Bauteiloptimierung durch Schmieden von verbundstranggepressten Aluminiumhalbzeugen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Aufgrund der geringen Dichte bei gleichzeitig hoher Festigkeit sowie der guten Umform- und Recyclingeigenschaften weist der Werkstoff Aluminium ein hohes Leichtbaupotenzial auf. Dieses Leichtbaupotenzial lässt sich durch den Einsatz gewichts-, eigenschafts- und funktionsangepasster Bauteile, hergestellt aus Aluminium- bzw. Aluminium-Stahl-Verbunden, zusätzlich steigern. Daher sollte im Rahmen dieses Projektes die Herstellung und Weiterverarbeitung von verstärkten Werkstoffverbundbauteilen, in denen die Verstärkung nicht in durchmischter Form, sondern kontinuierlich bzw. diskontinuierlich vorliegt, anhand der Prozesskette Strangpressen und Schmieden untersucht werden. Dabei soll das Verbundstrangpressen zur Herstellung partiell- und endlosverstärkter Verbundhalbzeuge Einsatz finden und als weiterverarbeitender Prozessschritt das Schmieden der Werkstoffverbund- Halbzeuge untersucht werden. Der Schwerpunkt lag sowohl auf der Entwicklung und Auslegung der Einzelprozesse als auch auf der Berücksichtigung möglicher gegenseitiger Beeinflussungen im Hinblick auf die gesamte Prozesskette. Die Arbeiten im Bereich des Verbundstrangpressens fokussieren sich hierbei insbesondere auf Prozessentwicklung und -charakterisierung des partiellen Verbundstrangpressens. Es konnte gezeigt werden, dass das Verfahren dazu geeignet ist, sowohl zentrisch als auch exzentrisch verstärkte Halbzeuge für den nachgelagerten Schmiedeprozess herzustellen. Als Verstärkung lassen sich hierbei Stahlelemente, bspw. in Form von Kugeln, Zylindern oder Stiften, verwenden. Im Rahmen der Untersuchungen konnten drei grundsätzliche Prozessfehler identifiziert werden. So kann abhängig von den gewählten geometrisch- und prozessbedingten Parametern eine Rotation der Elemente, eine Hohlraumbildung vor oder nach den Elementen oder eine Einschnürung der Elemente auftreten. Unter Berücksichtigung dieser Prozessfehler konnten in experimentellen Untersuchungen, in Abhängigkeit der Geometrie der Verstärkungselemente sowie der Durchmesser der gefertigten Vollprofile, Prozessfenster identifiziert werden, in denen Gutteile hergestellt werden können. Darüber hinaus ermöglicht eine analytische Betrachtung des Fließverhaltens innerhalb der Strangpressmatrizen eine Vorhersage der axialen sowie radialen Lage der Verstärkungselemente im gefertigten Profil. Ausgehend von der initialen Position der Elemente im verstärkten Block, kann diese sowohl für zentrisch als auch für exzentrisch verstärkte Blöcke bzw. Profile als Richtlinie für die Prozessauslegung verwendet werden. Schließlich konnte ebenfalls gezeigt werden, dass auch eine Prozesskombination von partiellem und kontinuierlichem Verbundstrangpressen möglich ist. Einschränkungen ergeben sich hier insbesondere durch die Prozessgrenzen des Einzelprozesses als auch durch geometrische und stabilitätstechnische Restriktionen bei der Werkzeuggestaltung. Zur Weiterentwicklung der Verbundschmiedetechnologie wurden umfangreiche numerische und experimentelle Untersuchungen durchgeführt. Mit dem Ziel, das Prozesswissen zum Umformverhalten der stahlverstärkten Aluminiumhalbzeuge beim Schmieden zu erweitern, wurden zunächst die Prozesseinflussgrößen anhand FEM-unterstützter Modellumformversuche mit einer partiellen Verstärkung untersucht. Es zeigte sich, dass mittels eines kalibrierten Reibmodells der Werkstofffluss beim Schmieden der stahlverstärkten Aluminiumhalbzeuge gut mithilfe der FEM beschrieben werden kann. Metallografische sowie röntgenografische Untersuchungen konnten innerhalb der stranggepressten Halbzeuge Hohlräume im Bereich der Verstärkungselemente feststellen. Diese können jedoch durch den nachfolgenden Schmiedeprozess vollständig geschlossen werden, wodurch eine form- sowie kraftschlüssige Verbindung realisiert werden kann. Aufgrund des niedrigeren Umformvermögens der Stahldrähte bestand eine weitere Herausforderung beim Verbundschmieden darin, entstehende Drahtrisse zu unterbinden. Zum einen kann eine induktive Erwärmung eingesetzt werden, welche die erforderliche Umformbarkeit über lokale Temperaturdifferenzen ermöglicht. Trotz der niedrigeren magnetischen Permeabilität des verwendeten Stahls konnten bei den Erwärmungsversuchen Temperaturdifferenzen von über 100°C erzielt werden, welche durch Stahlwerkstoffe mit höherer Permeabilität noch gesteigert werden können. Als weitere Möglichkeit wurden bereits wärmebehandelte Stahldrähte verwendet, womit ein fehlerfreies Bauteil mit formschlüssiger Verbindung hergestellt werden konnte. Zusammenfassend lässt sich festhalten, dass die Prozesskette Strangpressen und Schmieden zur Herstellung hybrider Leichtbaukomponenten viel Potenzial bietet, jedoch eine genaue Prozessauslegung erfordert.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Compound Forging of Hot-extruded Steel-reinforced Aluminum Parts, steel research international, (2012), S. 159-162
Pfeiffer, I., Foydl, A., Kammler, M., Matthias, T., Kosch, K.-G., Jäger, A., Ben Khalifa, N., Tekkaya, A. E., Behrens, B.-A.
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Influence of the steel-reinforcement geometry on position and embedding quality in discontinuously-reinforced, co-extruded aluminum profiles, ET '12: The Tenth International Aluminum Extrusion Technology Seminar & Exposition, Miami, USA, (2012), S. 665-674
Foydl, A., Turan, E., Jäger A., Tekkaya, A. E.
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Manufacturing of Steel-Reinforced Aluminum Products by Combining Hot Extrusion and Closed-Die Forging, Key Engineering Materials, 504-506, (2012), S. 481-486
Foydl, A., Pfeiffer, I., Kammler, M., Pietzka, D., Matthias, T., Jäger, A., Tekkaya, A. E., Behrens, B.-A.
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Schmieden von partiell stahlverstärkten Aluminiumhalbzeugen, UTF Science, (2012), S. 1-9
Kosch, K.-G., Pfeiffer, I., Foydl, A., Behrens, B.-A., Tekkaya, A. E.
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Verbundstrangpressen und anschließendes Schmieden kontinuierlich stahlverstärkter Aluminiumhalbzeuge, Metall, 10 (2012), S. 454-457
Behrens, B.-A., Tekkaya, A. E., Kosch, K.-G., Kammler, M., Pfeiffer, I., Foydl, A.
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Co-Extrusion of Discontinuously Steel Reinforced Aluminum. In: Proceedings of the 6th JSTP International Seminar on Precision Forging, (2013), S. 121-124
Foydl, A., Kosch, K.-G., Jäger, A., Pfeiffer, I., Tekkaya, A. E., Behrens, B.-A.
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Extrusion of Multi-Material Components, (Keynote), ASME 2014 International Manufacturing Science and Engineering Conference collocated with the JSME 2014 International Conference on Materials and Processing and the 42nd North American Manufacturing Research Conference, Detroit, Michigan, USA, (2014)
Ben Khalifa, N., Foydl, A., Pietzka, D., Jäger, A., Tekkaya, A. E.
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Manufacturing of steel-reinforced aluminum parts by co-extrusion and subsequent forging, Key Engineering Materials, 585 (2014), S.149-156
Behrens, B.-A., Tekkaya, A. E., Kosch, K.-G., Foydl, A., Kammler, M., Jäger, A.
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Herstellung von partiell- und kontinuierlich stahlverstärkten Aluminiumbauteilen, Jahresmagazin Werkstofftechnik, (2015), S. 62-65
Behrens, B.-A., Tekkaya, A. E., Vucetic, M., Haase, M., Foydl, A., Dahnke, C., Kosch, K.-G., Moakhar ep Bouguecha, S., Bonk, C.
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Process window for the embedding of eccentric steel-reinforcing elements in the discontinuous composite extrusion process. Applied Mechanics and Materials, 794, (2015), S. 182-189
Dahnke, C., Foydl, A., Levin, E., Haase, M., Tekkaya, A. E.
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Newest Developments in Composite Extrusion. In: Proceedings of the Eleventh International Aluminum Extrusion Technology Seminar, ET '16, Chicago, Illinois, USA, (2016), S. 559-569
Ben Khalifa, N., Dahnke, C., Pietzka, D., Foydl, A., Tekkaya, A.E.
