Mikrostrukturierung metallischer Platinen durch Warmprägung mittels Widerstandserwärmung
Final Report Abstract
Für die wirtschaftliche Herstellung sehr kleiner Bipolarplatten, Mikroreaktoren oder Mikrokühlvorrichtungen eignet sich grundsätzlich das Prägeverfahren. Allerdings können zurzeit nur relativ weiche Metalle durch Kaltprägen umgeformt werden, da die Werkzeugbelastung sonst zu hoch wird. Die genannten Anwendungen erfordern jedoch höherfeste und korrosionsresistente Metalle, wie z.B. nichtrostende Stähle oder Titanwerkstoffe. Die Ziele des Projektes waren daher zu untersuchen, • ob und wie ein Mikrowarmprägeprozess realisiert werden könnte, • welche Verfahrensgrenzen bestehen, • inwieweit die vom Kaltmikroprägen bekannten Zusammenhänge übertragbar sind und • welche Gefügebeeinflussungen zu erwarten sind. Zur Vermeidung der problematischen Handhabung sehr kleiner erwärmter Platinen und zur Reduktion der Oberflächenoxidation wurde ein Mikrowarmprägewerkzeug konstruiert, in welchem ein Blechstreifen mittels integrierter Elektroden elektrisch konduktiv erwärmt wird. Nach Erreichen der Zieltemperatur wird aus der Platine in einem Werkzeughub eine Ronde ausgestanzt und geprägt. Sowohl der Erwärmungs- als auch der Prägeprozess werden nach Vorgabe der gewählten Parameter von einem in LabView realisierten Kontrollsystem reproduzierbar automatisch ausgeführt. In den experimentellen Versuchen an nichtrostendem Stahl (1.4401) und Titan (3.7035) konnten erfolgreich einfache und komplexe Kanalrippenstrukturen in die Oberfläche eingebracht werden. Die Rippentiefe der geprägten Proben liegt dabei im Bereich von 70 bis 350 µm. Es stellte sich heraus, dass die größte Formfüllung bei einem Aspektverhältnis (Höhe zu Breite) des Stempels von 0,6 erreicht werden kann. Das Formfüllverhalten entspricht den vom Kaltprägen bekannten Zusammenhängen, sofern die durch das Temperaturfeld beeinflusste mittlere Fließspannung angemessen berücksichtigt wird. Die Werkzeugbelastung überschreitet allerdings bei anspruchsvollen Geometrien trotz der Probenerwärmung die zulässigen Grenzen. Dies bestätigen auch die in Abaqus entwickelten 2D und 3D Modelle, mit denen der Prägeprozess und die Wirkung von Parametervariationen in guter Übereinstimmung mit den experimentellen Beobachtungen beschrieben werden können. Insofern bietet die validierte Simulation nun auch die Möglichkeit vorherzusagen, bis zu welchen Aspektverhältnissen zulässige Werkzeugbelastungen zu erwarten sind. Darüber hinaus wurde mit dem Programmsystem „StrucSim“ am Beispiel des nichtrostenden Stahls 1.4401 auch die Gefügeentwicklung beim Mikroprägen simuliert. Nach Anpassung des verfügbaren Modelldatensatzes an den Gefügeausgangszustand der Bleche konnte die beim Mikrowarmprägen auftretende dynamische Rekristallisation qualitativ korrekt modelliert und durch metallografische Schliffe sowie Mikrohärteprüfung nachgewiesen werden. In den experimentellen Untersuchungen konnten Kanalstrukturen mit einer Tiefe von 70 bis 350 µm in nichtrostenden Stahl X5CrNiMo17-12-2 (1.4401) geprägt werden. Dieses Ergebnis ist durch die integrierte konduktive Erwärmung möglich, die die Probe auf eine Temperatur von bis zu 1100 °C erwärmt. Die Formfüllung konnte bei derselben Struktur von 24% beim Kaltprägen auf 80% beim Warmprägen erhöht werden. Des Weiteren zeigte sich, dass der Verlauf der Formfüllung über der normierten Spannung zwischen den Warm- und Kaltprägeuntersuchungen unterschiedlich ist. Eine Korrektur der Gleichung zur Ermittlung der normierten Spannung führte wiederum zu einem, wie in Rattay (2003) beschriebenen, deckungsgleichen Verlauf. Ein dreidimensionales, thermisch-elektrisch gekoppeltes FEM Modell konnte erfolgreich aufgebaut und validiert werden. Dieses Modell kann genutzt werden, um die Erwärmungsund Abkühlungsphase, die zwischen dem Erwärmungs- und Prägeprozess vorliegt, zu simulieren. Die Prozessparameter konnten somit durch das Modell überprüft und bestimmt werden. Die Evaluation ergab eine Abweichung, die geringer als 7,4% ist. Des Weiteren wurde der Einfluss der Erwärmungsdauer, der Stromstärke und der Atmosphäre untersucht. Dabei stellte sich heraus, dass eine Kombination aus 1600 A, 5 s und Umgebungsluft bei 1.4401 eine homogene Temperaturverteilung innerhalb des Prägebereichs erreicht wird. Für die Simulation des Prägeprozesses wurde ein zweidimensionales Modell entwickelt, in dem der Temperaturverlauf, der Spannungsverlauf sowie die Werkzeugbelastung bestimmt werden konnten. Eine Evaluation des Modells erfolgte über einen Temperaturabgleich, die Messung erfolgte innerhalb des Werkzeugs (3 mm unterhalb der Struktur). Die Validierung ergab eine durchschnittliche Abweichung von 3%. Die Entwicklung des Gefüges wurde durch metallografische Schliffe, Mikrohärteprüfungen und durch ein Mikrostruktursimulatonsmodell ermittelt. Die Simulation erfolgte für den Werkstoff 1.4401 in StrucSim. Dabei konnte ermittelt werden, dass ein hoher dynamisch rekristallisierter Gefügeanteil und hohe Mikrohärtewerte um den Kanal auftreten. Im Bereich der Rippe ist die gemessene Mikrohärte geringer als im Kanal, da der Umformgrad geringer ist und somit auch der dynamisch rekristallisierte Anteil. Das StrucSim Modell zeigte bei der Validierung mit der Mikrohärteprüfung qualitativ übereinstimmende Bereiche. In der letzten Projektphase wurden aus nichtrostendem Stahl (1.4401) und aus Titan (3.7035) erfolgreich beidseitig strukturierte und komplexere Proben erzeugt.
Publications
- Numerical and experimental analysis of closed die micro warm coining of stainless steel. 10th International Conference on Technology of Plasticity, September 25-30, 2011, Aachen, Germany, pages 133-138, ISBN: 978-3-514-00784-0
K. Zhao, B. Wietbrock, G. Hirt
- Micro warm coining of stainless steel sheets using electric conductive heating. 14th International Conference Sheet Metal, 2011, Leuven
K. Zhao, B. Wietbrock, G. Hir
- Micro warm coining of stainless steel sheets using electric conductive heating. Key Engineering Materials, Vol. 473 (2011), pages 991-998 ["Best paper award” for “Young researchers”]
K. Zhao, B. Wietbrock, G. Hirt
(See online at https://dx.doi.org/10.4028/www.scientific.net/KEM.473.991) - Numerical and experimental analysis of conductive heating for micro warm coining of stainless steel. Production Engineering - Research and Development, Vol. 5 (2011), pages 629-639
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(See online at https://dx.doi.org/10.1007/s11740-011-0345-7)
