Bulk microforming of small metal components from strip
Final Report Abstract
In vielen Branchen, wie beispielsweise der Automobilindustrie, der Medizintechnik oder der Unterhaltungselektronik, ist ein deutlicher Trend zur Miniaturisierung von Bauteilen erkennbar. Dieser kontinuierlich zunehmende Miniaturisierungstrend technischer Systeme bei gleichzeitiger Steigerung der Funktionalität und Qualität der Produkte erhöht den Bedarf an metallischen Mikrobauteilen. Zur Deckung dieses Bedarfs werden Fertigungsverfahren benötigt, welche die Bauteile kostengünstig, in der erforderlichen Qualität bei kurzer Taktrate produzieren können. Obwohl umformtechnische Verfahren in der Massenproduktion von metallischen Bauteilen technologische, wirtschaftliche und ökologische Vorteile im Vergleich zu alternativen Herstellungsverfahren bieten, wird der Markt überwiegend durch spanend hergestellte metallische Mikrobauteile bedient. Die Gründe hierfür liegen im aufwendigen mechanischen Teiletransport zwischen den Umformstufen und dem Auftreten von miniaturisierungsbedingten Größeneffekten. Durch die Nutzung von Blechband als Halbzeug kann die Handhabung erheblich vereinfacht werden, da das Blech auch als Werkstückträger dient und erst nach der letzten Bearbeitungsstufe vom Mikrobauteil getrennt wird. Zur Handhabung von Blechbändern im Folgeverbundwerkzeug steht ein breites Erfahrungswissen der industriell bereits weit verbreiteten Mikroblechumformung zur Verfügung. In diesem Zusammenhang wurde im Projekt ein mehrstufiger Massivumformprozess von Blechhalbzeugen zur Herstellung eines Mikronapfes untersucht. Für die Projektbearbeitung wurde ein kombiniert numerisch-experimenteller Ansatz gewählt. In numerischen Voruntersuchungen wurden potenziellen Einflussfaktoren auf die Ausformung analysiert und anhand der Signifikanz bewertet. Dabei wurde auch die Blechbandgeometrie als Einflussgröße detektiert, weshalb die Untersuchungen im Labormaßstab mit rotationssymmetrischen Ronden durchgeführt wurden. Durch diesen Ansatz konnten allgemeingültigere Erkenntnisse gewonnen werden. Die Übertragbarkeit der Ergebnisse auf das Bandmaterial wurde numerisch und experimentell abgesichert. Im untersuchten Prozess wird in einer ersten Umformstufe mittels Vollvorwärtsfließpressen (VVFP) Werkstoff in Form eines Mikrozapfens für weitere Umformstufen bereitgestellt. Dieser Zapfen wird anschließend in einer zweiten Napfrückwärtsfließpress-(NRFP)Stufe zu einem Mikronapf geformt. Aufgrund der hohen Vorverfestigung war es eine zentrale Fragestellung ob der Zapfen im Hinblick auf die Werkzeugbeanspruchungen noch weiter umformbar ist. Für die experimentelle Versuchsdurchführung wurde ein dreifachwirkendes Werkzeug konzipiert, um die Fließpressprozesse bei definiertem Niederhalterdruck in der Umformzone zu untersuchen. Dabei konnte gezeigt werden, dass die mehrstufige Mikromassivumformung vom Band sowohl für wärmebehandeltes (k f0 = 41 MPa) und walzhartes (kf0 = 371 MPa) Cu-OFE experimentell umsetzbar ist. Das Potenzial der mehrstufigen Mikromassivumformung wurde durch einen Vergleich der einstufigen mit der zweistufigen Prozessführung aufgezeigt. Die zweistufige Prozessroute ermöglicht eine Erhöhung der Werkstoffausnutzung um bis zu 300 %. Für eine umfassende Prozessanalyse wurden die verwendeten Simulationsmodelle validiert [PSP2]. Aufgrund von auftretenden Größeneffekten ist dies lediglich für die Makromodelle gelungen, welche in zukünftigen Arbeiten zur Prozessanalyse hinsichtlich der qualitativen Bewertung des Werkstoffflusses verwendet werden können. Abschließend wurden Empfehlungen für die Prozessauslegung zur Erhöhung der Ausformung und Werkstoffausnutzung erarbeitet, welche eine effiziente Auslegung des Prozesses ermöglichen.
Publications
- Experimental and Numerical Investigation on a Full Forward Extrusion Process from Metal Strip. In: Humbert Noll, Nadja Adamovic and Stefan Dimov (Edtr.): Proc. 9th Int. Conf. Multi-Material Micro Manufacture, Research Publ. (2012), S. 163 – 166
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Merklein, M.; Stellin, T.; Engel, U.
(See online at https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/KEM.504-506.587) - Modification of tribological conditions for influencing the material flow in bulk forming of microparts from sheet metal. AIP Conf. Proc. 1896 (2017)
Kraus, M.; Kolja, A.; Tommaso, S.; Engel, U.; Merklein, M.
(See online at https://doi.org/10.1063/1.5007959) - Verification of the Accuracy of FE-Models in Bulk-Forming of Micropins from Sheet Metal, WCMNM 2018 World Congress on Micro and Nano Manufacturing (2018), S185-188
Kraus, M.; Hufnagel T.; Merklein M.
- (2019) Accuracy of conventional FE-Models in Bulk- Forming of Micropins from Sheet Metal, Journal of Micro- and Nano- Manufacturing 7 (1) 010902
Kraus, M.; Hufnagel, T.; Merklein, M.
(See online at https://doi.org/10.1115/1.4042965)
