Inkrementelle Blechmassivumformung belastungsangepasster Funktionsbauteile
Loading...
Date
2021
Authors
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
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.
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.
Description
Table of contents
Keywords
Blechmassivumformung, Inkrementelle Umformung, Bauteileigenschaften