Belastungsoptimierte Blechbauteile aus hochfestem Aluminium

RAmP – Teilprojekt

Das KMU-Verbundvorhaben RAmP ist angegliedert an den LOEWE 2-Schwerpunkt ALLEGRO und dient der Implementierung und Erprobung der in ALLEGRO getätigten Technologiesprünge in einem industrienahen Umfeld. Umgesetzt wird dies mittels eines neuen Qualifikationsmodells für NachwuchswissenschaftlerInnen, bei dem die ProjektbearbeiterInnen zu einer Hälfte am Institut für Produktionstechnik und Umformmaschinen (PtU) der TU Darmstadt und zur anderen Hälfte bei einem der Projektpartner angestellt sind. Als Industriepartner dieses Teilprojektes fungiert die Werner Schmid GmbH in Fulda, zu deren Kernkompetenzen die Konstruktion und der Bau mehrstufiger Folgeverbund- und Transferwerkzeuge sowie die Serienproduktion von komplizierten Stanz- und Ziehteilen zählen.

Motivation

Aufgrund steigender gesetzlicher Vorgaben ist das Thema Leichtbau in der Mobilitätsbranche nach wie vor von großer Bedeutung, um den Kraftstoff- und Energieverbrauch sowie den CO2-Ausstoß zu reduzieren. Speziell für Nutzfahrzeuge lassen sich damit Ladekapazitäten erhöhen. Stark wachsende Branchen, wie die E-Bike- und Automatisierungsindustrie profitieren ebenfalls von Leichtbaumaßnahmen. Neben Effizienzsteigerungen im Betrieb steht hier der Gebrauchsnutzen im Vordergrund: Dieser ergibt sich durch höhere erzielbare Dynamik (insb. Automation) und Handhabungsvorteile (insb. E-Bike).

Eine Möglichkeit im Bereich des Werkstoffleichtbaus bietet die hochfeste Aluminiumlegierung EN AW-7075, die jedoch unter Kaltumformbedingungen nur geringe Umformgrade und somit einfache Bauteilgeometrien erlaubt. Für die Herstellung komplexerer Bauteile werden temperaturunterstützte Umformprozesse bzw. Prozessrouten eingesetzt, welche oft kostenintensiv und eingeschränkt reproduzierbar sind. Weiterhin werden prozessintegrierte Wärmebehandlungsrouten für hochfeste Aluminiumbauteile mit gradierten Festigkeitseigenschaften untersucht. Diese Themen sind bereits Inhalt im LOEWE 2-Schwerpunkt ALLEGRO (Hochleistungs-komponenten aus Aluminiumlegierungen durch ressourcenoptimierte Prozesstechnologien) sowie dem abgeschlossenen LOEWE 3-Projekt „WarmAp“ (Warmumformen von Aluminiumblechen für Hochleistungskomponenten zukünftiger Mobilitätskonzepte, HA-Projekt-Nr.: 548/19-30).

Zielsetzung

Im Vorhaben RAmP (Robuste Umformung hochfester Aluminiumlegierungen durch mehrdimensionale Prozessfenster) wird eine Erweiterung des Prozessverständnisses für die temperaturunterstütze Umformung hochfester Aluminiumlegierungen angestrebt. Das Ziel ist die Weiterentwicklung der bisherigen Untersuchungen im Labormaßstab, um daraus stabile Prozessfenster für spätere Serienanwendungen gewinnen zu können. Dazu ist die Beschreibung und Beherrschung mehrdimensionaler Prozessfenster essentiell, bei denen sowohl einstufige als auch mehrstufige Umformprozesse für die jeweils optimierten Temperaturführungen betrachtet werden. Wesentliche Rollen für die Prozessfähigkeit nehmen die Tribologie und die Güte numerischer Simulationen temperaturunterstützter Umformprozesse ein.

[1] Prozessfenster eines Tiefziehprozesses; links: konventionell zweidimensional [Quelle: K. Lange – Blechbearbeitung], rechts: zweidimensional unter Berücksichtigung zusätzlicher Einflussgrößen, jedoch ohne deren Wechselwirkung (schematisch)

Im Teilprojekt mit der Werner Schmid GmbH steht die mehrstufige Umformung zur Herstellung von Bauteilen mit angepassten Wandstärken im Vordergrund, wodurch eine optimierte Krafteinleitung und somit auch Werkstoffausnutzung erreicht werden kann. Hierzu dient das in WarmAp entwickelte Versuchswerkzeug.

[2] Mehrstufiges Umformwerkzeug mit temperierten Aktivteilen und der geplanten Demonstratorgeometrie

Vorgehensweise

Um die geplanten Ziele zu erreichen bedarf es zunächst einer prozessspezifischen Steigerung der Robustheit der temperaturunterstützten Prozessrouten. Dies erfolgt durch numerische Simulationen und experimentelle Sensitivitätsanalysen einzelner Prozesseinflussgrößen. Parallel dazu wird eine Reib- und Verschleiß-Prüfmethode für erhöhte Temperaturen mit dem Ziel der Steigerung der tribologischen Robustheit temperaturunterstützter Umformprozesse aufgebaut. Mithilfe dieser Daten und Erkenntnisse wird die Auslegung mehrdimensionaler Prozessfenster für den Funktionsnachweis von Prozessketten unter seriennahen Laborbedingungen ermöglicht. Zudem erfolgt eine systematische Analyse tribologischer Systeme und eine Clusterbildung mit Funktionsnachweis und Anwendungsempfehlung. Abgeschlossen wird die Thematik mit der Formulierung von Richtlinien für die Auslegung temperaturunterstützter Umformprozesse und deren Anwendung auf Potentialbauteile.

[3] Übersicht über die Arbeitspakete und deren Schnittstellen

Beteiligte Institute und Unternehmen

Beteiligt an dem Gesamtprojekt ALLEGRO sind neben dem PtU das Institut für Werkstoffkunde sowie das Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit in Darmstadt. Hinzu kommen drei Institute der Universität Kassel. Hierzu zählen das Institut für Werkstofftechnik / Metallische Werkstoffe, das Institut für Umformtechnik und das Institut für Trennende und Fügende Fertigungsverfahren.

In RAmP agiert der Tribologiedienstleister Filzek TRIBOtech GmbH als Projektpartner und Konsortialführer. Darüber hinaus sind die Hörmann Automotive Gustavsburg GmbH als Spezialist für großflächige Strukturbauteile sowie der Schmierstoffhersteller MKU-Chemie GmbH als assoziierte Partner involviert.

Danksagung

Dieses Projekt (HA-Projekt-Nr.: 822/19-142) wird im Rahmen der Innovationsförderung Hessen aus Mitteln der LOEWE – Landes-Offensive zur Entwicklung Wissenschaftlich-ökonomischer Exzellenz, Förderlinie 3: KMU-Verbundvorhaben gefördert.

Ferner dankt das Institut für Produktionstechnik und Umformmaschinen allen in ALLEGRO und RAmP beteiligten Instituten und Industriepartnern, insbesondere der Werner Schmid GmbH, für die Unterstützung bei der Durchführung dieses Projektes.