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Fördermaßnahme: Hochleistungsfertigungsverfahren für die Produkte von Morgen - Technologieinnovationen auf dem Weg zur intelligenten Fertigung
Forschungsziel: Die Einsatzmöglichkeiten von Verstemmprozessen werden durch die für die Umformung benötigten hohen Prozesskräfte und die erforderliche gute Umformbarkeit des zu bearbeitenden Werkstoffes begrenzt. Diese Randbedingungen stellen eine Limitierung dar, besonders aufgrund der zunehmenden Miniaturisierung sowie dem Trend zu funktionsbedingt hochfesten und damit schwer umformbaren Werkstoffen.Eine vielversprechende Möglichkeit, diese Grenzen zu überwinden, besteht im Einsatz einer Ultraschallüberlagerung und wurde in diesem Forschungsprojekt untersucht und weiterentwickelt. Die Schwerpunkte lagen u. a. bei der Reduzierung der Prozesskräfte auf einer verbesserten plastischen Umformung von schwer umformbaren Werkstoffen. Dazu zählten insbesondere hochfeste Stahlwerkstoffe sowie Aluminium-Gusswerkstoffe.
Dipl.-Ing. Ulrike Kirsten
+49 721 608-31411
ulrike.kirsten@kit.edu
Problemstellung
Eine modulare Produktgestaltung erfordert flexible und kostengünstige Umform- und Fügetechnologien am Ende der Prozesskette. Verstemmprozesse, die dem Fügen durch Umformen zuzuordnen sind, erfüllen diese Anforderungen und werden heute bereits zum Aufbau verschiedenster Produkte im Millionenstückzahlbereich erfolgreich eingesetzt. Die Einsatzmöglichkeiten dieses Fertigungsverfahrens werden jedoch durch die für die Umformung benötigten hohen Prozesskräfte und die erforderliche gute Umformbarkeit des zu bearbeitenden Werkstoffes begrenzt. Eine vielversprechende Möglichkeit, diese Limitierungen zu überwinden, besteht daher im Einsatz einer Ultraschallüberlagerung.
Vorgehensweise und Ergebnisse
Ziel des Forschungsprojekts war daher die Entwicklung eines neuartigen hybriden Fertigungsverfahrens zum ultraschallunterstützten Umformen und Verstemmen von Bauteilen aus Werkstoffen, die sich bislang schlecht oder nicht umformen lassen. Hierbei standen vor allem hochfeste Stahlwerkstoffe sowie Aluminium-Gusswerkstoffe im Mittelpunkt. Neben der Erweiterung des Werkstoffspektrums sollten auch die Prozesskräfte und damit die Bauteilbelastung während des Fügens durch Umformen mittels Ultraschallüberlagerung gesenkt werden. Im Projektverlauf wurden die werkstofftechnischen Zusammenhänge untersucht und daraus Werkstoffmodelle für die numerische Simulation des ultraschallunterstützten Umformprozesses abgeleitet. Weiterführend wurde ein Simulationsmodell zur Bauteilauslegung und Prozessoptimierung sowie die prozessspezifische System- und Messtechnik entwickelt. Die Verfahrensentwicklung erfolgte anhand vereinfachter Demonstrationsbauteile. Die Versuche ergaben u. a. eine Reduzierung der Prozesskräfte um ca. 30 Prozent, in bestimmten Prozessfenster auch teilweise noch mehr Kraftreduzierungen. Weiterhin wurde deutlich, dass signifikante Kostenreduzierungen durch Materialeinsparung sowie eine Substitution bisher eingesetzter kostenintensiver Formgebungs- und Fügeverfahren, wie z. B. Fräsen oder Laserschweißen, erreichbar sind.
Verwertung
Das neue hybride Umformen und Verstemmen mit Ultraschallüberlagerung ist eine innovative Verfahrenskombination, welches ein großes Anwendungspotenzial besitzt. Dies bezieht sich nicht nur auf die Märkte der in diesem Projekt beteiligten Ausrüster, Systemanbieter und Endanwender, sondern wird auf viele weitere Branchen übergreifen. Die verfahrenstechnischen Grundlagen des neuen hybriden Fertigungsverfahrens wurden im Rahmen von www.benchwerk.de, auf Workshops sowie auf Fachtagungen präsentiert. Die Veröffentlichung der Ergebnisse des Projekts erfolgt über die Projektwebseite www.ultracaulk.de und liegt als Abschlussbericht vor.
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