TRR 73: Umformtechnische Herstellung von komplexen Funktionsbauteilen mit Nebenformelementen aus Feinblechen - Blechmassivumformung -
Materialwissenschaft und Werkstofftechnik
Mathematik
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Der zunehmende Bedarf an ökologisch nachhaltigen Produkten und Prozessen in Kombination mit intensivem wirtschaftlichem Wettbewerb stellt den Maschinenbau vor besondere Herausforderungen. Funktionsintegrierte mechanische Bauteile sind ein zentraler Ansatz, um Nachhaltigkeitsziele zu erreichen. Die Umformtechnik, welche für einen schonenden Ressourcenumgang bei der Fertigung hochwertiger Bauteile bekannt ist, kombiniert diesen Vorteil mit einer hohen Wirtschaftlichkeit. Somit werden intuitiv widersprüchliche Anforderungen nach ökonomischer und ökologischer Fertigung erfüllt. Konventionelle Verfahren der Blech- oder Massivumformung stoßen bei der Fertigung geometrisch anspruchsvoller Bauteile an Grenzen. Hieraus leitete sich das Ziel des SFB/Transregio 73 „Umformtechnische Herstellung von komplexen Funktionsbauteilen mit Nebenformelementen aus Feinblechen - Blechmassivumformung“ ab. In drei Förderperioden wurden die wissenschaftlichen Grundlagen geschaffen, um mit Hilfe neuer Umformprozesse der steigenden Nachfrage nach individuellen, flexibel anpassbaren technischen Systemen, die eine hohe Funktionsdichte aufweisen, zu entsprechen. Es wurde die Blechmassivumformung als Anwendung von Massivumformverfahren auf flächige Halbzeuge zur Erzeugung von Bauteilen mit Funktionselementen durch einen lokalen dreidimensionalen Stofffluss definiert und erforscht. Im Rahmen der ersten Förderperiode wurden die grundlegenden Fragestellungen, die sich aus der Kombination von Blech- und Massivumformverfahren ergeben, in den drei Bereichen Prozesse, Systeme und Werkstoffe erforscht. Im Bereich Prozesse wurde durch einen kombiniert numerisch-experimentellen Ansatz der Nachweis der Machbarkeit der Blechmassivumformung von Funktionsbauteilen aus Feinblech erbracht. Es wurden erste Erkenntnisse bezüglich der Herausforderungen durch die Werkzeugbeanspruchungen und den Stofffluss erarbeitet. Für die Ursachenanalyse dieser Problemstellungen erfolgte in den Teilprojekten des Bereichs Systeme die Erforschung speziell an die Anforderungen der Blechmassivumformung angepasster Mess- und Prüfsysteme. Zudem wurden Erkenntnisse über die Fertigung von Blechmassivumformwerkzeugen erarbeitet. Hierbei lag der Fokus auf der Entwicklung modifizierter Werkzeugoberflächen, die den im Teilbereich Prozesse identifizierten Herausforderungen entgegenwirken. Im Bereich Werkstoffe wurden Ansätze zur Modellierung der dreidimensionalen Plastizität zur Beschreibung des Fließverhaltens sowie der Schädigung bei einem für die Blechmassivumformung charakteristischen dreidimensionalen Stofffluss entwickelt. In der zweiten Förderperiode wurden die grundlegenden Erkenntnisse weiter vertieft. Einerseits wurde die werkstoffliche Übertragbarkeit vom in der ersten Föderperiode genutzten DC04 auf den höherfesten DP600 erforscht. Andererseits wurden verschiedene Blechmassivumformprozesse zu Prozessketten kombiniert. Zudem lag der Fokus auf der Erweiterung der Prozessgrenzen durch den Einsatz werkstück- und werkzeugseitiger Oberflächenmodifikationen. Durch Simulationen wurden die Anforderungen an derartige maßgeschneiderte tribologische Systeme abgeleitet und deren Wirksamkeit experimentell verifiziert. Hierzu war es notwendig, ein konstitutives Reibgesetz basierend auf einem Halbraummodell zu erforschen. Während konventionelle Reibgesetze für die Blechmassivumformung nur bedingt geeignet sind, bildet dieses die Tribologie der Blechmassivumformungen realitätsnah ab. Die dritte Förderperiode stellte das Bauteileinsatzverhalten sowie das langfristige Werkzeugverhalten in den Mittelpunkt der wissenschaftlichen Arbeiten. Hierzu wurde die Komplexität der umformtechnisch gefertigten Bauteile hin zu lauffähig verzahnten Werkstücken gesteigert und deren Einsatzverhalten erforscht. Grundlegend für die Untersuchung war auch die Modellierung des Schädigungsverhaltens. Zudem wurden die zur Erweiterung der Prozessgrenzen entwickelten Strukturierungen und Beschichtungen der Werkzeuge bezüglich ihrer Auswirkungen auf die Ermüdung sowie den Verschleiß erforscht. Aus den Untersuchungen wurden Erkenntnisse für eine beanspruchungsgerechte Werkzeugauslegung abgeleitet. Des Weiteren begann in der dritten Förderperiode die noch nicht beendete Transferphase. In dieser wurde Wissen zur Blechmassivumformung in die Industrie transferiert und das erarbeitete Wissen unter anwendungsnahen Bedingungen verifiziert. Industriepartner waren unter anderem Halbzeuglieferanten, Softwareunternehmen, Bauteilhersteller und Unternehmen des Werkzeugbaus. Fokus der Transferprojekte war der Einsatz der Strukturen und Beschichtungen zur Erweiterung der Formgebungsgrenzen sowie die Erforschung von Prozessen zur Fertigung abstrahierter Industriebauteile. Die Entwicklungen im Bereich der Blechmassivumformung als Ergebnis des SFB/Transregio 73 tragen somit auf eine ökologische und nachhaltige Art dazu bei, den Fertigungs- und Technologiestandort Deutschland im immer härter werdenden internationalen Wettbewerb zu stärken und so auf Dauer dessen wirtschaftliche Kraft zu sichern.
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