3D Laserbearbeitungszentrum
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die Laserstrahlanlage wurde am Lehrstuhl für Fertigungstechnologie (LFT) der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) in zahlreichen Forschungsprojekten für die Erarbeitung von grundlagenwissenschaftlichen Erkenntnissen eingesetzt. Dabei wurden die Einsatzgebiete der Lasersystemanlage sowohl eigenständig als auch im Kontext von umformtechnischen Fertigungsprozessketten analysiert, weshalb unabhängig vom untersuchten Verfahren eine Bearbeitung und Bereitstellung von Halbzeugen, Vorformen und Bauteilen mit hoher Qualität gewährleistet sein muss, die den Anforderungen anspruchsvoller umformtechnischer Folgebearbeitungsschritte genügt. Ein entscheidender Vorteil für Schneidvorgänge stellt die flexible Strahlführung dar, die beliebige 2D-Ausschnitte aus flächigem Halbzeug bei guter Schnittkantenqualität, aber auch 2½D- oder 3D-Beschnitte von Profilhalbzeugen, umgeformten Bauteilen und die Entnahme von Sekundärproben ermöglicht, ohne dass spezielle Schneidwerkzeuge zu fertigen sind. Ein wesentlicher Einsatzzweck des Lasers war die Herstellung von Bearbeitung von flächigen Halbzeugen für die Werkstoffcharakterisierung, die Blech- sowie die Blechmassivumformung. Als großer Vorteil im Vergleich zu der vorherigen Anlage hat sich die große Flexibilität des Laserstrahlsystems herausgestellt. In den bisherigen Untersuchungen konnte eine große Bandbreite von Folien in der Größenordnung von ca. 100 µm bis zu Dickblechen mit einem Nennmaß bis zu 5 mm bearbeitet werden, wobei der Schwerpunkt bei Blechdicken zwischen 0,7 bis 1,5 mm lag. Neben der Vielfalt der Blechdicken konnten unterschiedlichste metallische Werkstoffe wie Stahl, Aluminium, Magnesium, Titan und Kupfer geschnitten und damit in zahlreichen Forschungsprojekten die Übertragbarkeit von wissenschaftlichen Erkenntnissen hinsichtlich unterschiedlicher Werkstoffe bewertet werden. Schließlich konnte die Bearbeitung sowie die Verarbeitbarkeit moderner Halbzeuge wie mehrlagige Aluminiumbleche oder hybride Metall-Kunststoff-Metall Verbundwerkstoffe untersucht werden. In mehreren durch die DFG und die EFB geförderten Projekten wurde die Wechselwirkung zwischen der Halbzeugherstellung und der resultierenden mechanischen Eigenschaften analysiert. Die dabei identifizierten Prozessgrenzen sind in diesen Zusammenhang werkstoffspezifisch. So zeigte sich beispielsweise über die unterschiedlichen Forschungsprojekte, dass für Aluminiumlegierung der 6xxx-Serie durch die neue Prozessführung und die geringe Energieeinbringung die temperaturbedingte Entfestigung geringer ist. Grundsätzlich hat sich für alle Projekte herausgestellt, dass durch die deutliche verbesserten Schnittkanten sowie die neuartigen Prozessführungsstrategien selbst für kleine Probenabmessung eine vergleichbare oder sogar bessere Qualität als durch alternative Herstellungsverfahren erreicht werden können. Sobald der Abstand zweier Schnittkanten kleiner als 2 mm beträgt, wie sie beispielsweise für miniaturisierte Proben im Rahmen von Zug-Druck-Versuchen oder für sehr kleine Sekundärzugproben benötigt werden, stößt man auf Prozessgrenzen. Für die Charakterisierung des Versagensverhaltens sind die Einflüsse des Laserschneidens divergent. Während für die Beschreibung des Einschnürungsverhaltens kein signifikanter Einfluss der Schneidparameter ermittelt werden kann, zeigt sich ein vollkommen anderes Verhalten für die Analyse der Kantenrissempfindlichkeit (INI.FAU: Erarbeitung von Grundlagen zur anwendungsbezogenen und frühzeitigen Prognose der Herstellbarkeit von Glanzzierleisten). Durch die gezielte Variation der Laserschneidparameter und der Bestimmung der resultierenden Schnittkantenqualitäten konnte gezeigt werden, dass die ermittelte Grenzdehnung stark vom Herstellungsprozess abhängig ist. Deshalb wurde im Rahmen des Forschungsprojektes eine ganzheitliche Methodik entwickelt, mit welcher die Serientauglichkeit eines Herstellungsverfahrens qualifiziert werden kann. Die umfassende Analyse des Schnittkanteneinflusses war ebenfalls Gegenstand eines Projekts zur Fertigung von Proben für Blechmassivumformprozesse. Dabei wurde auch der Schnittkanteneinfluss verschiedener Schneidverfahren analysiert, um den Materialfluss gezielt zu beeinflussen. In einem DFG-Projekt wurden schließlich die Möglichkeiten einer lokalen Wärmebehandlung von stranggepressten Aluminiumprofilen der 6xxx-Serie mit dem CO2-Laser untersucht und mit einem am LFT vorhandenen Diodenlaser mit homogener Top-Hat Intensitätsverteilung verglichen. Eine weitere Anwendung der Laserstrahlanlage war das Fügen von flächigen Halbzeugen aus Stahl. Zwei Ronden wurden im Randbereich laserstrahlgeschweißt, um in einem Folgeprozess Demonstratorbauteile durch wirkmedienbasierte Umformung herzustellen. Die begonnenen Untersuchungen im Bereich des Strahlbasierten Fügens sollen weiter intensiviert werden und in mehreren Projekten für die Herstellung von Tailored Blanks sowie für das Fügen umformtechnisch hergestellter Baugruppen eingesetzt werden. Zusammenfassend konnte durch das neue Großgerät und der damit verbundenen Möglichkeiten der Halbzeugbearbeitung für zahlreiche Forschungsprojekte ein signifikanter wissenschaftlicher Mehrwert geschaffen werden. Insbesondere durch die durchgängige Analyse von der Halbzeugherstellung bis zur Umformung sowie durch die größere Werkstoff- und Anwendungsvielfalt konnte in verschiedenen wissenschaftlichen Projekt ein grundlegendes, vertieftes Prozessverständnis überhaupt erst aufgebaut beziehungsweise dieses erweitert werden. In weiteren grundlagenwissenschaftlichen Untersuchungen und Forschungsprojekten sollen die gewonnen Erkenntnisse in den nächsten Jahren umfangreich eingesetzt und erweitert werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- (2014). Flexible Rolling of Process Adapted Semi-finished Parts and its Application in a Sheet-Bulk Metal Forming Process. Key Engineering Materials, 639
Hildenbrand, P., Schneider, T., & Merklein, M.
(Siehe online unter https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/KEM.639.259) - (2015). Analysis of Effectiveness of Locally Adapted Tribological Conditions for Improving Product Quality in Sheet-Bulk Metal Forming. Applied Mechanics & Materials, 794
Löffler, M., Groebel, D., Engel, U., Andreas, K., & Merklein, M.
(Siehe online unter https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMM.794.81) - (2015). Influence of tool surface on tribological conditions in conventional and dry sheet metal forming. International Journal of Precision Engineering and Manufacturing-Green Technology, 2(2), 131- 137
Merklein, M., Andreas, K., & Steiner, J.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1007/s40684-015-0017-8) - (2015). Investigation of Influencing Parameters for Tribological Conditions in Dry Forming Processes. Acta Metallurgica Sinica (English Letters), 28(12), 1435-1441
Steiner, J., & Merklein, M.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1007/s40195-015-0343-4) - (2015). Plastic flow and its control in sheet–bulk metal forming of thin-walled functional components. CIRP Annals-Manufacturing Technology, 64(1), 245-248
Merklein, M., Löffler, M., & Schneider, T.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.cirp.2015.04.078) - (2016). Applicability of blasted blanks for adaption of tribological conditions in sheet-bulk metal forming. Procedia CIRP, 45, 239-242
Löffler, M., Andreas, K., Engel, U., & Merklein, M.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.procir.2016.02.055) - (2016). Experimental and numerical investigation of a strain rate controlled hydraulic bulge test of sheet metal. Journal of Materials Processing Technology, 235, 121-133
Suttner, S., & Merklein, M.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2016.04.022) - (2016). Investigation of the Anisotropic Strain Rate Dependency of AA5182- O and DC04 for Different Stress States. In Advanced Materials Research (Vol. 1140, pp. 35- 42). Trans Tech Publications
Lenzen, M., Affronti, E., Rosenschon, M., & Merklein, M.
(Siehe online unter https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMR.1140.35) - (2016). Manufacturing of functional elements by sheet-bulk metal forming processes. Production Engineering, 10(1), 63-80
Gröbel, D., Schulte, R., Hildenbrand, P., Lechner, M., Engel, U., Sieczkarek, P., ... & Hübner, S.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1007/s11740-016-0662-y) - (2016). Material flow control in tailor welded blanks by a combination of heat treatment and warm forming. CIRP Annals-Manufacturing Technology, 65(1), 305-308
Gnibl, T., & Merklein, M.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.cirp.2016.04.124)
