Kernkompetenzen des Lehrstuhls

Entwicklung und Untersuchung von Formstoffen

Motivation

Getrieben durch strengere gesetzliche Vorgaben und dem Wunsch nach einer gesundheitlich unbedenklichen und umweltverträglichen Produktion, werden immer öfter anorganisch gebundene Kerne in Leichtmetallgießereien eingesetzt. Im Gegensatz zu organisch gebundenen Kernen entstehen während des Abgusses so deutlich weniger schädliche Emissionen. Jedoch entstehen auch neue technische Herausforderungen. Ein Nachteil von anorganisch gebundenem Formstoff ist, dass der Entkernprozess deutlich aufwändiger und belastender für das Bauteil ist. Des Weiteren unterscheiden sich die Gasentstehung und die Ursachen für Heißverformung beim Abguss stark von etablierten Modellen.

Aus aktuellen Projekten:

  • Einflussanalyse von Kernschießparametern auf Kerneigenschaften
  • Mikrostruktursimulation von anorganisch gebundenen Formstoffen
  • Entwicklung eines Bruchmodells für Entkernsimulationen

Zielsetzung
Vorhersage von Formstoff- und Prozesseigenschaften auf Basis von physikalischen und statistischen Modellen.

Kompetenzen des Lehrstuhls

>> Charakterisierung von Formstoffen (Siehe auch "Materialcharakterisierung im Gießereiwesen")

  • Bruchspannung
  • Bruchdehnung
  • Gasdurchlässigkeit
  • Gussfehler

>> Kernschießversuche und Einflussanalysen mit verschiedenen Bindern und Sanden

>> Formstoffqualifizierung bezüglich Heißverformung

Bildergalerie

Gußmodell
Kernschießeanlage

Freiformbiegen

Für die Kernkompetenz Freiformbiegen steht dem Lehrstuhl eine Anlage der Firma Neu GmbH zur Verfügung. Durch den Einsatz von bis zu 6 CNC-Achsen ist ein vereinfachtes Biegen von assymetrischen Profilen oder dünnwandigen Rundrohren (auch mit Dorn) zu Konturen möglich, die bisher nur sehr aufwändig hergestellt werden konnten. Das Materialgefüge im Biegebereich bleibt erhalten, was eine hohe Umformfähigkeit gewährleistet.

Mit dem Freiformbiegen mit bewegter Matrize erweitert der Lehrstuhl das Forschungsportfolio um eine neue Produktionsmöglichkeit. Der Schwerpunkt der Forschung liegt dabei auf der Fertigung von komplexen Profilbauteilen und auf der Weiterentwicklung der in-line Prozessregelung beim Biegen.

Forschunginhalte sind:

>> Freiformbiegen von Profilen und Rohren

>> Konkrete Werkzeugstandards

>> Untersuchung der Materialeigenschaften und deren Veränderungen durch den Biegeprozess

>> Erweiterte Prozessregelung hinsichtlich der Werkstoffeigenschaften

 

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Freiformbiegeteam vor der Freiformbiegeanlage des Lehrstuhls © Tobias Hase
Freiformbiegeanlage mit gebogenem Rundprofil © Tobias Hase
Freiformbiegeanlage © Tobias Hase

Materialcharakterisierung im Gießereiwesen

Für die Forschung im Bereich des Gießereiwesens ist die Charakterisierung der verwendeten Gussmaterialen und Formstoffe ein wichtiger Bestandteil. Dabei werden vor allem zwei Ansätze verfolgt:

Fertigungsprozessoptimierung

  • Energetische Optimierung der Wärmebehandlung in Abhängigkeit der eingesetzten Legierung
  • Simulations- und versuchsgestützte Ermittlung von Prozessfenstern

Material Design

  • Einstellung von Gefügestruktur über Wärmebehandlungsprozesse
  • Mikrostrukturausbildung, Modellbildung und Simulation

Motivation
Technische Problemstellungen in der Produktion erreichen heute mit ihren Anforderungen aufgrund ihrer Komplexität und immer engeren Prozessfenstern die Grenzen von erfahrungsbasierte Herangehensweisen. Tieferes Verständnis darüber, welche Vorgänge im Werkstoff entlang der gesamten Wertschöpfungskette ablaufen, ist notwendig um den aktuellen Herausforderungen begegnen zu können. Dazu zählen beispielsweise die zunehmende Integration von Sensorik in die Gussbauteile und das Erschließen neuer Anwendungsfelder durch entsprechende Modifikation der Legierungszusammensetzung.

Aus aktuellen Projekten:

  • Energetische Optimierung der Wärmebehandlung von Gusseisen
  • Gefügestrukturanpassung zum Einsatz von GJS bei hydraulischen Komponenten
  • Sensorintegration in gegossene Bauteile während des Urformens
  • Mikrostruktursimulation

Zielsetzung
Quantifizierung von Umwandlungsvorgängen im Material und Berücksichtigung bei der Prozessführung.

Kompetenzen des Lehrstuhls

>> Eigenspannungsanalyse

  • Bohrlochmethode
  • Freischneiden
  • Bauteilintegrierte Sensorik (FBG)
  • Nanoindentation

>> Elektrische Messtechnik

  • DMS Messung
  • Temperaturmessung

>> optische Messtechnik

>> Metallographie und Bruchflächencharakterisierung

  • LOM
  • REM mit EDX
  • Präparations- und Ätzmethoden

>> Charakterisierung von Formstoffen

  • Bruchspannung
  • Bruchdehnung
  • Gasdurchlässigkeit
  • Gussfehler

In Zusammenarbeit mit Kooperationspartnern:

>> Diffraktionsmethoden (FRM II)

  • Neutronendiffraktometrie
  • Röntgendiffraktometrie

>> Atomsondentomographie (KIT)

>> Synchroton (ESRF)

Untersuchte Themenbereiche

  • Quantitative in-situ Phasenanalyse
  • Formstoffanalyse
  • Bimetall-Verbundcharakterisierung
Bohrlochmethode zur Bestimmung von Eigenspannungen
Nanoindentierung
 

Materialcharakterisierung von Blechwerkstoffen

Philosophie am utg

Exzellente
Versuchstechnik

Kundenangepasste
Auswertemethodik

Kontinuierliche
Validierung

 

Versuchstechnik

>> Uniaxialer Zugversuch gemäß DIN EN ISO 6892

  • Taktile oder optische Längen- und Breitenmessung
  • Verschiedene Dehnraten realisierbar
  • Temperierung im Bereich -60 °C … 900 °C möglich

>> Hydraulischer Tiefungsversuch (Bulge-Versuch) gemäß DIN EN ISO 16808

  • Optische Dehnungsermittlung
  • Unterschiedliche Tiefungsgeschwindigkeiten realisierbar

>> Weitere Zugversuche unter verschiedenen Belastungsarten

  • Zugversuch unter annähernd ebenem Dehnungszustand
  • Zugversuch unter Scherung

>> Bestimmung der Grenzformänderung gemäß DIN EN ISO 12004-2

  • Nakajima-Verfahren o Marciniak-Verfahren
  • Herstellung definierter Vordehnungen (homogener, planarer Bereich: ømin = 80 mm)

>> Definierte Nachdehnung vorgedehnter Proben zur Erstellung nicht-proportionaler Lastpfade

>> Darstellung nahezu beliebiger nicht-proportionaler Lastpfade in einem modifizierten Kreuzzugversuch

Auswertemethodik

Ermittlung benötigter Kennwerte zur Kalibrierung von Modellen zur numerischen Beschreibung von Materialverhalten von Blechwerkstoffen:

>> Modellierung von elastischem Materialverhalten

>> Modellierung von elasto-plastischem Materialverhalten

  • Verschiedene Fließort-Modelle
  • Verfestigungsverhalten der Materialien

>> Bestimmung relevanter Prozessgrenzen in der Umformtechnik

  • Ermittlung von Grenzformänderungen für nahezu lineare Dehnpfade gemäß DIN EN ISO 12004-2
  • Kalibrierung des General Forming Limit Concepts (GFLC) zur Bewertung nicht-proportionaler Lastpfade

Validierung

>> Durchführung spezieller Versuche mit komplexen Dehnzuständen, die geringem Reibeinfluss unterliegen mit quasi-kontinuierlicher optischer Dehnungsmessung

>> Simulative Abbildung der Versuche unter Verwendung bestehender Materialmodelle

>> Bewertung der Simulation und Validierung der verwendeten Materialbeschreibungen

 

Bildergalerie

Zugversuch mit Längen- und Breitendehnungsaufnehmer
Scherzugversuch mit optischer Dehnungsmesung GOM Aramis SRX
Blechumformprüfmaschine mit Nakajimaprobe

Scherschneiden

Neben der allgemeinen Forschungsarbeit im Bereich der Umformtechnik hat sich der Lehrstuhl schon seit vielen Jahren auf das Themenfeld Scherschneiden spezialisiert und kann dabei auf einen großen Erfahrungsschatz zurückgreifen. 

Mit der am Lehrstuhl verfügbaren Versuchstechnik und dem aufgebauten Know-How sind folgende Vorgänge möglich:

  • Herstellung schergeschnittener Proben verschiedenster Geometrien mit Blechstärken von 0,1 bis 10 mm unter Variation von Prozessparametern wie Schneidspalt oder Schneidkantengeometrie
  • Verschiedenste Verfahrensvarianten wie Feinschneiden oder Nachschneiden realisierbar
  • Bearbeitung von Elektroblech, Stahl-, Aluminium-, Kupfer-, Bronze-, Hybrid- und Kunststoffblechen
  • Verschleißuntersuchungen unter Variation der Beölung, des Blechwerkstoffs, der Werkzeugsteifigkeit, des Thermostroms, des Aktivelementwerkstoff und der Beschichtung
  • Herstellung von Proben zur Identifikation der Schwingfestigkeit schergeschnittener Kanten
  • Untersuchung von Präge-, Durchsetz- und Biegeoperationen unter anderem auch in Kombination mit Scherschneidoperationen.
  • Experimentelle Ermittlung der Kantenrisssensitivität schergeschnittener Proben

Etablierte Auswertemethodiken am Lehrstuhl:
Ermittlung benötigter Kennwerte zur Beurteilung der Schnittflächenausprägung, des Verschleißverhaltens und dem Verhalten von schergeschnittenen Kanten in Folgeoperationen bzw. im Anwendungsfall:

  • Quantifizierung des Aktivelementverschleißes, der Adhäsion und der Flitterentstehung
  • Messung von Prozesskräften
  • Messung von Schnittflächenkenngrößen
  • Makro- und Mikrohärteprüfung
  • Identifikation von Kenngrößen zur Betrachtung des Kantenrissverhaltens in der Simulation
  • Identifikation der elektromagnetischen Eigenschaften schergeschnittener Elektrobleche


Bildergalerie

Scherschneidwerkzeug
Entwicklung von Scherschneidwerkzeugen
Eingebautes Werkzeug in Bruderer Presse

Strang- und Verbundguss

Der Strang- und Verbundguss ist einer der Forschungsschwerpunkte des Lehrstuhls. Diese Verfahren beiten große Verbesserungspotentiale für die Produktion im Gießereibereich. Demnach ist eine wissenschaftliche Durchdringung des Themas von großem Interesse.

Folgende Potentiale sind als Motivation für die Forschung am Lehrstuhl zu nennen:

>> Belastungsangepasste, leichtbauorientierte Werkstoffkombination

  • Hybride Strukturen
  • Komplexe Eigenschaftsprofile
  • Kostenoptimierter Werkstoffeinsatz

>> Prozesskettenverkürzung

  • Integration von Fügeoperationen in den Gießprozess
  • Entfallen von Prozesszwischenschritten, z.B. chemisches Säubern, Wärmebehandlung

>> Ressourceneffizienz

>> Nutzung der thermischen und latenten Energie zur Verbundgenerierung

  • Materialeffizienz
  • Zeitersparnis durch Prozesskettenverkürzung

>> Potential der stoffschlüssigen Verbundbildung hinsichtlich Belastbarkeit und Weiterverarbeitbarkeit

>> Gestaltung- und Änderungsflexibilität

Forschungsinhalte am Lehrstuhl:

>> Experimentelle und simulative Prozessuntersuchung

  • Stranggießen
  • Verbundgießen
  • Inkrementelles Gießen

>> Verbundbildungsanalyse

  • Aufschmelz- und Rekristallisationsmechanismen
  • Diffusionsvorgänge
  • Benetzungsverhalten
  • Mikroformschluss

 

Bildergalerie

Stranggussanlage
Stranggussversuch
Temperaturmessung beim Stranggussversuch
Darstellung des Ablaufs des Verbundgusses