Tribo-Alu-Warm – Tribologische Untersuchung der temperaturunterstützten Aluminium Blechumformung

Der Werkstoff Aluminium leistet seit Jahrzehnten wichtige Beiträge zum ressourceneffizienten Leichtbau. Nur durch temperaturunterstützte Umformprozesse können höchstfeste Aluminiumbleche zufriedenstellend umgeformt werden, wobei die erhöhten Prozesstemperaturen konventionelle Schmierstoffsysteme an ihre Grenzen bringen. In einer Reihe von LOEWE 3 Forschungsprojekten werden tribologische Systeme der Halbwarm- und Warmumformung untersucht. Im Fokus steht hierbei die Entwicklung und Validierung eines temperierten Streifenziehversuchs, sowohl für Reib- als auch für Verschleißuntersuchungen. Das Forschungsthema wird als duale Promotionsstelle mit der Firma Filzek TRIBOtech bearbeitet.

Projektverantwortlicher: Lukas Schell M. Sc.
Laufzeit: Januar 2018 – Juni 2023
Förderlinie: LOEWE-Förderlinie 3

Motivation

Stark wachsende Branchen wie die E-Bike- und Automatisierungsindustrie sowie weiterhin der Automobilbau stellen hohe Ansprüche an Leichtbaumaßnahmen. Neben Effizienzsteigerungen im Betrieb steht der Gebrauchsnutzen im Vordergrund: Dieser ergibt sich durch höhere erzielbare Dynamik (z.B. in der Automation), Handhabungsvorteile (z.B. E-Bike) und Zuladung sowie Querdynamik (Automobil). Mit bisherigen Legierungs- und Produktionskonzepten können die Herausforderungen an den Materialleichtbau nicht zufriedenstellend gelöst werden.

Die temperaturunterstützte Aluminium Blechumformung verspricht ein gesteigertes Formgebungsvermögen und somit die Möglichkeit, hochkomplexe Aluminiumbauteile herzustellen. Kern des vorliegenden Projektes ist es, das bisher begrenzte Knowhow zur temperaturunterstützten Umformung von hochfestem Aluminium weiterzuentwickeln und die Prozessrobustheit sowie Produktivität zu steigern.

Die Tribologie ist ein zentrales Forschungsthema bei der Weiterentwicklung temperaturunterstützter Blechumformprozesse. Für die erfolgreiche industrielle Umsetzung sowie Steigerung der Robustheit dieser Prozesse ist die Erforschung von Reibung und Werkzeugverschleiß unter verschiedenen tribologischen Bedingungen essenziell. Die bisher eingesetzten Prüfmethoden ermöglichen weder eine zufriedenstellende und prozessnahe tribologische Untersuchung, noch eine effiziente Entwicklung von Schmierstoffen und Werkzeugoberflächen.

Lösungsweg

Ziel des Projektes ist die ganzheitliche tribologische Betrachtung temperaturunterstützter Aluminium Blechumformprozesse. Am PtU ist bereits eine Streifenziehanlage zur prozessnahen Reibungsmessung im Einsatz. Im vorliegenden Projekt wird diese Anlage weiterentwickelt und für temperierte Reib- und Verschleißversuche umgerüstet. Zentrale Anlagenkomponenten und Alleinstellungsmerkmale sind eine Hochleistungs-Blecherwärmung und ein automatisiertes Werkzeugschmiersystem, die beide sowohl für den Einzelstreifen- als auch für den Dauerbetrieb ausgelegt sind. Grundsätzlich werden unterschiedliche Schmierstoffe und Werkzeugoberflächen bei verschiedenen Prozessbedingungen (Temperatur, Kontaktnormalspannung, Ziehweg, etc.) untersucht. Die gewonnenen Versuchsergebnisse werden für die tribologische Weiterentwicklung in Kooperation mit mehreren Schmierstoff- sowie Beschichtungsherstellern genutzt.

Die Forschungsergebnisse zeigen besonders vielversprechende Ergebnisse in der Verwendung von Schmierstoffmischungen (vgl. Abbildung). Neben charakteristischen Eigenschaften von Schmierstoffklassen wurde insbesondere ein positiver Einfluss von Haftvermittlern zwischen Schmierstoff und Werkzeugoberfläche nachgewiesen.

[1] Versuchsablauf des temperierten Streifenziehversuchs und exemplarische Ergebnisse
[1] Versuchsablauf des temperierten Streifenziehversuchs und exemplarische Ergebnisse

Neben Reib- und Verschleißuntersuchungen werden neue Möglichkeiten der chemisch-mechanischen Werkzeugaufbereitung sowie der robusten Prozessauslegung durch die Bestimmung von schmierstoffabhängigen Wärmeübergangskoeffizienten entwickelt.

Danksagung

Dieses Projekt (Kombination aus HA-Projekt-Nr.: 548/17-30 & 822/19-142 & 1269/21-170) wird im Rahmen der Innovationsförderung Hessen aus Mitteln der LOEWE – Landes-Offensive zur Entwicklung Wissenschaftlich-ökonomischer Exzellenz, Förderlinie 3: KMU-Verbundvorhaben gefördert. Außerdem gilt unser Dank den beteiligten Unternehmen, insbesondere Filzek TRIBOtech.

Gefördert durch

Projektpartner