are reduced significantly, if large regions of the workpiece experience a strain path reversal. Lastly, it was shown that heat-treatments subsequent to cold forging at temperatures between 300 °C and 600 °C lead to a decrease of the Bauschinger effect, whereas work-hardening stagnation and permanent softening decrease only at larger temperatures.
Adjusting residual stresses by flexible stress superposition in incremental sheet metal forming
(2021-03-22) Maaß, Fabian; Huhn, Marlon; Tekkaya, A. Erman
Process-induced residual stresses significantly influence the mechanical properties of a formed component. A polymer pad is used as a flexible die in two-point incremental forming to induce compressive residual stresses in the component during the forming process. Experimental and numerical results illustrate the influence of compressive stress superposition on the component properties. It is shown that the active support, using a geometry-independent polyurethane die, causes beneficial compressive residual stresses on the tool side compared to the tensile residual stresses induced by the single-point incremental forming process without such a supporting die.
Part-optimized forming by spatially distributed vaporizing foil actuators
(2021-07-19) Hahn, Marlon; Tekkaya, A. Erman
Electrically vaporizing foil actuators are employed as an innovative high speed sheet metal forming technology, which has the potential to lower tool costs. To reduce experimental try-outs, a predictive physics-based process design procedure is developed for the first time. It consists of a mathematical optimization utilizing numerical forming simulations followed by analytical computations for the forming-impulse generation through the rapid Joule heating of the foils. The proposed method is demonstrated for an exemplary steel sheet part. The resulting process design provides a part-specific impulse distribution, corresponding parallel actuator geometries, and the pulse generator’s charging energy, so that all process parameters are available before the first experiment. The experimental validation is then performed for the example part. Formed parts indicate that the introduced method yields a good starting point for actual testing, as it only requires adjustments in the form of a minor charging energy augmentation. This was expectable due to the conservative nature of the underlying modeling. The part geometry obtained with the most suitable charging energy is finally compared to the target geometry.
Gezielte Steuerung der Bauteileigenspannungen durchinkrementelle Blechumformung
(2021-04-30) Maaß, Fabian; Dobecki, Mateus; Hahn, Marlon; Reimers, Walter; Tekkaya, A. Erman
Die Prozessführung der inkrementellen Blechumformung beeinflusst maßgeblich den Eigenspannungszustand einer gefertigten Komponente und damit die Produkteigenschaften. Eine kontinuierliche Variation des Zustellinkrements im Umformprozess ermöglicht die lokale Ausbildung vordefinierter Eigenspannungen im Bauteil. Um die lokale Beeinflussung von Eigenspannungen zu analysieren, werden vier Prozessrouten mit unterschiedlichen Zustellinkrement-Kombinationen zur Herstellung einer Kegelstumpfgeometrie experimentell verglichen. Eine Änderung der Zustellinkremente im Prozess verursacht eine Erhöhung des Eigenspannungsniveaus bei sonst gleichbleibenden Produkteigenschaften.

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