Inkrementelle Blechmassivumformung belastungsangepasster Funktionsbauteile

Abstract

Die weltweiten Bestrebungen zur Reduzierung klimaschädlicher Emissionen machen sowohl ressourceneffiziente Fertigungsverfahren als auch die Reduzierung bewegter Massen in mobilen Anwendungen erforderlich. In diesem Kontext sind beispielsweise Anlasserzahnkränze oder Sitzversteller in Kraftfahrzeugen zu nennen, welche infolge der Restriktionen konventioneller Fertigungsverfahren für gewöhnlich keine belastungsangepasste Kontur aufweisen. Die inkrementelle Blechmassivumformung stellt einen innovativen Ansatz zur ressourceneffizienten Herstellung belastungsangepasster Funktionsbauteile dar. Anders als bei konventionellen Fertigungsverfahren ermöglicht dieser umformtechnische Ansatz die lokale Anpassung der Wandstärke an das anwendungsspezifische Belastungskollektiv. Ausgangspunkt hierfür sind Feinbleche mit einer Wandstärke zwischen 2 – 3 mm. Infolge der inkrementellen Vorgehensweise wird dafür, bezogen auf die Bauteilabmessungen, lediglich ein moderates Kraftniveau erforderlich. Die kinematische Flexibilität der inkrementellen Blechmassivumformung ermöglicht die Bauteilfertigung über unterschiedliche Formänderungshistorien. Die dabei vorherrschende Formänderung sowie dessen Einflüsse auf die resultierenden Bauteileigenschaften sind bislang nicht bekannt, weshalb die Prozessauslegung mit einer hohen Unsicherheit verbunden ist und diese innovative Fertigungstechnologie bislang nur eine geringe industrielle Verbreitung aufweist. Das Ziel dieser Arbeit ist es, ein grundlegendes Verständnis über die Formänderungshistorie inkrementeller Blechmassivumformprozesse sowie deren Einfluss auf die mechanischen und geometrischen Eigenschaften von Funktionsbauteilen zu erarbeiten. Durch eine numerische Prozessmodellierung werden die prozessspezifischen Formänderungsverteilungen bei der umformtechnischen Herstellung der belastungsangepassten Bauteilkontur sowie der anschließenden Ausformung von Funktionselementen identifiziert. Zugleich werden die dabei vorliegenden Lastpfade analysiert. Auf Grundlage dieser Lastpfadanalyse erfolgt eine angepasste Charakterisierung des werkstoffseitigen Verfestigungsverhaltens mit einer Gegenüberstellung der prozessbedingten, lokalen Härteänderungen. Basierend auf dieser Vorgehensweise wird ferner analysiert, ob die unterschiedlichen Formänderungshistorien zur gezielten Einstellung der Bauteileigenschaften genutzt werden können. Neben dem Verständnis des Einflusses unterschiedlicher Formänderungshistorien auf die Bauteileigenschaften zielen die Untersuchungen auf eine Steigerung des Leichtbaupotenzials bei gleichzeitiger Reduzierung der enormen Werkzeugbelastungen durch eine Hybridisierung der Bauteile ab. Hierfür wird ein Konzept zur umformtechnischen Paarung von Leichtbauwerkstoffen und höherfesten Werkstoffen ausgearbeitet und hinsichtlich der resultierenden Bauteileigenschaften sowie Reduktion der Umformkraft geprüft.

The worldwide effort towards the reduction of climate-damaging emissions require resource-efficient manufacturing processes as well as the reduction of moving masses in mobile applications. In this context, starter gears and seat adjusters of cars present a high potential for improvement. Their shape usually is not load-adapted due to the restrictions of conventional manufacturing processes. Incremental sheet-bulk metal forming presents an innovative approach for the manufacturing of functional components featuring a load-adapted shape. Based on sheets with an initial thickness of 2 – 3 mm, bulk-forming operations locally adjust the sheet thickness towards the loads occurring during the later application. The kinematical flexibility of incremental sheetbulk metal forming enables for the manufacturing of geometrically identical components along different strain-paths. The occurring strain-paths and their impact on the resulting properties of the component are not yet known. Therefore, the process design is affected by great uncertainties leading to a minor industrial distribution of this innovative technology. Consequently, the development of a fundamental understanding of the interaction between the strain-paths present in incremental sheet-bulk metal forming and the resulting geometrical and mechanical properties of the component is the objective of this work Based on numerical modelling of the forming processes, the process-depending straindistribution during edge thickening and the forming of functional elements is identified. Moreover, the workpiece material is characterised according to the process-depending load-paths. The observed hardening behaviour is confronted to the local hardnessincreases measured at the component. This confrontation enables for the identification whether the process depending load-paths are usable for a targeted adjustment of the component properties or not. In addition to the understanding of the load-path depending component properties, an increase of the lightweight-potential while reducing the tremendous tool-loads is investigated resting upon a hybridization of the component. Thus, a new concept for the manufacturing of functional components by joining of lightweight-materials and highstrength steels is developed. Moreover, the new concept is investigated towards the resulting properties of the component and the impact on the forming force.