Energietechnik

  Texturentwicklung beim Walzen von Elektroblech IBF

In Hinblick auf Ressourcenschonung ist die Energietechnik ein bedeutender Forschungsbereich. Dabei spielen auch umformtechnisch hergestellte Produkte eine entscheidende Rolle. So haben die Herstellung der Elektrobleche und der Spulenwicklungen für Elektromotoren einen großen Einfluss auf deren Effizienz. Aber auch im Bereich der Turbomaschinen und Windkraftanlagen tragen große metallische Bauteile maßgeblich zur Funktion und Effizienz bei.

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

 
 

Kaltwalzstrategien zur Herstellung magnetisch optimierter Elektrobleche für energieeffiziente Antriebe

Multiskalen-Modell zur Berechnung der Texturentwicklung beim Kaltwalzen

Eine Möglichkeit zur Steigerung der Effizienz elektrischer Antriebe bietet die Optimierung der magnetischen Eigenschaften des im Magnetkern eingesetzten Elektrobandes. Um den Einfluss von Prozessparametern auf diese Eigenschaften zu quantifizieren und die wissenschaftlich-theoretischen Grundlagen für die Entwicklung verlustarmer Elektrobleche zu schaffen, wird in einer interdisziplinären DFG Forschergruppe, FOR 1897, an einer durchgängigen Prozesskettenmodellierung geforscht. Das IBF beschäftigt sich mit der Untersuchung und Modellierung des Kaltwalzprozesses. Bei der Modellierung handelt es sich um ein Multiskalen-Modell, das ein makroskopisches Finite-Elemente-Modell, kurz FEM, und ein mikroskopisches Kristallplastizität-FE Model enthält. Dadurch lässt sich der Einfluss der Walzstrategien und Vormaterialzustände auf die lokale Texturentwicklung im Walzgut ermitteln. Eine Verknüpfung der Teilmodelle ermöglicht die modellgestützte Prozessauslegung für verlustarme Elektrobleche.

Für weitere Informationen wenden Sie sich bitte an Xuefei Wei.


Bild: Multiskalen-Modell zur Berechnung der Texturentwicklung beim Kaltwalzen, Bildrechte: IBF, IMM
 

Umformtechnisch hergestellte Formspule

CAD-Konstruktion der Formspule

Der elektrische Radnabenmotor ist eine vielversprechende Technik bei der Entwicklung der urbanen Mobilität der Zukunft. Formspulen aus Rechteckdraht bieten durch ihre Kontur das Potential, die Leistungsdichte des Elektromotors im Vergleich zu herkömmlich gewickelten Spulen aus Runddraht zu erhöhen, da sie den zur Verfügung stehenden Bauraum besser ausnutzen. Am Institut für Bildsame Formgebung, kurz IBF, wird in einem bundesgeförderten Projekt die umformtechnische Herstellung solcher Formspulen erforscht. Dazu wurden verschiedene Herstellungskonzepte entwickelt, deren Vor- und Nachteile praktisch untersucht werden. Das Hauptziel des Projekts ist eine gute Effizienz der Herstellungskette, da wegen der angestrebten hohen Stückzahlen der Formspulen nur bei geringen Herstellungskosten ein wirtschaftlicher Nutzen entsteht.

Für weitere Informationen wenden Sie sich bitte an Daniel Petrell.


Bild: CAD-Konstruktion der Formspule, Bildrechte: IBF
 

Simulation der Prozesskette einer Turbinenscheibe

Prozesskette zur Herstellung der Turbinenscheibe und Position im Triebwerk

Die Herstellung von Turbinenscheiben für die Luft- und Raumfahrt ist durch besonders strenge Sicherheitsauflagen gekennzeichnet. Hierzu gehört insbesondere das Einhalten enger Richtlinien bezüglich der Mikrostruktur. Bei der Auslegung der Prozesskette muss daher die Mikrostrukturentwicklung berücksichtigt werden. Dazu wurde eine Online-Kopplung zwischen StrucSim, einem Programm zur Berechnung der Mikrostruktur, und der kommerziellen Finite-Elemente, kurz FE, Software Simufact entwickelt. Dies bedeutet, dass StrucSim während der FE Simulation aufgerufen wird und die Ergebnisse beeinflusst. Anschließend wurde die Prozesskette vollständig in der FE Software abgebildet und mit der Online-Kopplung gerechnet. Durch die Kopplung konnte die Mikrostrukturentwicklung über das gesamte Bauteil während der ganzen Prozesskette nachvollzogen werden. In Zukunft kann diese Technik genutzt werden, um diese oder andere Prozessketten hinsichtlich Produktivität oder Reproduzierbarkeit zu optimieren.

Für weitere Informationen wenden Sie sich bitte an Alexander Krämer.


Bild: Prozesskette zur Herstellung der Turbinenscheibe und Position im Triebwerk, Bildrechte: Leistritz, SMS, 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
 
 

Freiformschmieden von Hohlwellen

Freiformschmieden einer innenkonturierten Hohlwelle am IBF

Im Zuge der steigenden Bedeutung erneuerbarer Energien ist der Anteil der Energieerzeugung durch Windkraft in den vergangenen Jahren stark angestiegen. Die Effizienzsteigerung der Anlagen ist dabei insbesondere durch eine steigende Anlagengröße realisiert worden. Dabei erfordert die Leistung der Anlagen von bis zu 6 MW die Nutzung größerer Generatoren, welche die Umwandlung in elektrische Energie vornehmen. Dies führt zu steigendem Gewicht des Maschinenhauses und so zu deutlich massiveren Gesamtkonstruktionen. Ein Ansatzpunkt zur Realisierung von Leichtbau besteht darin, die üblicherweise gegossene durch eine geschmiedete Hohlwelle mit deutlich besseren mechanischen Eigenschaften zu ersetzen. Gegenüber einer gegossenen Hohlwelle kann durch das Freiformschmieden eine Gewichtsreduktion von 50-60% realisiert werden. Hierzu hat das IBF ein Schmiedeverfahren entwickelt, welches unter Berücksichtigung einer optimierten Mikrostruktur das Freiformschmieden innen und außen abgesetzter Hohlwellen ermöglicht.

Für weitere Informationen wenden Sie sich bitte an Martin Wolfgarten.


Bild: Freiformschmieden einer innenkonturierten Hohlwelle am IBF, Bildrechte: IBF
 
Schmieden einer Hohlwelle
Schmieden einer Hohlwelle
 
 

FE-Simulation mehrstufiger Biegeprozesse

Biegezentrum eines Stanzbiegeautomaten

Die Stanzbiegetechnologie wird genutzt, um komplexe Biegeteile, beispielsweise für die Elektrotechnik, herzustellen. Die Auslegung von Stanzbiegeprozessen erfolgt meist erfahrungsbasiert und wird durch experimentelle Referenzversuche begleitet. Ziel des Kooperationsprojekts mit der Phoenix Feinbau GmbH & Co. KG ist die Erstellung von FE-Modellen zur Beschreibung der Fertigung von Stanzbiegeteilen mit federnden Eigenschaften. Einen Schwerpunkt stellt dabei die Aufbereitung der Materialdaten von hochfesten Federstählen mittels inverser Modellierung unter Biegelast dar. Weiter werden experimentelle Untersuchungen zur korrekten Beschreibung der FE-Randbedingungen durchgeführt. Die erarbeiteten und validierten FE-Modelle werden anschließend genutzt, um unterschiedliche Einflussfaktoren im Stanzbiegeprozess auf das Biegeergebnis zu untersuchen und zu bewerten.

Für weitere Informationen wenden Sie sich bitte an Chris Mertin.


Bild: Biegezentrum eines Stanzbiegeautomaten, Bildrechte: Phoenix Feinbau GmbH & Co. KG
 
Rückfederungssimulation beim mehrstufigen Biegen
Rückfederungssimulation beim mehrstufigen Biegen