High-End Halbzeuge

  Gebogenes Schmiedebauteil IBF

Beispiele für High-End Halbzeuge sind Bleche mit gewichtsoptimierter Dickenverteilung, endabmessungsnah gefertigte Umformprodukte, Halbzeuge aus einer Kombination verschiedener Metalle sowie aus Hochleistungswerkstoffen.
Sie können für Leichtbau, Kostenreduktion und Funktionsintegration eingesetzt werden.

Die in diesem Querschnittsbereich verankerten Forschungsthemen sind unterschiedlichen Arbeitsgruppen zugeordnet und werden im Folgenden dargestellt.

 
 

Flexibles Walzen

Walzgerüst für das flexible Walzen

Der Prozess des flexiblen Walzens ermöglicht die Herstellung von Metallbändern mit variabler Dicke in Längsrichtung. Mit Hilfe solcher Halbzeuge lassen sich Bauteile mit an die Lastsituation angepasster Wandstärke herstellen. Im Vergleich zu konventionellen Bauteilen können somit Gewicht und Ressourcen eingespart werden. Während des Walzprozesses wird dabei der Walzspalt entlang berechneter Verfahrwege angestellt, die im gewünschten Dickenprofil resultieren. Ausgehend von grundlegenden Arbeiten zum Entwurf einer geeigneten Prozesssteuerung ist das flexible Walzen mittlerweile bei der Firma Mubea in der großtechnischen Anwendung. Eine breite Vielfalt von Dickenprofilen und Werkstoffen wird dort für verschiedenste Anwendungen etwa im Automobilbereich produziert.

Für weitere Informationen wenden Sie sich bitte an Markus Grüber.


Bild: Walzgerüst für das flexible Walzen, Bildrechte: IBF
 

Bandprofilwalzen

Anlage zum Bandprofilwalzen und hergestelltes Band

Das Bandprofilwalzen stellt einen modifizierten Walzprozess dar, mit dem sich eine Dickenverteilung in Querrichtung in das Material einbringen lässt. Solche Halbzeuge bieten die Möglichkeit zur Gewichtseinsparung und zur Erhöhung der Materialausbringung. Um eine variierende Banddicke quer zur Walzrichtung zu erzeugen, ist der Einsatz schmaler Walzen notwendig. Schmale Walzen führen den Materialfluss anders als beim klassischen Flachwalzen in Breitenrichtung und verhindern damit eine Wellenbildung trotz einer über die Bandbreite inhomogenen Höhenabnahme. Ein breiterer Bereich mit reduzierter Dicke lässt sich durch einen mehrstufigen Prozess erzielen. Neben der Untersuchung von Prozessgrenzen ist die Kombination von Bandprofilwalzen und flexiblem Walzen untersucht worden. Durch diese Kombination lassen sich Halbzeuge mit variierender Dicke in Längs- und Querrichtung herstellen.

Für weitere Informationen wenden Sie sich bitte an Stefan Senge.


Bild: Anlage zum Bandprofilwalzen und hergestelltes Band, Bildrechte: IBF
 

Profilgießen – Belastungsangepasste Halbzeuge aus dem Bandgießprozess

Schematische Darstellung des Profilgießens

Belastungsangepasste Bauteile sind beim Leichtbau nicht mehr hinfort zu denken. Deren Herstellung jedoch ist weiterhin aufwändig und nicht trivial. Ganz im Sinne der Prozessverkürzung, lässt sich mittels des Profilgießens Warmband mit belastungsangepasstem Querschnitt direkt aus der Schmelze herstellen. Mithilfe des Einsatzes profilierter Gießrollen beim Bandgießen und einem abgestimmt profilierten Warmwalzstich, welcher die Prozesshitze ausnutzt, kann Warmband mit fließenden Übergängen mit einer Steigung bis zu 45 ° und Dickenunterschieden bis zu 60 % energieeffizient hergestellt werden. Dieses eignet sich hervorragend als Halbzeug für verschiedenste Bauteile mit belastungsangepasstem Querschnitt.

Für weitere Informationen wenden Sie sich bitte an Dennis Münster.


Bild: Schematische Darstellung des Profilgießens, Bildrechte: IBF
 

Hochpräzisionswalzen

Spaltband läuft in ein Quarto-Walzgerüst

In Zusammenarbeit mit dem Institut für Regelungstechnik der RWTH Aachen University werden in einem von der Deutschen Forschungsgemeinschaft geförderten Projekt Ansätze untersucht, um die Banddickentoleranzen kaltgewalzter, metallischer Bänder weiter zu verbessern. Im Besonderen bei immer schnelleren Walzwerken reicht die Dynamik elektromechanischer oder hydraulischer Walzenanstellaktorik nicht mehr aus, um auf hochfrequente Unregelmäßigkeiten im Band reagieren zu können. Im Vergleich zu elektromechanischen oder hydraulischen Aktuatoren weisen piezoelektrische Aktuatoren eine deutlich bessere Dynamik auf. Um die Eignung dieser Aktuatoren für eine hochdynamische Walzspaltanpassung zu untersuchen, sind piezoelektrische Stapelaktuatoren in ein Versuchswalzwerk des IBF integriert worden. Diese piezoelektrischen Aktuatoren werden, unter Zuhilfenahme schneller Walzmodelle, in ein modellprädiktives Regelungssystem eingebunden, um eine optimale, hochdynamische Aktuatortrajektorie zu finden.

Für weitere Informationen wenden Sie sich bitte an Sven Stockert.


Bild: Spaltband läuft in ein Quarto-Walzgerüst, Bildrechte: IBF
 

Profilringwalzen

Axialwalzspalt während des Axialprofilierprozesses

Das Profilieren von ringgewalzten Bauteilen ist ein wichtiger Beitrag zur endkonturnahen Bauteilherstellung mit Hilfe dessen zum einen Zeit in der spanenden Bearbeitung und zum anderen Material eingespart werden kann. Grundsätzlich lassen sich Ringe je nach späterem Anwendungsgebiet auf allen vier Seiten des Querschnitts axial und radial profilieren. Abhängig von der gewählten Art der Profilierung und der Geometrie des Ringes ergeben sich unterschiedliche Schwierigkeiten im Prozess wie zum Beispiel das Erreichen der gewünschten Profilfüllung oder Konizitäten im Querschnitt.
Am Institut für Bildsame Formgebung werden sowohl numerisch als auch experimentell Strategien entwickelt und erprobt, die einen stabilen Prozess zur Erreichung der gewünschten Endgeomtrie ermöglichen. Hierfür werden sowohl das Werkzeug- und Vorformdesign betrachtet wie auch Anpassungen an der Prozessstrategie selbst durchgeführt.

Für weitere Informationen wenden Sie sich bitte an Gideon Schwich.


Bild: Axialwalzspalt während des Axialprofilierprozesses, Bildrechte: IBF
  Ringwalzen eines profilierten Querschnitts
 
 

Erweiterung des Formenspektrums im Freiformschmieden

Biegeschmieden durch Überlagerung von Pressen- und Manipulatorbewegung

Das Freiformschmieden ist ein inkrementelles Massivumformverfahren, welches in erster Linie zur Herstellung langer und gerader Bauteile mit einer simplen Querschnittsgeometrie, wie rund oder quadratisch, genutzt wird. Die Herstellung komplexer Bauteile durch Freiformschmieden erfordert zusätzliche Verfahrensschritte oder kann nur durch einen großen Aufwand an zerspanender Fertigung realisiert werden. Ein neuer Verfahrensansatz ermöglicht die Fertigung komplexer Geometrien durch überlagerte Manipulatorbewegungen während des Schmiedehubs. Durch den plastischen Spannungszustand reichen bereits geringe Kräfte aus, um den Materialfluss hin zur beabsichtigten Zielgeometrie lenken zu können. So wurde dieses Verfahren erfolgreich zur Herstellung gekrümmter sowie tordierter Bauteile aus Stahl und Aluminium realisiert. Dieser Verfahrensansatz ermöglicht unter Nutzung vorhandener Anlagentechnik eine erhebliche Erweiterung des Geometriespektrums im Freiformschmieden.

Für weitere Informationen wenden Sie sich bitte an Martin Wolfgarten.


Bild: Biegeschmieden durch Überlagerung von Pressen- und Manipulatorbewegung, Bildrechte: IBF
  Biegereckschmieden
 

Technologie des Walzplattierens

Plattierpaket im Walzspalt

Walzplattieren ist ein Fügeprozess, bei dem zwischen mehreren metallischen Fügepartnern durch Walzen und eventueller Erhöhung der Temperatur eine dauerhaft stoffschlüssige Verbindung erzeugt wird.
Es können anwendungsgerechte Kombinationen verschiedener Eigenschaften wirtschaftlich und reproduzierbar erzeugt werden.
In einem eigens entwickelten Grundversuch wird die Verbindungsfestigkeit der Plattierpartner unter verschiedenen Lastzuständen charakterisiert. Die Daten werden in eine Subroutine überführt, auf deren Grundlage numerische Simulationen zur Entwicklung der Verbindungsfestigkeit während des Walzens durchgeführt werden. Aufbauend auf den Ergebnissen werden Plattierversuche auf den zur Verfügung stehenden Walzwerken durchgeführt.
Ziele sind die Optimierung bestehender Prozessrouten und die Entwicklung sicherer Prozessfenster für neue Materialkombinationen. Die aktuelle Forschung umfasst Warm- und Kaltwalzplattieren in unterschiedlichen Abmessungsbereichen und Materialkombinationen.

Für weitere Informationen wenden Sie sich bitte an Paul Simon.


Bild: Plattierpaket im Walzspalt, Bildrechte: IBF
 
 

Gießplattieren – Verbundwerkstoffe aus dem Bandgießprozess

Plattiertes Rohrsegment aus dem Gießplattierprozess

Plattierte Werkstoffe finden Einsatz in vielen Anwendungsbereichen. Sie erlauben kostengünstig maßgeschneiderte Eigenschaftskombinationen. Aufgrund ihrer großen Verbreitung existieren verschiedene Herstellungsprozesse, jeweils mit ihren eigenen Limitierungen. Das Gießplattieren bildet eine alternative Herstellungsroute, welche die kurze Prozessroute des Zwei-Rollen Bandgießens ausnutzt, um diese Limitierungen zu adressieren. Auf der Anlage des Instituts für Bildsame Formgebung wird ein vorgefertigtes Plattierband in den Gießspalt geführt, wo es sich unter Ausnutzung der Prozesshitze mit dem Gussband verbindet. So ließen sich für verschiedene Stahlkombinationen Bänder mit Dickenverhältnissen von 6:1 bis 10:1 zwischen Guss- und Plattierband herstellen. Die hergestellten Bänder wurde untersucht, um den unterliegenden Verbindungsmechanismus zu beschreiben und zu verstehen. Als nächster Schritt ist die Erforschung der Kombinierbarkeit von Nichteisen-Metallen mit Stahl angestrebt.

Für weitere Informationen wenden Sie sich bitte an Dennis Münster.


Bild: Plattiertes Rohrsegment aus dem Gießplattierprozess, Bildrechte: IBF
  Gießplattieren
 

Formschlüssiges Walzen

Formschlüssiger Verbund aus Aluminium und Stahl

Neue Materialien und Methoden versprechen vielfältige Möglichkeiten, den Gewichtsanteil der Karosserie weiter zu senken. Einer dieser Ansätze ist die Nutzung hybrider Bauteile mit einer Kombination von verschiedenen Werkstoffen. Im Fokus stehen Bauteile, bei denen eine Verbindung aus Stahlblech und Aluminium angestrebt wird. Durch eine entsprechende Oberflächenstruktur soll eine Verklammerung der einzelnen Komponenten und somit eine hohe Verbundfestigkeit erreicht werden.
Aktuell werden verschiedene Verfahren untersucht, um Bleche entsprechend zu strukturieren. Es ist möglich, Kanalstrukturen in verschiedenen Abmessungen herzustellen. Anschließend können umformtechnisch Hinterschneidungen eingebracht werden. In Abhängigkeit vom eingesetzten Verfahren, der Geometrie der Kanalstruktur und dem Werkstoff können hier unterschiedlich große Hinterschneidungen hergestellt werden. Die zweite Komponente zur Verbundherstellung kann entweder umformtechnisch oder gießtechnisch appliziert werden.

Für weitere Informationen wenden Sie sich bitte an Stefan Senge.


Bild: Formschlüssiger Verbund aus Aluminium und Stahl, Bildrechte: IBF
 

Bandgießen hochmanganhaltiger Stähle

Coil eines bandgegossenen Hochmanganstahls

Im Rahmen des Sonderforschungsbereichs 761 „Stahl – ab initio“ wird die gesamte Prozesskette, bestehend aus Bandgießen sowie Warm- und Kaltwalzen, zur Herstellung Mn-legierter Stähle untersucht. Diese hochlegierten Werkstoffkonzepte bedingen eine umfassende Anpassung des Bandgießprozesses hinsichtlich der Inertisierungsmedien, Feuerfestmaterialien und Gießparameter sowie der Kalt- und Warmwalzstrategien. Weiterhin werden die Möglichkeiten zur gezielten Beeinflussung der Werkstoffeigenschaften der erzeugten Bänder durch Variation der Gieß- und Walzparameter untersucht. So soll die herausragende Kaltverfestigung der hochmanganhaltigen Stähle ausgenutzt werden, um mittels „strain hardening engineering“ maßgeschneiderte Halbzeuge in einer drastisch verkürzten Prozesskette herzustellen.

Für weitere Informationen wenden Sie sich bitte an Marco Haupt.


Bild: Coil eines bandgegossenen Hochmanganstahls, Bildrechte: IBF
 
Bandgießen eines hochmanganhaltigen Stahls
Bandgießen eines hochmanganhaltigen Stahls