Kernkompetenzen des Lehrstuhls

Entwicklung und Untersuchung von Formstoffen

Motivation

Getrieben durch strengere gesetzliche Vorgaben und dem Wunsch nach einer gesundheitlich unbedenklichen und umweltverträglichen Produktion, werden immer öfter anorganisch gebundene Kerne in Leichtmetallgießereien eingesetzt. Im Gegensatz zu organisch gebundenen Kernen entstehen während des Abgusses so deutlich weniger schädliche Emissionen. Jedoch entstehen auch neue technische Herausforderungen. Ein Nachteil von anorganisch gebundenem Formstoff ist, dass der Entkernprozess deutlich aufwändiger und belastender für das Bauteil ist. Des Weiteren unterscheiden sich die Gasentstehung und die Ursachen für Heißverformung beim Abguss stark von etablierten Modellen.

Aus aktuellen Projekten:

  • Einflussanalyse von Kernschießparametern auf Kerneigenschaften
  • Mikrostruktursimulation von anorganisch gebundenen Formstoffen
  • Entwicklung eines Bruchmodells für Entkernsimulationen

Zielsetzung
Vorhersage von Formstoff- und Prozesseigenschaften auf Basis von physikalischen und statistischen Modellen.

Kompetenzen des Lehrstuhls

>> Charakterisierung von Formstoffen (Siehe auch "Materialcharakterisierung im Gießereiwesen")

  • Bruchspannung
  • Bruchdehnung
  • Gasdurchlässigkeit
  • Gussfehler

>> Kernschießversuche und Einflussanalysen mit verschiedenen Bindern und Sanden

>> Formstoffqualifizierung bezüglich Heißverformung

Bildergalerie

Freiformbiegen

Für die Kernkompetenz Freiformbiegen steht dem Lehrstuhl eine Anlage der Firma Neu GmbH zur Verfügung. Durch den Einsatz von bis zu 6 CNC-Achsen ist ein vereinfachtes Biegen von assymetrischen Profilen oder dünnwandigen Rundrohren (auch mit Dorn) zu Konturen möglich, die bisher nur sehr aufwändig hergestellt werden konnten. Das Materialgefüge im Biegebereich bleibt erhalten, was eine hohe Umformfähigkeit gewährleistet.

Mit dem Freiformbiegen mit bewegter Matrize erweitert der Lehrstuhl das Forschungsportfolio um eine neue Produktionsmöglichkeit. Der Schwerpunkt der Forschung liegt dabei auf der Fertigung von komplexen Profilbauteilen und auf der Weiterentwicklung der in-line Prozessregelung beim Biegen.

Forschunginhalte sind:

>> Freiformbiegen von Profilen und Rohren

>> Konkrete Werkzeugstandards

>> Untersuchung der Materialeigenschaften und deren Veränderungen durch den Biegeprozess

>> Erweiterte Prozessregelung hinsichtlich der Werkstoffeigenschaften

 

Bildergalerie

Materialcharakterisierung im Gießereiwesen

Für die Forschung im Bereich des Gießereiwesens ist die Charakterisierung der verwendeten Gussmaterialen und Formstoffe ein wichtiger Bestandteil. Dabei werden vor allem zwei Ansätze verfolgt:

Fertigungsprozessoptimierung

  • Energetische Optimierung der Wärmebehandlung in Abhängigkeit der eingesetzten Legierung
  • Simulations- und versuchsgestützte Ermittlung von Prozessfenstern

Material Design

  • Einstellung von Gefügestruktur über Wärmebehandlungsprozesse
  • Mikrostrukturausbildung, Modellbildung und Simulation

Motivation
Technische Problemstellungen in der Produktion erreichen heute mit ihren Anforderungen aufgrund ihrer Komplexität und immer engeren Prozessfenstern die Grenzen von erfahrungsbasierte Herangehensweisen. Tieferes Verständnis darüber, welche Vorgänge im Werkstoff entlang der gesamten Wertschöpfungskette ablaufen, ist notwendig um den aktuellen Herausforderungen begegnen zu können. Dazu zählen beispielsweise die zunehmende Integration von Sensorik in die Gussbauteile und das Erschließen neuer Anwendungsfelder durch entsprechende Modifikation der Legierungszusammensetzung.

Aus aktuellen Projekten:

  • Energetische Optimierung der Wärmebehandlung von Gusseisen
  • Gefügestrukturanpassung zum Einsatz von GJS bei hydraulischen Komponenten
  • Sensorintegration in gegossene Bauteile während des Urformens
  • Mikrostruktursimulation

Zielsetzung
Quantifizierung von Umwandlungsvorgängen im Material und Berücksichtigung bei der Prozessführung.

Kompetenzen des Lehrstuhls

>> Eigenspannungsanalyse

  • Bohrlochmethode
  • Freischneiden
  • Bauteilintegrierte Sensorik (FBG)
  • Nanoindentation

>> Elektrische Messtechnik

  • DMS Messung
  • Temperaturmessung

>> optische Messtechnik

>> Metallographie und Bruchflächencharakterisierung

  • LOM
  • REM mit EDX
  • Präparations- und Ätzmethoden

>> Charakterisierung von Formstoffen

  • Bruchspannung
  • Bruchdehnung
  • Gasdurchlässigkeit
  • Gussfehler

In Zusammenarbeit mit Kooperationspartnern:

>> Diffraktionsmethoden (FRM II)

  • Neutronendiffraktometrie
  • Röntgendiffraktometrie

>> Atomsondentomographie (KIT)

>> Synchrotron (ESRF)

Untersuchte Themenbereiche

  • Quantitative in-situ Phasenanalyse
  • Formstoffanalyse
  • Bimetall-Verbundcharakterisierung

Materialcharakterisierung von Blechwerkstoffen

Philosophie am utg

Exzellente
Versuchstechnik

Kundenangepasste
Auswertemethodik

Kontinuierliche
Validierung

 

Versuchstechnik

>> Uniaxialer Zugversuch gemäß DIN EN ISO 6892

  • Taktile oder optische Längen- und Breitenmessung
  • Verschiedene Dehnraten realisierbar
  • Temperierung im Bereich -60 °C … 900 °C möglich

>> Hydraulischer Tiefungsversuch (Bulge-Versuch) gemäß DIN EN ISO 16808

  • Optische Dehnungsermittlung
  • Unterschiedliche Tiefungsgeschwindigkeiten realisierbar

>> Weitere Zugversuche unter verschiedenen Belastungsarten

  • Zugversuch unter annähernd ebenem Dehnungszustand
  • Zugversuch unter Scherung

>> Bestimmung der Grenzformänderung gemäß DIN EN ISO 12004-2

  • Nakajima-Verfahren o Marciniak-Verfahren
  • Herstellung definierter Vordehnungen (homogener, planarer Bereich: ømin = 80 mm)

>> Definierte Nachdehnung vorgedehnter Proben zur Erstellung nicht-proportionaler Lastpfade

>> Darstellung nahezu beliebiger nicht-proportionaler Lastpfade in einem modifizierten Kreuzzugversuch

Auswertemethodik

Ermittlung benötigter Kennwerte zur Kalibrierung von Modellen zur numerischen Beschreibung von Materialverhalten von Blechwerkstoffen:

>> Modellierung von elastischem Materialverhalten

>> Modellierung von elasto-plastischem Materialverhalten

  • Verschiedene Fließort-Modelle
  • Verfestigungsverhalten der Materialien

>> Bestimmung relevanter Prozessgrenzen in der Umformtechnik

  • Ermittlung von Grenzformänderungen für nahezu lineare Dehnpfade gemäß DIN EN ISO 12004-2
  • Kalibrierung des General Forming Limit Concepts (GFLC) zur Bewertung nicht-proportionaler Lastpfade

Validierung

>> Durchführung spezieller Versuche mit komplexen Dehnzuständen, die geringem Reibeinfluss unterliegen mit quasi-kontinuierlicher optischer Dehnungsmessung

>> Simulative Abbildung der Versuche unter Verwendung bestehender Materialmodelle

>> Bewertung der Simulation und Validierung der verwendeten Materialbeschreibungen

 

Bildergalerie

Scherschneiden

Neben der allgemeinen Forschungsarbeit im Bereich der Umformtechnik hat sich der Lehrstuhl schon seit vielen Jahren auf das Themenfeld Scherschneiden spezialisiert und kann dabei auf einen großen Erfahrungsschatz zurückgreifen. 

Mit der am Lehrstuhl verfügbaren Versuchstechnik und dem aufgebauten Know-How sind folgende Vorgänge möglich:

  • Herstellung schergeschnittener Proben verschiedenster Geometrien mit Blechstärken von 0,1 bis 10 mm unter Variation von Prozessparametern wie Schneidspalt oder Schneidkantengeometrie
  • Verschiedenste Verfahrensvarianten wie Feinschneiden oder Nachschneiden realisierbar
  • Bearbeitung von Elektroblech, Stahl-, Aluminium-, Kupfer-, Bronze-, Hybrid- und Kunststoffblechen
  • Verschleißuntersuchungen unter Variation der Beölung, des Blechwerkstoffs, der Werkzeugsteifigkeit, des Thermostroms, des Aktivelementwerkstoff und der Beschichtung
  • Herstellung von Proben zur Identifikation der Schwingfestigkeit schergeschnittener Kanten
  • Untersuchung von Präge-, Durchsetz- und Biegeoperationen unter anderem auch in Kombination mit Scherschneidoperationen.
  • Experimentelle Ermittlung der Kantenrisssensitivität schergeschnittener Proben

Etablierte Auswertemethodiken am Lehrstuhl:
Ermittlung benötigter Kennwerte zur Beurteilung der Schnittflächenausprägung, des Verschleißverhaltens und dem Verhalten von schergeschnittenen Kanten in Folgeoperationen bzw. im Anwendungsfall:

  • Quantifizierung des Aktivelementverschleißes, der Adhäsion und der Flitterentstehung
  • Messung von Prozesskräften
  • Messung von Schnittflächenkenngrößen
  • Makro- und Mikrohärteprüfung
  • Identifikation von Kenngrößen zur Betrachtung des Kantenrissverhaltens in der Simulation
  • Identifikation der elektromagnetischen Eigenschaften schergeschnittener Elektrobleche


Bildergalerie

Fertigung effizienter Elektromotoren

Der Lehrstuhl für Umformtechnik und Gießereiwesen untersucht in zwei von der Deutschen Forschungsgesellschaft geförderten Projekten das Stanzen von Elektroblechen. Die Themen „Verarbeitung von Elektroblech-Dünnband zu elektromagnetischen Komponenten“ und „Gezielte Eigenspannungsnutzung in Elektroblechen zur Steigerung der Energieeffizienz“ analysieren die Optimierung von Produktionsprozessen, um die Effizienz elektrischer Antriebe zu steigern.

Zur Umwandlung elektrischer in kinetische Energie werden in elektrischen Maschinen Magnetfelder erzeugt. Daher sind die magnetischen Eigenschaften der Hauptkomponente des elektrischen Antriebs, das sogenannten Elektroblech, entscheidend für seinen Wirkungsgrad. In der Vergangenheit konnten wir zeigen, dass der Herstellungsprozess des Elektroblechs einen Einfluss auf seine magnetischen Eigenschaften hat. Dies ist vor allem auf Eigenspannungen zurückzuführen, die bei der Verarbeitung entstehen. Das Scherschneiden von Elektroband induziert nahe der Schereinflusszone Eigenspannungen, die den Wirkungsgrad eines elektrischen Antriebs verringern. Die gezielte Prägung des Bleches lässt dagegen Eigenspannungen entstehen, die eine präzise Führung des Magnetflusses ermöglichen, umso die magnetischen Eigenschaften der Motorkerne zu verbessern.

Beim Scherschneiden des Elektroblechs haben die Prozessparameter einen erheblichen Einfluss auf die magnetischen Eigenschaften des verarbeiteten Werkstoffs. Eine Minimierung der Verluste und des Energiebedarfs kann durch einen optimierten Prozess – kleine Schneidspalte und scharfe Schneidaktivelemente – erreicht werden. Vor allem der Verschleiß der Werkzeuge konnte als Haupteinfluss für verschlechterte magnetische Werkstoffeigenschaften identifiziert werden. Das Ziel des Forschungsprojekts ist es der Industrie optimierte Prozessparameter bereitzustellen.

Im Gegensatz zu den negativen Effekten beim Scherschneiden werden Eigenspannungen durch Prägung gezielt als magnetische Flusssperren eingesetzt. Konventionelle Flusssperren werden als Ausschnitte ausgeführt und ermöglichen dadurch die präzise Führung des Magnetflusses. Jedoch geht damit eine Reduzierung der mechanischen Festigkeit der Rotorkonstruktion einher. Um elektrische Antriebe mit höherer Drehzahl zu betreiben, erforschen wir ein alternatives Flusssperrenkonzept. Da Eigenspannungen grundsätzlich das magnetische Materialverhalten verschlechtern, wirken durch Prägung lokal erhöhte Eigenspannungen als Flusssperren. Unsere Studien konzentrieren sich auf verschiedene Prägestrategien, um eine maximale Energieeffizienz für ausgewählte elektrische Antriebe zu erreichen.

Strang- und Verbundgießen

Das Strang- und Verbundgießen ist einer der Forschungsschwerpunkte des Lehrstuhls. Diese Verfahren bieten große Verbesserungspotentiale für die Produktion im Gießereibereich. Demnach ist eine wissenschaftliche Durchdringung des Themas von großem Interesse.

Folgende Potentiale sind als Motivation für die Forschung am Lehrstuhl zu nennen:

>> Belastungsangepasste, leichtbauorientierte Werkstoffkombination

  • Hybride Strukturen
  • Komplexe Eigenschaftsprofile
  • Kostenoptimierter Werkstoffeinsatz

>> Prozesskettenverkürzung

  • Integration von Fügeoperationen in den Gießprozess
  • Entfallen von Prozesszwischenschritten, z.B. chemisches Säubern, Wärmebehandlung

>> Ressourceneffizienz

>> Nutzung der thermischen und latenten Energie zur Verbundgenerierung

  • Materialeffizienz
  • Zeitersparnis durch Prozesskettenverkürzung

>> Potential der stoffschlüssigen Verbundbildung hinsichtlich Belastbarkeit und Weiterverarbeitbarkeit

>> Gestaltungs- und Änderungsflexibilität

Forschungsinhalte am Lehrstuhl:

>> Experimentelle und simulative Prozessuntersuchung

  • Stranggießen
  • Verbundgießen
  • Inkrementelles Gießen

>> Verbundbildungsanalyse

  • Aufschmelz- und Rekristallisationsmechanismen
  • Diffusionsvorgänge
  • Benetzungsverhalten
  • Mikroformschluss

 

Bildergalerie