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Bauteiloptimierung durch Schmieden von verbundstranggepressten Aluminiumhalbzeugen

Status abgeschlossen
Ziele

1. Steigerung des Leichtbaupotenzial von Aluminiumlegierungen durch den Einsatz gewichts-, eigenschafts- und funktionsangepasster Bauteile, welche aus Aluminium- bzw. Aluminium-Stahl-Verbunden hergestellt werden.
Anhand der Prozesskette Strangpressen und Schmieden soll die Herstellung und Weiterverarbeitung von selektiv verstärkten Werkstoffverbundbauteilen, in denen die Verstärkung in nicht durchmischter Form kontinuierlich bzw. diskontinuierlich vorliegt untersucht werden. Dabei soll das Verbundstrangpressen und das Ko- Extrudieren zur Herstellung partiell- und endlosverstärkter Verbundhalbzeuge Einsatz finden und als weiterverarbeitender Prozessschritt das Schmieden der Werkstoffverbund- Halbzeuge untersucht werden. Der Schwerpunkt der Untersuchungen liegt auf der Gestaltung des Werkstoffflusses unterschiedlicher, zum Teil asymmetrischer Geometrien, optimierten Verbundeigenschaften und hohem Leichtbaugrad durch hohe Festigkeit bei geringer Dichte.

2. Grundlagenuntersuchungen des partiellen (lokalen) Verbundstrangpressens anhand einfacher Bauteilgeometrien

Ziel ist die grundlegende Untersuchung partieller Verstärkungen beim Verbundstrangpressen anhand einfacher Bauteilgeometrien. Ausgehend von rotationssymmetrischen Profilen werden zunächst die Positionierung der einzelnen Elemente sowohl innerhalb des Querschnittes als auch in Bezug auf die gepresste Länge grundlegend analysiert. Des Weiteren erfolgt die Entwicklung verschiedener Strangpresswerkzeugkonzepte zur Untersuchung des Einflusses des Verstärkungsgehaltes sowie des Pressnahteinflusses. Neben den Werkzeugkonzepten wird die Vorpositionierung der Verstärkungselemente im Ausgangsblock analysiert und optimiert. Die Positionierung der Elemente hängt sowohl von der Geometrie der eingesetzten Elemente als auch von der eigentlichen Profilgeometrie ab, so dass diese Parameter im Laufe der Untersuchungen schrittweise variiert werden. Mittels metallographischer Untersuchungen erfolgt im Anschluss die Ermittlung der Einbettqualität der lokalen Verstärkungselemente in das Halbzeug.
   
3. Untersuchungen zum Werkstofffluss und Positionierung beim Strangpressen
Nach erfolgreichem Abschluss der Grundlagenuntersuchungen werden die Positioniergenauigkeit der Verstärkungselemente als auch die Vielfältigkeit der Positionierung erhöht. Mit der Positioniervielfältigkeit ist eine lokale gezielte außermittige Einbringung eines oder mehrerer kleiner Elemente im gleichen Profilbereich zu verstehen. Dazu ist neben der experimentellen Untersuchung  eine grundlegende Analyse des Werkstoffflusses mit Hilfe der FE-Simulation zwingend erforderlich.

Für standardisierte Querschnittsgeometrien soll eine Prozessmatrix aufgestellt werden, in der die relevanten Einflüsse der Prozessparameter wie beispielsweise Temperatur, Pressgeschwindigkeit und Werkzeuggestaltung auf die Lage der Verstärkungselemente festgehalten werden.

4. Auslegung einer optimierten Schmiedefolge
Eine Herausforderung bei der Weiterverarbeitung der Verbundprofile durch einen Schmiedeprozess ist die Optimierung des Werkstoffflusses in der Form, dass die Verstärkungselemente am Ende des Umformprozesses die gewünschte Position und Lage einnehmen und hierbei weiterhin fest in das umschließende Material integriert sind. Ein Ziel ist es, den Zusammenhang zwischen der ursprünglichen Lage der Verstärkungselemente in den Strangpressprofilen und der finalen Lage in den Schmiedeteilen zu untersuchen. Der Werkstofffluss im Schmiedeprozess muss so gestaltet werden, dass ein Gleichgewicht zwischen der Werkstoffbewegung in Richtung Stempelbewegung sowie senkrecht hierzu besteht, so dass eine Ablösung verhindert oder ein Wiederverschweißen des Materials ermöglicht wird. Um einen optimierten, auf die genannten Besonderheiten angepassten Schmiedeprozess auszulegen, werden geeignete Modellgeometrien entwickelt. Hieran schließt sich die Auslegung des Schmiedeprozesses sowie die Konstruktion des entsprechenden Schmiedewerkzeugs an. Die Optimierung von Prozess und Werkzeug erfolgt iterativ auf Basis von FE-Berechnungsergebnissen. Anhand der geschmiedeten Modellgeometrien werden unter Einstellung verschiedener Parametervariationen (z.B. Umformgeschwindigkeit, Umformtemperaturen, Umformgrad) Bauteile geschmiedet.
   
5. Untersuchungen der Gefügestruktur, Werkstofffluss, Eigenschaften des Übergangsbereiches
Um den Einfluss verschiedener Prozessbedingungen auf die Lage und die Position der Verstärkungselemente sowie auf die finalen Bauteileigenschaften zu bestimmen, werden mikrostrukturelle und mechanische Untersuchungen an den Bauteilen durchgeführt. Diese Untersuchungen beinhalten Zugversuche, Kerbschlagbiegeversuche sowie eine Beurteilung der Gefügestruktur, des Werkstoffflusses und insbesondere Untersuchungen im Übergangsbereich zwischen Basiswerkstoff und Verstärkungselementen. Anhand von Mikroschliffen, EDX-Analyse und REM-Untersuchungen sollen hierbei Aussagen über die Art der Verbindung zwischen den beiden Werkstoffen getroffen werden. Entscheidend ist die Frage, ob und inwiefern sich die Verbindung im Vergleich zu der nach dem Strangpressprozess verändert. Denkbar ist sowohl eine auf einen nicht optimalen Werkstofffluss zurückzuführende Verschlechterung des Materialzusammenhaltes als auch eine durch die zusätzliche thermomechanische Behandlung verursachte Verbesserung. Das Ziel ist eine grundsätzliche Bewertung des Verfahrens Schmieden als Weiterverarbeitungsmöglichkeit für verbundverstärkte Strangpresshalbzeuge.
   
6. Strangpressen und Schmieden eines Bauteils mit definierter Lage der Verstärkungselemente
Nach Abschluss der Untersuchungen zum Werkstofffluss und Positionierung beim Strangpressen werden Bauteile mit definierter und auf das nachfolgende Schmieden abgestimmter VE (Verstärkungselement)-Lage hergestellt. Mithilfe von Versuchspressungen und unter Zuhilfenahme analytischer und numerischer Betrachtungen sollen die Presswerkzeuge nachgearbeitet werden, bis der Werkstofffluss optimiert wird und die realen Positionen der Verstärkungselemente den Soll-Positionen entsprechen. Im Anschluss werden reale Schmiedeteile aus den verbundverstärkten Strangpressprofilen hergestellt, die eine durch die Verbundpartner erhöhte mechanische Bauteilfestigkeit und eine optimierte Massenverteilung aufweisen. Bei der Auslegung des Schmiedeprozesses und der Werkzeugkonstruktion erfolgt zunächst numerisch und anschließend experimentell eine Optimierung hinsichtlich des Werkstoffflusses, der Temperaturführung, Umformgeschwindigkeit, Stranglage nach dem Schmieden sowie Verbindung der Verstärkungselemente mit dem Grundmaterial.


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