WarmAp – Teilprojekt: Untersuchung von Reibung und Verschleiß in der Warmumformung hochfester Aluminiumlegierungen

WarmAp – Teilprojekt: Untersuchung von Reibung und Verschleiß in der Warmumformung hochfester Aluminiumlegierungen

 

Das im Folgenden beschriebene Forschungsprojekt ist Teil des KMU-Verbundvorhabens WarmAp innerhalb des LOEWE-Schwerpunkts ALLEGRO und wird als duale Promotionsstelle mit der Firma Filzek TRIBOtech bearbeitet.

Motivation

Der Werkstoff Aluminium leistet seit Jahrzehnten wichtige Beiträge zum ressourceneffizienten Leichtbau. Anwendungen sind unter anderem zu finden in der Luft- und Raumfahrt, dem Automobilbau und ebenso in hochwertiger Ausrüstung für den Rad-, Outdoor-, und Alpinsport. Aktuell entstehen durch den Trend zur Elektromobilität neue Herausforderungen bezüglich Gewichtsreduzierung und Großserientauglichkeit. Mit bisherigen Legierungs- und Produktionskonzepten können diese Herausforderungen nicht zufriedenstellend gelöst werden.

Hier setzt das Projekt „WarmAp“ an: Kern des Projektes ist es, das bisher begrenzte Knowhow zur Warmumformung von Aluminium weiterzuentwickeln und in einem industrienahen Umfeld zu implementieren. Die Warmumformung verspricht grundsätzlich ein gesteigertes Formgebungsvermögen und somit die Möglichkeit, hochkomplexe Aluminiumbauteile herzustellen. Weiterhin wird daran geforscht, innerhalb eines Bauteils die Materialeigenschaften (z.B. Festigkeit und Härte) lokal einzustellen. Diese Einstellung erfolgt optimaler Weise energieeffizient durch einen lokal kontrollierten Abkühlprozess im Umformwerkzeug (auch genannt: Abschreckumformung, vgl. Abbildung 01).

Einordnung der Abschreckumformung und der konventionellen Kaltumformung in den Wärmebehandlungsprozess von Aluminiumlegierungen
[01] Einordnung der Abschreckumformung und der konventionellen Kaltumformung in den Wärmebehandlungsprozess von Aluminiumlegierungen

Die Tribologie ist ein zentrales Forschungsthema bei der Weiterentwicklung von Aluminium-Warmumform-Prozessen. Für die erfolgreiche industrielle Umsetzung dieser Prozesse ist die Analyse und Vorhersage von Reibung und Werkzeugverschleiß unter verschiedenen tribologischen Bedingungen essenziell. Mit den bisher eingesetzten Prüfständen ist keine zufriedenstellende Untersuchung von Reibung und Werkzeugverschleiß in der Aluminium-Warmumformung möglich.

 

Zielsetzung

Ziel des Projekts ist die Durchführung prozessnaher Streifenziehversuche, um Aufschluss über das Reib- und Verschleißverhalten bei der Warmumformung hochfester Aluminiumlegierungen zu erhalten. Auf Basis der Versuchsergebnisse ist der Aufbau und die Validierung eines Verschleißmodells geplant, welches in FE Simulationen von Umformprozessen genutzt werden kann.

 

Lösungsweg

Am PtU ist bereits eine Streifenziehanlage zur prozessnahen Reibungs- und Verschleißmessung in der Kaltumformung im Einsatz (vgl. Abbildung 02).

Bestehende Streifenziehanlage und Funktionsprinzip
[02] Bestehende Streifenziehanlage und Funktionsprinzip

Bis Ende des Jahres 2019 ist die Weiterentwicklung dieser Anlage vorgesehen, um sie für die o.g. Untersuchungen zu nutzen. Dazu wird die Anlage um die prinzipiell in Abbildung 03 gezeigten Elemente und Funktionen erweitert. Nach Abschluss der Anlagenerweiterung werden unterschiedliche Schmierstoffe bei verschiedenen Prozessbedingungen (Temperatur, Kontaktnormalspannung, Werkzeugbeschichtung etc.) untersucht. Aus den daraus gewonnenen Erkenntnissen wird ein geeignetes Verschleißmodell abgeleitet. In angegliederten Arbeitspaketen des Allegro-Gesamtprojekts wird dieses Verschleißmodell in realen Umformversuchen validiert.

Benötigte Komponenten für die Weiterentwicklung der Streifenziehanlage
[03] Benötigte Komponenten für die Weiterentwicklung der Streifenziehanlage

Im Rahmen der Anlagenerweiterung und Versuchsdurchführung werden einige anspruchsvolle studentische Arbeiten angeboten. Thematisch können die Schwerpunkte der Arbeit auf die Stärken und Interessen der Studierenden angepasst werden. Weiterhin bietet das Gesamtprojekt Potential für HiWi-Tätigkeiten mit experimentellen und konstruktiven Tätigkeiten, sowie Literaturrecherche und theoretischen Überlegungen.

 

Danksagung

Dieses Projekt (HA-Projekt-Nr.: 548/17-30 ) wird im Rahmen von Hessen ModellProjekte aus Mitteln der LOEWE – Landes-Offensive zur Entwicklung Wissenschaftlich-ökonomischer Exzellenz, Förderlinie 3: KMU-Verbundvorhaben gefördert.

Wir danken der Hessenagentur für die Finanzierung des Forschungsprojekts. Außerdem gilt unser Dank den im WarmAp Verbundvorhaben beteiligten Unternehmen, insbesondere Filzek TRIBOtech, sowie allen Beteiligten von ALLEGRO für die gute Zusammenarbeit.