Dissertationen
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2023
Verbesserung des tribologischen Einsatzverhalten beim Presshärten durch laserimplantierte Werkzeugoberflächen
Datum: 11.12.2023
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. habil. Marion Merklein, Prof. Dr.-Ing. M. Rethmeier
Das übergeordnete Ziel der Disseration ist die Verringerung von Reibung und Verschleiß im Presshärteprozess durch Einsatz maßgeschneiderter laserimplantierter Werkzeugoberflächen. Um diese Zielsetzung zu erreichen wurden zunächst grundlegende Anforderungsprofile definiert. Anhand von Reib-, Verschleiß- und Abkühlversuchen konnten anschließend Ursache-Wirkzusammenhänge identifiziert und maßgeschneiderte Oberflächenmodifikationen generiert werden. Die Wirksamkeit der Technologie wurde abschließend mittels Presshärteversuche unter Verwendung eines industrienahen Demonstrators verifiziert. Anhand des erarbeiteten Wissens ist die Möglichkeit gegeben, pressgehärtete Bauteile ressourceneffizient und beanspruchungsgerecht herzustellen, wodurch ein nachhaltiger ökonomischer und ökologischer Nutzen in Form höherer Bauteilqualitäten, niedriger Ausschussquoten und längeren Werkzeugstandzeiten geschaffen wird.
Dr. Stephan Schirdewahn
Erarbeitung eines Verständnisses zum Fließpressen von Verzahnungen für den Einsatz in der Paarung Metall-Kunststoff
Datum: 01.12.2023
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. habil. Marion Merklein, Prof. Dr.-Ing. Dipl.-Wirtsch.-Ing. P. Groche
Trockenlaufende Getriebe der Material-paarung Metall-Kunststoff kombinieren die spezifischen Vorteile beider Werkstoffe. In Abhängigkeit der Eigenschaften des metallischen Partners tritt allerdings hoher Verschleiß auf, weshalb bisher nur spanend hergestellte Stahlritzel eingestzt werden. Die Verzahnungsherstellung durch Fließpressen bietet jedoch Potential aufgrund kurzer Prozesszeiten, einer hohen Materialeffizienz sowie vorteilhafter mechanischer Eigenschaften.
Um das Einsatzpotential fließgepresster Zahnräder aus Leichtmetallen zu steigern und den Verschleiß zu reduzieren, wurde ein Verständnis zur betriebsangepassten Herstellung erarbeitet. Dies beinhaltet die Ermittlung von Einflussgrößen auf den Verschleiß sowie die Identifikation der Verschleißmechanismen. Zudem wurden Stellhebel auf die Prozess- und Bauteileigenschaften fließgepresster Zahnräder ermittelt. Abschließend wurden anwendungsgerechte Empfehlungen zur Herstellung betriebsangepasster, einsatzfertiger metallischer Zahnräder für die Materialpaarung Metall-Kunststoff durch Kaltfließpressen abgeleitet.
Grundlegende Untersuchungen zur umformtechnischen Herstellung von Halbhohlstanznieten aus hochverfestigenden Werkstoffen
Datum: 07.11.2023
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. habil. Marion Merklein, Prof. Dr.-Ing. H. C. Schmale
Für den Leichtbau sind mechanische Fügeverfahren wie das Halbhohlstanz-nieten essentiell. Die Nietherstellung ist aufgrund der Wärmebehandlung und Be-schichtung energie-, zeit- und kosten-intensiv. Durch den Einsatz hochverfesti-gender, rostfreier Nietwerkstoffe werden diese Prozessschritte obsolet. Das Pro-zesswissen für die Herstellung von Nieten aus derartigen Werkstoffen fehlte bislang.
Das Ziel war daher die Erarbeitung eines grundlegenden Prozessverständnisses für die umformtechnische Herstellung von Nieten aus hochverfestigenden Werk-stoffen. Hierfür wurden prozess- und werkstoffseitige Einflussfaktoren auf den Prozess und die Bauteileigenschaften mittels eines experimentell-numerischen Ansatzes identifiziert und analysiert. Hierauf aufbauend wurden Ursache-Wirkungs-Zusammenhänge und Prozess-grenzen abgeleitet. Die Niete weisen im Gegensatz zu konventionellen Nieten gradierte mechanische Eigenschaften auf, da die Wärmebehandlung entfällt. Somit wurde das Potential für die Herstellung von Nieten mit für das Fügen maß-geschneiderten Eigenschaften aufgezeigt.
Dr. Clara-Maria Kuball
Untersuchung zur Stoffflusssteuerung beim Fügen durch Umformen von hochfesten Alunminiumlegierungen mittels lokaler Kurzzeitwärmebehandlung
Datum: 02.11.2023
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. habil. Marion Merklein, Prof. Dr.-Ing. habil. V. Kräusel
Das Fügen durch Umformen von 7000er Aluminiumlegierungen stellt aufgrund ihrer hohen Festigkeit im ausgehärteten Zustand eine Herausforderung dar. Durch eine Wärmebehandlung können die mechanischen Eigenschaft der Werkstoffe gezielt eingestellt werden, wodurch die Umformbarkeit verbessert werden kann. Mittels lokal begrenzter Wärmebehandlungen kann zudem Einfluss auf den Stoffflus beim Umformen genommen werden. Im Rahmen der Arbeit wurde ein grundlegendes Prozessverständnis für die Steuerung des Stoffflusses beim mechanischen Fügen ausscheidungshärtbarer Aluminiumlegierungen durch lokales Rückbildungsglühen erarbeitet. Am Beispiel des Schneidclinchprozesses wurde aufgezeigt, dass durch die Applikation lokal begrenzter Wärmebehandlungen die Fügbarkeit von 7000er Aluminium verbessert werden kann. Durch die Steuerung des Stoffflusses wird dabei die Reduzierung der unerwünschten Verdrängung des Werkstoffs aus der Fügezone und die Erhöhung der Verbindungsfestigkeit erzielt.
Finite Elemente Simulation dünnster Verpackungsstähle: Entwicklung einer geeigneten Charakterisierungs- und Validierungsstrategie
Datum: 26.04.2023
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. habil. Marion Merklein, Prof. Dr.-Ing. habil. A. Brosius
Zur Reduzierung von CO2 Emissionen werden immer höherfestere Verpackungsstähle entwickelt, die den Einsatz dünner Blechdicken ermöglichen. Um den hierdurch wachsenden Herausforderungen an die Produkt- und Prozessauslegung gerecht zu werden, bieten numerische Simulationen großes Potential. Die grundlegende Abbildung des Materialverhaltens in der Simulation in Form von Fließkurven und Fließortmodellen war bisher für höherfeste Verpackungsstähle aufgrund hoher Nachwalzgrade und starken Alterungserscheinungen nur bedingt möglich. Im Rahmen dieser Arbeit erfolgte daher die Verfestigungsbeschreibung über die Optimierung des Zugversuchs, sowie die Verwendung hydraulischer Tiefungsversuche. Die Beschreibung des anisotropen plastischen Materialverhaltens war neben der Beschreibung des ersten Fließortquadranten vor allem auf die r-Wert Ermittlung durch inverse Modellierung fokussiert. Für die entwickelten Materialmodelle konnte in einer für Verpackungsstähle abgeleiteten Validierungsprozedur die verbesserte Güte im Vergleich zum Stand der Technik gezeigt werden.
Dr.-Ing. Fabian Knieps
Maßgeschneiderte Werkstoffcharakterisierung für die numerische Auslegung von Blechumformprozessen
Datum: 09.03.2023
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. habil. Marion Merklein, Prof. Dr.-Ing. G. Meschut
In zahlreichen Industriezweigen besteht ein Trend zur Reduktion des Gesamtgewichts des Erzeugnisses durch Leichtbauweise. Herausforderung in diesem Kontext ist das geringere Formänderungsvermögen dieser innovativen Materialien mit Leichtbaupotential. Gerade das Werkstoffverhalten bei ebener Dehnung ist von entscheidender Bedeutung, da hier das geringste Formänderungsvermögen gegeben ist. Das primäre Ziel liegt daher in der grundlagenorientierten Untersuchung des Werkstoffverhaltens bei ebener Dehnung sowie des Einflusses auf die Abbildungsgenauigkeit des initial modellierten Fließorts im Kontext der ebenen Dehnung. Dafür werden neue Prüf- und Auswertemethoden erarbeitet. Die so ermittelten Kennwerte werden anschließend für eine verbesserte Modellierung herangezogen. Validiert wird der Ansatz über Fehlerindikatoren anhand eines Bespielprozesses. Ziel ist eine effiziente Werkstoffcharakterisierung und Identifikation der wesentlichen Modellparameter, um die Simulationsgüte zu steigern. Mit den gewonnenen Erkenntnissen ist es möglich, die Anzahl der notwendigen Tests und damit verbunden den finanziellen und zeitlichen Aufwand auf das notwendige Minimum zu reduzieren und gleichzeitig die Prozessauslegung effizienter zu gestalten.
Dr. Matthias Lenzen
2022
Analyse lokaler Kurzzeitwärmebehandlungsmethoden zur Verbesserung des Umformverhaltens und der Bauteileigenschaften von Aluminiumstrangpresshohlprofilen
Datum: 24.11.2022
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. habil. Marion Merklein, Prof. Dr.-Ing. habil. O. Keßler, Prof. Dr.-Ing. M. Schmidt
Die lokale Kurzzeitwärmebehandlung stellt einen flexiblen Ansatz dar die Formgebungsgrenzen von ausscheidungs- härtbaren Aluminiumblechhalbzeugen zu erweitern. Im Rahmen der Arbeit erfolgte eine Untersuchung der Anwendung dieser Technologie zur Verbesserung des Umformverhaltens von Strangpresshohl-profilen im Biegeprozess. Dabei stellte die Berücksichtigung werkstoff-, halb-zeug- und prozessspezifischer Einfluss-faktoren eine besondere Herausforderung dar. Ausgehend von einer ganzheitlichen Charakterisierung des Werkstoffverhal-tens in Abhängigkeit der Kurzzeitwärme-behandlungstemperatur und dem Ableiten geeigneter Materialmodelle erfolgte eine numerische und experimentelle Analyse der Einflussfaktoren auf die Laserkurz-zeitwärmebehandlung und den anschließenden Biegeprozess. Das aufge-baute Prozessverständnis wurde ab-schließend dazu genutzt maßgeschneidert kurzzeitwärme-behandelte Aluminium-strangpresshohlprofile auszulegen, mit denen der Materialfluss gezielt gesteuert und die Formgebungsgrenzen erweitert werden können.
Ultraschallunterstütztes Umformen und Verstemmen von Stahlwerkstoffen
Datum: 21.07.2022
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. habil. Marion Merklein, Prof. Dr.-Ing. P. Groche
Dr.-Ing. Uwe Leicht
Blechmassivumformung von Funktionsbauteilen aus Bandmaterial
Datum: 18.07.2022
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. habil. Marion Merklein, Prof. Dr.-Ing. S. Wartzack, Prof. Dr.-Ing. S. Tremmel
Im Vergleich zur Umformung vorbeschnittener Ronden ermöglicht das Fertigen von Bauteilen mit integrierten Funktionselementen durch Verfahren der Blechmassivumformung vom Band eine deutliche Erhöhung der Ausbringungsmenge. Im Rahmen der Arbeit wurde ein grundlegendes Prozessverständnis für das Blechmassivumformen von Bauteilen vom Band erarbeitet. Dabei wurden die Gemeinsamkeiten und Unterschiede des Stoffflusses sowie der Werkzeugbeanspruchungen im Vergleich zur Umformung von Ronden identifiziert und der Einfluss ausgewählter Halbzeugeigenschaften erforscht. Die Ursachen eines ungleichmäßigen Stoffflusses in der Bandebene wurden als bandspezifische Herausforderung analysiert. Hierauf aufbauend wurden verschiedene werkstück-, werkzeug- sowie prozessseitige Ansätze bereitgestellt, um den Materialfluss bei einer Fertigung vom Band zu steuern und die Bauteilmaßhaltigkeit zu verbessern. In Standmengenversuchen mit 90.000 abgepressten Bauteilen wurde das Verschleißverhalten der maßgeschneiderten Werkzeugoberflächen, eine der werkzeugseitigen stoffflusssteuernden Maßnahmen, erforscht und der Nachweis der Eignung dieses Ansatzes für eine Fertigung hoher Stückzahlen erbracht.
Ganzheitliche Erarbeitung eines Prozessverständnisses von Tiefziehprozessen mit Ziehsicken auf Basis mechanischer un tribologischer Analysen
Datum: 21.06.2022
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. habil. Marion Merklein, Prof. Dr.-Ing. A. Brosius
Im Rahmen der Ressourcenschonung nimmt der Leichtbau weiterhin eine tragende Rolle ein. Zur versagensfreien Herstellung von Karosseriebauteilen beim Tiefziehen werden zur Materialfluss-steuerung unter anderem Ziehsicken eingesetzt. Dabei mangelt es an einer ganzheitlichen Beurteilung der Auswirkung einer Ziehsicke auf das mechanische und tribologische System. Das Ziel war die Erarbeitung eines ganzheitlichen Prozess-verständnisses sowie die Beurteilung und Erhöhung der Prognosegüte bei Tiefziehprozessen mit Ziehsicken. Dies fand anhand eines Modellversuchs und einem Tiefziehversuch mit Ziehsicken statt. Ein Schwerpunkt bildete unter anderem die Qualifizierung geeigneter Messmethoden, wie der optischen in-situ Dehnungsmessung, um die Prozessanalyse mehrschichtig darzustellen und Zusammenhänge abzuleiten Im Rahmen einer Validierung an Tiefziehbauteilen konnten die Erkenntnisse übertragen werden werden und zusätzlich für lineare und konvexe Ziehsickenverläufe differenziert werden.
Grundlegende Untersuchungen zur Gradierung der mechanischen Eigenschaften pressgehärteter Bauteile durch eine örtliche begrenzte Aufkohlung
Datum: 02.06.2022
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. habil. Marion Merklein, Prof. Dr.-Ing. B.-A. Behrens
Das Presshärten ist ein etabliertes Ver-fahren zur Fertigung sicherheitsrelevanter Karosseriekomponenten. Weiteres Leicht-baupotential bieten Bauteile mit maß-geschneiderten Eigenschaften. Vielver-sprechend ist in diesem Zusammenhang die Prozesskombination aus Aufkohlen und Presshärten. Aufgrund des fehlenden Prozesswissens war die übergeordnete Zielsetzung der vorliegenden Dissertation die Erarbeitung eines grundlegenden Prozessverständnisses zur Gradierung der mechanischen Eigenschaften durch eine örtlich begrenzte Aufkohlung. Zu diesem Zweck wurden zunächst prozessseitige und halbzeugseitige Ein-flussfaktoren bei der Aufkohlung analysiert. Durch eine ganzheitliche Charakterisierung wurde ein grund-legendes Prozesswissen erarbeitet. Darauf aufbauend wurde die Ausdehnung der Übergangszone gradierter Bauteile und der Einfluss einer Gradierung auf die mechanischen Eigenschaften untersucht. Die abgeleiteten Erkenntnisse konnten anhand eines Musterbauteils verifiziert werden.
Werkstoff- und umformtechnische Bewertung von hochfesten Aluminium-blechwerkstoffen für den Karosseriebau
Datum: 11.04.2022
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. habil. Marion Merklein, Prof. Dr.-Ing. habil. O. Keßler
Ein vielversprechender Ansatz, um auch mit der 6000er-Legierungsgruppe die Ressourceneffizienz durch Leichtbau im Fahrzeugrohbau zu betreiben, ist die Untersuchung von Legierungskonzepten an den Grenzen oder außerhalb der Lieferspezifikation konventionell im Rohbau eingesetzter Aluminiumblech-werkstoffe. In diesem Kontext bildet ein grundlegendes Verständnis über den Einfluss und die Beeinflussbarkeit der mechanischen Eigenschaften in Abhängigkeit von Temperatur, Zeit und plastischer Dehnung in der konventionellen Prozessroute, in einer wirtschaftlich integrierbaren Bauteilaus-härtung und einem eigenschafts-orientierten teilausgehärteten Zustand die Grundlage für die Definition der Prozessfenster. Abschließend werden die Erkenntnisse unter Serienbedingungen validiert und am Beispiel der B-Säule verifiziert, um das Potential für eine industrielle Umsetzung abzuschätzen.
Dr.-Ing. Artur Klos
2021
Untersuchungen zur Umformbarkeit hybrider Bauteile aus Blechgrundkörper und additive gefertigter Struktur
Datum: 20.12.2021
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. habil. Marion Merklein, Prof. Dr.-Ing. habil. M. Bambach, Prof. Dr.-Ing. M. Rethmeier
Die Kombination der Umformtechnik mit der additiven Fertigung birgt das Potential eines ressourceneffizienten Herstellungsprozesses. Durch den Einsatz hybrider Bauteile bestehend aus einem Blechgrundkörper mit additiv gefertigter Struktur können die zum Teil langen Prozesszeiten additiver Fertigungsprozesse reduziert und der Werkstoffeinsatz gesenkt werden. Um die Potentiale des Ansatzes auszuschöpfen, ist allerdings ein Prozessverständnis über das Umformverhalten hybrider Bauteile erforderlich. Vor diesem Hintergrund wurden im Rahmen der Arbeit die Werkstoff- und Bauteileigenschaften, die Formgebung unter dominierender Biegespannung sowie die Übertragbarkeit auf ein Demonstratorbauteil untersucht. In diesem Zusammenhang wurden wesentliche Einflussgrößen auf die Umformbarkeit analysiert sowie bei der Formgebung hybrider Bauteile vorherrschende Wirkmechanismen identifiziert. Die Erkenntnisse können für künftige Auslegungen von Umform-prozessen hybrider Bauteile genutzt werden.
Einfluss des Vormaterials auf die mehrstufige Kaltumformung vom Draht
Datum: 15.11.2021
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. habil. Marion Merklein, Prof. Dr.-Ing. K. Roll
Bei der Herstellung von Verbindungselementen kommen meist Drahtwerkstoffe als Ausgangsmaterial zum Einsatz. Aufgrund des in einem globalisierten Absatzmarkt starken Kostendrucks rückt das Vormaterial vermehrt in den Fokus als potentieller Hebel zur Reduzierung der Herstellungskosten. Eine falsche Wahl des Vormaterials birgt jedoch die Gefahr einer Beeinträchtigung der Prozessfähigkeit, wie anhand des im Rahmen der Arbeit untersuchten Modellprozesses hervorgeht. Durch eine eingehende Analyse eines Bor-Mangan-Stahls konnte die Beeinflussung der plastischen Werkstoffeigenschaften durch die Drahtherstellung ermittelt werden. Die erarbeiteten Modellierungsansätze zur Berücksichtigung der Eigenschaften aus Vorprozessen in numerischen Modellen lassen nun eine Quantifizierung der unterschiedlichen Eigenschaften von verschiedenen Herstellungsvarianten eines Drahtwerkstoffes zu. Zudem wird anhand einer Untersuchung wichtiger Grundumformoperationen deutlich, dass der gezielte Einsatz von Vormaterialzustände auch zur Erweiterung von Prozessgrenzen genutzt werden kann.
Dr.-Ing. Bastian Zimmermann
Ein Beitrag zur digitalen Auslegung von Fügeprozessen im Karosseriebau mit Fokus auf das Remote-Laserstrahlschweißen unter Einsatz flexibler Spanntechnik
Datum: 15.11.2021
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. habil. Marion Merklein, Prof. Dr.-Ing. K. Roll
Der Einsatz von an Schweißrobotern angebrachten, pneumatisch betätigten Spannrollen ermöglicht eine Steigerung der Flexibilität beim Remote-Laserstrahlschweißen im Karosseriebau. Dabei stellen die Auslegung der Spannkräfte, der Fügevorrichtungen und der fertigungsgerechten Bauteiltoleranzen eine Herausforderung dar. Im Rahmen dieser Arbeit wurde der Spann- und Fügeprozess des Remote-Laserstrahl-schweißens unter Einsatz einer Spannrolle untersucht. Die Untersuchung erfolgte experimentll und simulativ für Blechformteile aus Stahl und Aluminium sowie für Aluminiumgussbauteile. Zur simulativen Untersuchung wurden validierte Finite-Elemente Simulationsmodelle erarbeitet, die erstmalig den Einsatz einer flexiblen Spannrolle im Karosseriebau abbilden. Auf Basis der Untersuchungen wurden prozess- und bauteilseitige Maßnahmen zur Reduktion erforderlicher Spannkräfte und resultierender Fügespalte identifiziert und ein grundlegendes Prozessverständnis für den neuartigen Fertigungsprozesses aufgebaut.
Dr.-Ing. Felix Bauer
Widerstandselementschweißen mit gestauchten Hilfsfügeelementen - Umformtechnische Wirkzusammenhänge
Datum: 27.10.2021
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. habil. Marion Merklein, Prof. Dr.-Ing. G. Meschut
Das Widerstandselementschweißen mit gestauchten Hilfsfügeelementen ermöglicht es, Multimaterialpaarungen im automobilen Karosseriebau mit der konventionellen Widerstandspunktschweißtechnik zu fügen. Im Rahmen dieser Arbeit wurden dazu die umformtechnischen Wirkzusammenhänge zur Beeinflussung der Verbindungsfestigkeit erarbeitet. Hierzu wurden die Haupteinflussfaktoren analysiert, die Anwendbarkeit des Widerstandspunktschweißens nachgewiesen sowie die damit einhergehende Beeinflussung des Versagensverhaltens in den konventionellen Belastungsfällen erörtert. Als bedeutende Prozesssteuerungsgröße konnte der Materialfluss beim Stauchen der Hilfsfügeelemente identifiziert werden und mit den weiteren wesentlichen Einflussfaktoren auf die Verbindungsfestigkeit in einem Materialflussmodell zusammengefasst werden. Somit konnte mit dieser Arbeit ein grundlegendes Prozessverständnis erarbeitet werden, welches die Basis für weitere Anwendungen dieses Fügeverfahrens bildet.
Dr.-Ing. Mario Meinhardt
Auslegung und Anwendung prozessangepasster Halbzeuge für Verfahren der Blechmassivumformung
Datum: 27.07.2021
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. habil. Marion Merklein, Prof. Dr.-Ing. H. J. Maier
Im Rahmen der Arbeit wurden prozessangepasste Halbzeuge ausgelegt, um die Eigenschaften von Funktionsbauteilen, welche durch eine einstufige Verfahrenskombination aus Tiefziehen und Stauchen hergestellt werden, zu verbessern. Als Grundlage der Untersuchungen wurde die anforderungsbasierte Auslegung einer zielführenden Werkzeuggeometrie anhand einer numerischen Variantensimulation durchgeführt, welche nachfolgend um einen effizienteren Auslegungsansatz ergänzt wurde. Die zentralen Anforderungen umfassen die Vermeidung identifizierter Fehlerbilder an den außenverzahnten Funktions-bauteilen, welche durch die einstufige Verfahrenskombination hergestellt werden. Der ausgelegte Werkzeugeinsatz erlaubt eine prozessangepasste Materialvorverteilung zur Steigerung der Stoffflusskontrolle im Umformprozess und zur verbesserten Füllung der Funktionselemente und ermöglicht die beabsichtigte Fehlervermeidung. Die Potential prozessangepasster Halbzeuge wurde für verschiedene Stahlgüten nachgewiesen.
Umformtechnische Strukturierung metallischer Einleger im Folgeverbund für mediendichte Kunststoff-Metall-Hybridbauteile
Datum: 12.05.2021
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. habil. Marion Merklein, Prof. Dr.-Ing. D. Drummer
Mit wachsendem Bedarf an elektronischen Baugruppen fällt der Herstellung von Kunststoff-Metall-Hybridbauteilen, bei denen ein metallischer Einleger mit einer isolierenden Kunststoffkomponente umspritzt wird, eine besondere Bedeutung zu. Insbesondere die Mediendichtheit ist eine zentrale Anforderung, welche aktuell nur mit teuren Zusatzprozessen bewerkstelligt wird. In der Arbeit wurde das Kantenprägen sowie das Einprägen von Quernuten in metallische Einleger im Folgeverbundwerkzeug untersucht. Ziel war es Verständnis für die Herstellbarkeit strukturierter Einleger aufzubauen und die Prozessgrenzen zu identifizieren. Es konnte gezeigt werden, dass im Vergleich zu unbehandelten, scharfkantigen Einlegern der Einsatz verrundeter Kanten die Beständigkeit der Dichtwirkung des Kunststoff-Metall-Verbunds erhöhen kann. Durch den Einsatz einer umformtechnischen Strukturierung mittels Quer-nuten konnte eine Reduktion der Leckagerate um mehr als eine Größenordnung im Vergleich zu unstrukturierten Einlegern erreicht werden.
2020
Oberflächenmodifizierung und Entwicklung einer Auswertemethodik zur Verschleißcharakterisierung im Presshärteprozess
Datum: 16.12.2020
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. habil. Marion Merklein, Prof. Dr.-Ing. M. Schmidt
Der Presshärteprozess stellt ein etabliertes Verfahren dar, um sicherheitsrelevante Karosseriebauteile zu fertigen. Durch den Einsatz von AlSi-beschicheten Halbzeugen kommt es während des Tiefziehens zu einem Materialübertag von AlSi-Partikeln auf die Werkzeugoberfläche, wodurch ein hoher Wartungsaufwand erforderlich ist. Infolge der Prozesstemperaturen oberhalb von 900 °C ist es nicht möglich Schmierstoffe zur Reduzierung des Oberflächenverschleißes zu verwenden. Im Rahmen dieser Arbeit wurde zur Erhöhung der Verschleißbeständigkeit der Werkzeuge der Einfluss unterschiedlicher Legierungselemente und Legierungskonzentrationen auf das Verschleißverhalten analysiert. Eine gezielte Anpassung einer Oberflächenmodifizierung für das Presshärten wurde dadurch realisiert. Ein weiterer Schwerpunkt lag auf der Entwicklung einer Auswertemethodik zur quantitativen Bewertung des Verschleißverhaltens. Durch diese Methode wurde es ermöglicht den adhäsiven und abrasiven Verschleiß getrennt voneinander zu bestimmen.
Qualifizierung laser-additiv gefertigter Komponenten für den Einsatz im Werkzeugbau der Massivumformung
Datum: 07.12.2020
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. habil. Marion Merklein, Prof. Dr.-Ing. M. Schmidt
Der Einsatz additiver Fertigungsverfahren bietet die Möglichkeit dem wachsenden Bedürfnis für indivitualisierte Produkte gerecht zu werden. Bei der Herstellung hoch- und dynamischbelasteter Bauteile stoßen additiv gefertigte Komponenten jedoch an ihre Grenzen. Für diese Bauteile haben sich umformtechnische Herstellungsverfahren etabliert. Im Rah-men dieser Arbeit wurden die Eigenschaften additiv gefertigter Werkzeugstähle untersucht und mit denen konventioneller Werkzeugstähle verglichen. Es konnte nachgewiesen werden, dass additiv gefertigte Werkzeuge den Anforderungen der Massivumformung genügen. Durch eine modifizierte Wärmebehandlung ermöglich das inkrementelle thremische Fertigungsprinzip der laser-additiven Verfahren sogar eine Verbesserung mechanische Eigenschaften der Werkstoffe. Der Einsatz additiver Fertigungsverfahren im Werkzeugbau ermöglicht eine Reduktion der Durchlaufzeiten, insbersondere bei der Entwicklung neuer Werkzeuge.
Kumulatives Walzplattieren - Bewertung der Umformeigenschaften mehrlagiger Blechwerkstoffe der ausscheidungs-härtbaren Legierung AA6014
Datum: 17.06.2020
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. habil. Marion Merklein, Prof. Dr.-Ing. habil. M. Schaper
Das kumulative Walzplattieren ist ein Verfahren zur Herstellung von Blechhalbzeugen mit ultrafeinkörnigem Gefüge. Vor dem Hintergrund des Leichtbaugedankens ist die erzielbare Festigkeitssteigerung ein bedeutender Vorteil dieser Halbzeuge. Im Rahmen dieser Arbeit wurden die Umformeigenschaften der hochfesten mehrlagigen Aluminiumlegierung AA6014 untersucht. Im Fokus stand ein neuer Ansatz zu Temperierung der Arbeitswalzen im Walzprozess im untersuchten Bereich von Raum-temperatur bis 200 °C. Basierend auf der Analyse der mechanischen Werkstoffeigenschaften in Abhängigkeit der Parameter des Walzprozesses wurden die Formgebungsgrenzen beim Biegen und Tiefziehen untersucht. Das Walzverfahren mit temperierten Arbeitswalzen ermöglicht eine gesteigerte Duktilität und erweiterte Formgebungsgrenzen der Halbzeuge im Vergleich zum Kaltwalzverfahren. Auf Basis der Ergebnisse dieser Arbeit wird die Leistungskfähigkeit der untersuchten Werkstoffe für den Einsatz in der Umformtechnik nachgewiesen.
Fließpressen von Verzahnungselementen an Blechen
Datum: 20.05.2020
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. habil. Marion Merklein, Prof. Dr.-Ing. B.-A. Behrens
Steigende Anforderungen an Bauteile hinsichtlich Festigkeit, Gewicht und Funktionsintegration bringen etablierte umformtechnische Verfahren der Blech- und Massivumformung an ihre Grenzen. Eine Kombination der Verfahrensklassen Blech- und Massivumformung vereint deren spezifische Vorteile, erweitert die Grenzen etablierter Umformverfahren und ermöglicht die Herstellung geometrisch komplexer Bauteile. Im Fokus dieser Arbeit steht die Herstellung blechmassivumgeformter Bauteile durch einen Vorwärts- und Querfließpressprozess. Bislang gelten die erreichbare Bauteilgenauigkeit und die versagenskritische Werkzeugbeanspruchung als maßgebliche Herausforderungen und erschweren eine industrielle Anwendung. Die Arbeit schafft ein grundlegendes Prozessverständnisses zum Fließpressen filigraner Verzahnungselemente an Blechen am Beispiel von Lauf- und Sperrverzahnungen. Das Prozesswissen bildet die Basis zur Erforschung von Maßnahmen zur Erweiterung aktueller Formgebungsgrenzen
2019
Erarbeitung eines Prozessverständnisses zur Verbesserung der tribologischen Bedingungen beim Presshärten
Datum: 18.12.2019
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. habil. Marion Merklein, Prof. Dr.-Ing. habil. V. Kräusel
Der Fokus dieser Forschungsarbeit lag in der Schaffung eines umfassenden Prozessverständnisses in Bezug auf die vorherrschenden Reibungs- und Verschleißmechanismen. Dieses diente als Grundlage zur Identifizierung werkzeugseitiger Maßnahmen zur Reduzierung von Reibung und Verschleiß. Zu diesem Zweck wurde im Rahmen der vorliegenden Arbeit eine Methodik zur Charakterisierung der tribologischen Bedingungen beim Presshärten entwickelt. Hiermit ist eine gezielte und reproduzierbare Untersuchung des Einflusses kritischer Prozessparameter auf Basis von Flachbahnstreifenziehversuchen möglich. Darauf aufbauend wurden unterschiedliche Verfahren zur Oberflächenbearbeitung, der Einfluss der Legierungszusammensetzung und der Wärmebehandlung des Werkzeugwerkstoffs untersucht. Zudem wurde der Einsatz von Werkzeugbeschichtungen analysiert. Abschließend wurde die Übertragbarkeit der Erkenntnisse aus den Laborversuchen auf eine Bauteil-geometrie mit erhöhter Komplexität überprüft.
Kaltfließpressen von gerad- und schrägverzahnten Zahnräder
Datum: 11.12.2019
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. habil. Marion Merklein, Prof. Dr.-Ing. S. Wartzack
Im Fokus dieser Forschungsarbeit stand das Kaltfließpressen von gerad- und schrägverzahnten Zahnrädern im „Samanta“-Verfahren. Innerhalb dieses Prozesses werden mehrere Rohlinge sequentiell durch die Matrize gepresst. Der entscheidende Vorteil gegenüber klassischen Quer- und Vorwärtsfließpressprozessen ist die Vermeidung eines Auswerfervorgangs der umgeformten Bauteile, wodurch ein negativer Einfluss auf die Verzahnungsqualität umgangen wird. Im Rahmen der Arbeit wurde die Herstellbarkeit von unterschiedlichen Zahnradgeometrien für die gängigen Stahlsorten 16MnCr5 und C15C nachgewiesen. Aufbauend hierauf wurden praxisrelevante Methoden erforscht, um die Bauteil- und Prozesseigenschaften vorteilhaft beeinflussen zu können. Die Untersuchungen erfolgten anhand experimenteller und numerischer Analysen. Die Erkenntnisse wurden abschließend zusammengefasst und im Sinne eines praktischen Nutzens bewertet, um Empfehlungen für die Zahnradherstellung im „Samanta“-Verfahren bereitzustellen.
Bestimmung des Versagensverhaltens von Blechwerkstoffen mittels Grenzformänderungsdiagramm
Datum: 09.12.2019
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. habil. Marion Merklein, Prof. Dr. L. Fratini
Die volle Ausschöpfung der Umformbarkeit von Blechen ist entscheidend für die Prozessoptimierung. Dies gilt insbesondere für die Automobilindustrie, wo der aktuelle Trend in der Entwicklung von Leichtbaustrukturen liegt. Dennoch zeigt die aktuelle Standardevaluierungsmethodik für leichte und spröde Materialien Schwächen auf. In der vorliegenden Untersuchung wurde zur Verbesserung der Evaluierung der Versagensgrenze eine detaillierte Analyse der Versagensmechanismen bei verschiedenen Materialklassen durchgeführt. Ziel war es, die Gültigkeit der Definition des Einschnürungsbeginn zu analysiern und eine korrekte Vorhersage der Formänderungsgrenzen zu gewährleisten, welche auch für Materialien gilt, die keine Lokalisierungen zeigen. Die erarbeiteten Erkenntnisse wurden genutzt, um ein Gültigkeitsfenster mittels Mustererkennungsmethodik für die Grenzformänderungsvermögen zu definieren sowie die Evaluation der Formänderungsgrenzen zu optimieren, ohne die Besonderheiten der unterschiedlichen Materialien aus den Augen zu verlieren.
Grundlegende Untersuchungen zur Herstellung hochfester Aluminiumblechbauteile im Rahmen eines kombinierten Umform- und Abschreckprozesses
Datum: 27.11.2019
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. habil. Marion Merklein, Prof. Dr.-Ing. habil. M. Bambach
Der Einsatz hochfester Aluminiumlegierungen ermöglicht eine Steigerung des Leichtbaupotentials. Aufgrund der eingeschränkten Umformbarkeit dieser Werkstoffe werden allerdings temperaturgestützte Verfahren benötigt, um die Herstellung anspruchsvoller Bauteilgeometrien zu realisieren. Ein neuer Ansatz ist der kombinierte Umform- und Abschreckprozess. Durch ein vorgeschaltetes Lösungsglühen in Kombination mit einer gleichzeitigen Umformung bei erhöhten Temperaturen und dem werkzeuggebundenen Abschrecken wird es möglich, die Umformbarkeit sowie die Aushärtbarkeit unter Verkürzung der Prozesskette zu verbessern. Ziel des Forschungsvorhabens war es, grundlegende Untersuchungen zur Ermittlung des Potentials des Prozesses durchzuführen. Schwerpunkte bildeten dabei die Definition von Randbedingungen bezüglich der Wärmebehandlung sowie die Prozessauslegung und die finale Prozessbewertung anhand eines Hut-Profil-Bauteils.
Datenerfassung für die Anwendung lernender Algorithmen bei der Herstellung von Blechformteilen
Datum: 07.11.2019
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. habil. Marion Merklein, Prof. Dr.-Ing. B. Vogel-Heuser, Prof. Dr.-Ing. M. Wagner
Der industrielle Fertigungsprozess von Blechformteilen unterliegt dem Einfluss diverser Parameterschwankungen. Daher treten Qualitätsprobleme scheinbar zufällig auf und verursachen Ausschuss und einen Verlust an Produktivität. Ein vielversprechendes Mittel zur Verbesserung des Prozesses ist der Einsatz von Datenanalysen und statistischen Methoden wie maschinelles Lernen. Bisher fehlte für den Einsatz dieser Verfahren die Datenbasis. Aus diesem Grund wurde in dieser Arbeit eine allgemeingültige und übertragbare Methodik zur Erfassung und Speicherung relevanter Einfluss- und Ergebnisgrößen bei der Serienfertigung von Blechformteilen entwickelt. Die so erfassten Daten ermöglichen die Analyse von Zusammenhängen im Prozess, die Vorhersage der Qualität durch lernende Algorithmen sowie die Berechnung geeigneter Presseneinstellungen. Neben der Entwicklung der Datenerfassung wurden die Nutzungsmöglichkeiten der Daten erpobt und so die Funktionsfähigkeit der entwickelten Methode nachgewiesen.
Dr.-Ing. Stephan Purr
Ermittlung funktioneller Zusammenhänge beim Fügen von Stanzmuttern und Blechhalbzeugen
Datum: 30.07.2019
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. habil. Marion Merklein, Prof. Dr.-Ing. K. Roll
Der zunehmende Einsatz moderner, insbesondere höher- und hochfester Werkstoffe zwingt die Stanzmuttertechnologie zu einer ständigen Weiterentwicklung. In der Praxis erfolgt die Durchführung anwendungstechnischer Untersuchungen rein experimentell. Dieses Trial-and-Error-Prinzip führt zu extrem langen Entwicklungszeiten. Zudem fehlt es an einem grundlegenden Prozessverständnis. Im Rahmen dieser Arbeit wurde durch die Anwendung der FE-Simulation ein breites Verständnis des Fügeprozesses von Stanzmutterverbindungen und des Versagensverhaltens entwickelt. Durch die Werkstoffflussanalyse in Abhängigkeit des Prozessfortschritts wurden funktionelle Zusammenhänge zwischen geometrischer Verbindungsausbildung und mechanischer Verbindungsfestigkeit ermittelt und Maßnahmen zur werkstoffspezifischen Adaption von Stanzmutterverbindungen, insbesondere zur Erweiterung der Verfahrensgrenzen, identifiziert.
Grundlegende Untersuchungen zum Prozess- und Werkstoffverhalten bei schwingungsüberlagerter Umformung
Datum: 16.07.2019
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. habil. Marion Merklein, Prof. Dr.-Ing. B.-A. Behrens
Die mechanische Schwingungsüberlage-rung mit Frequenzen im Ultraschallbereich ist ein bekannter Ansatz zur Reduzierung der Umformkraft. Bisher stellt das mangelnde detaillierte Prozessverständnis jedoch ein Hemmnis für die breite industrielle Anwendung der Technologie dar. Die Untersuchungsschwer-punkte dieser Arbeit lagen in der Identifikation zugrunde liegender Wirkmechanismen für das Phänomen der schwingungsbedingten Kraftreduzierung sowie der Analyse des Schwingungseinflusses auf das Formänderungsvermögen metallischer Werkstoffe. Eine grundlegende Prozessanalyse belegte, dass bei Schwingungsüberlagerung neben der Kraftreduzierung eine signifikante Probenerwärmung auftritt. Zudem wurde ein stark verändertes Umformverhalten festgestellt. Als maßgebliche Mechanismen für die Kraftreduzierung konnten die thermische Entfestigung und werkstoffseitige Einflüsse identifiziert werden. Hinsichtlich des Formänderungsvermögens wurde bei Ultraschallüberlagerung werkstoffunabhängig eine deutliche Reduzierung nachgewiesen.
Verbesserung des Umformverhaltens von mehrlagigen Aluminiumblechwerkstoffen mit ultrafeinkörnigem Gefüge
Datum: 18.06.2019
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. habil. Marion Merklein, Prof. Dr.-Ing. A. Brosius
Mehrlagige Aluminiumblechwerkstoffe mit ultrafeinkörnigem Gefüge, die im Accumulative Roll Bonding (ARB) Prozess hergestellt werden, weisen aufgrund ihrer gesteigerten Festigkeit ein relevantes Leichtbautpotential auf. Allerdings ist das Umformvermögen dieser Werkstoffe limitiert und der ARB Prozess bisher nur im Labormaßstab umgesetzt. Im Rahmen dieser Arbeit wurde zunächst der ARB-Prozess analysiert und die erforderlichen Methoden und Prozessparameter ermittelt, um die Herstellung großformatiger Bleche mit ultrafeinkörnigem Gefüge zu ermöglichen. Anschließend wurden Methoden für die lokale Wärmebehandlung zur Einbringung maßgeschneiderter Eigenschaftsgradienten über die Blechebene und –dicke erarbeitet mit dem Ziel, eine Verbesserung des Umformvermögens zu erreichen. Anschließend wurden die jeweiligen Auswirkungen auf das Umformverhalten von Blechwerkstoffen mit bis zu 256 Lagen bewertet sowie entsprechende Gestaltungsrichtlinien für die Auslegung der Platinen aus mehrlagigem Aluminium erarbeitet.
Grundsatzuntersuchungen, mathematische Modellierung und Ableitung einer Auslegungsrichtlinie für Gelenkantriebe nach dem Spinnenbeinprinzip
Datum: 20.05.2019
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. habil. Marion Merklein, Prof. Dr.-Ing.K. Paetzold, Prof. Dr.-Ing. R. Hornfeck
Biologische Lösungsansätze versprechen großes Potential für den technischen Fortschritt. Für Robotikantriebe können Spinnenbeine als optimales Vorbild dienen, da sie einerseits Leichtbau, Kompaktheit und Sensibilität sowie andererseits kraftvolle, dynamische Bewegungen in sich vereinen und dabei essentielle Grundanforderungen an technische Gelenkantriebe erfüllen. Im Rahmen der Arbeit wurde, mit Hilfe von Grundsatzuntersuchungen und der Biology-Push-Methodik, erstmals der Transfer des antagonistischen Spinnen-beinprinzips in einen technischen Gelenkantrieb erreicht. Das Funktionsprinzip dieses neuartigen Roboterantriebs wurde mit mathematischen Modellierungen und experimentellen Veri-fikationen wissenschaftlich ausgearbeitet. Die Erkenntnisse dieser Analysen ermöglichten die Ableitung einer Auslegungsmethodik. Die Validierung erfolgte anhand eines spinnenartigen Laufroboters. Damit ist der Gelenkmechanismus als neues Antriebselement allgemeingültig anwendbar und in der Robotik als neuer Aktuator einsetzbar.
Dr.-Ing. Stefan Landkammer
2018
Realisierung schmierstofffreier Tiefziehprozesse durch maßgeschneiderte Werk-zeugoberflächen
Datum: 06.12.2018
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. habil. Marion Merklein, Prof. Dr.-Ing. A. Brosius
Ziel der Arbeit war die Realisierung des Trockentiefziehens, da Schmierstoffe und Reinigungsmittel oft umweltschädliche Substanzen enthalten und eine längere Prozesskette nötig ist. In Umformversuchen wurden die Konsequenzen des Schmierstoffverzichts für einen verzinkten Tiefziehstahl sowie zwei Aluminiumlegierungen analysiert. Erhöhte Reibung und Adhäsionsneigung führte besonders beim direkten Kontakt der Aluminiumlegierungen mit dem Werkzeug zu Verschleiß und Schäden auf der Blechoberfläche. Zur Reibungsreduktion wurden die Werkzeuge unterschiedlich bearbeitet und mit verschiedenen diamantähnlichen Kohlenstoffschichten versehen. In Streifenzieh- und Trockentiefziehversuchen wurde gezeigt, dass eine niedrige Werkzeugrauheit unabhängig vom Blechwerkstoff zu vorteilhaftem tribologischen Verhalten führt. Eine Wolframdotierung der Schichten wirkt hingegen negativ auf das Verschleißverhalten. Der Einfluss lasergenerierter Mikrostrukturen hängt von deren Tiefe und Flächendeckungsgrad ab. Es wurde gezeigt, dass Trockentiefziehen abhängig von Kontaktpartnern und Oberflächenmodifikationen realisierbar ist.
Grundlegende Untersuchungen zum Einfluss fertigungsbedingter Eigenschaften auf die Ermüdungsfestigkeit kaltmassivumgeformter Bauteile
Datum: 27.11.2018
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. habil. Marion Merklein, Prof. Dr.-Ing. N. Hanenkamp
Mit Hilfe der Kaltmassivumformung ist eine ressourceneffiziente Herstellung von Bauteilen mit sehr guten mechanischen Eigenschaften möglich. Im Rahmen dieser Arbeit erfolgte eine ganzheitliche Charakterisierung des Einflusses unterschiedlicher Prozessschritte aus der Prozesskette der Kaltmassivumformung auf die resultierenden Bauteileigenschaften. Aufbauend auf diesen Erkenntnissen wurde die dynamische Beanspruchbarkeit mit Hilfe von bauteilspezifisch entwickelten Prüfvorrichtungen ermittelt. Abschließend erfolgte eine Analyse des Einflusses der fertigungsbedingten Eigenschaften der Bauteile auf die dynamische Beanspruchbarkeit. Durch die Korrelation der Bauteileigenschaften mit den ermittelten dynamischen Beanspruchbarkeiten konnten die grundlegenden Einflüsse und deren Wechselwirkungen für unterschiedliche dynamische Be-anspruchungen identifiziert werden. Durch die Untersuchungen ist es möglich, die Vorteile kaltmassivumgeformter Bauteile gezielter zu nutzen und neben der Auslegung für statische Beanspruchungen auch die dynamische Beanspruchbarkeit zu berücksichtigen.
Simulative Prognose der Geometrie nassgepresster Karosseriebauteile aus Gelege-Mehrschichtverbunden
Datum: 12.07.2018
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. habil. Marion Merklein, Prof. Dr.-Ing. V. Schulze
Im Fokus der vorliegenden Arbeit stand die Entwicklung einer Simulations-methodik für die Vorhersage prozessinduzierter Deformationen bei nassgepressten Karosseriebauteilen, welche erstmals nicht nur die üblichen Deformationsmoden des „Spring-In“ und der Verwölbung erfasst, sondern auch eine bislang unzureichend analysierte Biegedeformation. Neben der Erarbeitung einer hierfür geeigneten FE-Diskretisierungsstrategie wurde der Einfluss prozessspezifischer Faktoren wie Radienkorrektur und Faserumorientierungen untersucht. Um letzteres zu gewährleisten, wurde eine Kopplung der Teilprozesssimulationen für die Formgebung und die Geometrieprognose entwickelt. Die Anwendung der Simulationsmethodik wurde anhand der Untersuchung mehrerer CFK-Karosseriebauteile überprüft, welche neben der bekannten „Spring-In“-Deformation eine dominante Biegedeformation aufweisen. Abschließend erfolgten Empfehlungen auf Basis der validierten Simulationsmethodik für eine zukünftige Bauteil-auslegung von CFK-Schalenbauteilen mit hoher Maßhaltigkeit.
Dr.-Ing. Christoph Amann
Simulative Auslegung der Spann- und Fixier-konzepte im Karosserierohbau: Bewertung der Baugruppenmaßhaltigkeit unter Berücksichtigung schwankender Einflussgrößen
Datum: 30.05.2018
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. habil. Marion Merklein, Prof. Dr.-Ing. K. Roll
Diese Forschungsarbeit untersuchte, welche Werkstoff- und Prozessfaktoren einen signifikanten Einfluss auf die Maßhaltigkeit von Baugruppen haben. Hauptziel dieser Arbeit war die Erarbeitung von Ursache-Wirkungs-Zusammenhängen zur simulativen Auslegung der Spann- und Fixierkonzepte von Baugruppen. Das Resultat ist eine baugruppenunabhängige Methodik, mit welcher sich der Einfluss von schwanken-den Fügestationsparametern abschätzen lässt. Handlungsempfehlungen in Form von Prozessfenstern zur zukünftigen Gestaltung von Baugruppen mit geringeren Formabweichungen wurden generiert.
Eine Verbesserung der Maßhaltigkeit von prinzipiellen und realen Karosseriebaugruppen konnte durch die Optimierung statistisch verteilter Eingangsgrößen der Spann- und Fixierprozesse erreicht werden. Veränderungen des Spann- und Fixierkonzeptes sind im Vergleich zu Werkzeugänderungen kostengünstiger. Aufgrund dieses Einsparpotentials wird das Thema in Zukunft seine hohe Bedeutung behalten.
Dr.-Ing. Tobias Konrad
Entwicklung einer Methodik zur Herstellung von Tailored Blanks mit definierten Halbzeugeigenschaften durch einen Taumelprozess
Datum: 03.05.2018
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. habil. Marion Merklein, Prof. Dr.-Ing. B.-A. Behrens
Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Taumelprozess zur Herstellung von Tailored Blanks mit definierten Halbzeugeigenschaften aus Stahlwerkstoffen unterschiedlicher Festigkeiten analysiert. Anhand wesentlicher Prozessparameter wurden grundlegende Wirkzusammenhänge identifiziert sowie der Einfluss auf die resultierenden Halbzeugeigenschaften dargelegt. Darauf aufbauend wurden Prozessgrenzen identifiziert und eine Methodik zum gezielten Einstellen der Halbzeugeigenschaften abgeleitet. Diese Methodik wurde durch weiterführende Untersuchungen validiert, um Aussagen hinsichtlich der Übertragbarkeit der Erkenntnisse sicherstellen zu können. Dies ermöglicht ein umfangreiches Prozessverständnis hinsichtlich des Einflusses unterschiedlicher Prozessparameter die Eigenschaften von taumeltechnisch hergestellten Tailored Blanks aus unterschiedlichen Stahlwerkstoffen. Hierdurch können gezielt die Eigenschaften auf den jeweiligen Einsatzzweck eingestellt und damit eine verbesserte Materialeffizienz ermöglicht werden.
Untersuchung des kombinierten Trenn- und Umformprozesses beim Fügen artungleicher Werkstoffe mittels Schneidclinchverfahren
Datum: 10.04.2018
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. habil. Marion Merklein, Prof. Dr.-Ing. G. Meschut
Kerngedanke dieser Arbeit war es, die Schneidclinchtechnologie in ihre Prozessbestandteile Schneiden und Umformen zu unterteilen, diese separat zu analysieren und Prozesseinflüsse sowie auftretende Wechselwirkungen zu identifizieren. Hierfür wurde zunächst ein schädigungsbasiertes numerisches Prozessmodell sowie ein für Grundlagenuntersuchungen angepasstes und modulares Versuchswerkzeug entwickelt. Anschließend wurden mittels numerischer und experimenteller Untersuchungen werkstoff-, werkzeug- sowie prozessseitige Einflussgrößen identifiziert und deren Wirkung hinsichtlich geometrischer Kenngrößen, dem Prozesskraftverlauf sowie daraus resultierender quasistatischer Kennwerte der Verbindungfestigkeit quantifiziert. Die gewonnenen Erkenntnisse ermöglichten die Ableitung von Hinweisen für die praktische Anwendung des Schneidclinchprozesses und leisten somit einen großen Beitrag für die Reduktion von Streuungen sowie die Steigerung der Prozessrobustheit.
Grundlagenwissenschaftliche Untersuchung der kombinierten Prozesskette aus Umformen und Additive Fertigung
Datum: 07.02.2018
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. habil. Marion Merklein, Prof. Dr.-Ing. M. Schmidt
Im Fokus der Arbeit stand die grundlagenwissenschafltiche Untersuchung der kombinierten Prozesskette aus Umformen mit nachfolgender additiver Fertigung und abschließender Wärmebehandlung zur Fertigung von Hybridbauteilen postuliert und untersucht. Wissenschaftlicher Anspruch dieser Arbeit war in diesem Zusammenhang der Machbarkeitsnachweis, aber auch die grundlagenwissenschaftliche Erforschung dieser Prozesskette. Herangezogen wurden dabei die additiven Fertigungsverfahren Laser- und Elektronenstrahlschmelzen und die umformenden Fertigungsverfahren Tiefziehen, superplastisches Umformen und Biegen für eine ausgewählte Titanlegierung. Die Anwendbarkeit und Vorteile dieser Fertigungstechnologien für die kombinierte Prozesskette wurden untersucht. Neben der Untersuchung der verschiedenen Fertigungsverfahren und den resultierenden Materialeigenschaften wurde die Fertigung von Hybridbauteilen aus additiv gefertigten Funktionselementen mit flachen Grundkörpern untersucht und die resultierenden Eigenschaften gekennzeichtet.
Herstellung von Nebenformelementen unterschiedlicher Geometrie an Blechen mittels Fließpressverfahren der Blechmassivumformung
Datum: 24.01.2018
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. habil. Marion Merklein, Prof. Dr.-Ing. S. Wartzack
Ziel dieser Arbeit war die Schaffung des notwendigen Wissens, um dünnwandige Funktionsbauteile mit Formelementen verschiedenster Geometrie, wie etwa Sychronringe, durch Fließpressen an Blechen herstellen zu können. Hierfür wurden zunächst ein Vorwärts- und ein Querfließpressprozess aufgebaut, welche die Ausformung von verzahnungs- und mitnehmerähnlichen Geometrien an Blechronden ermöglichen. Mittels finiter Elemente Simulationen wurde anschließend der Einfluss der Formelementgestalt und -anordnung auf die Bauteilausformung untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass eine vollständige Ausformung der Elemente aufgrund der Stoffflussdynamik im Bauteil nicht erreicht werden kann. Aus den Erkenntnissen wurden daher Maßnahmen zur Stoffflusssteuerung abgeleitet und experimentell umgesetzt. Die Versuche belegen, dass mittels Tailored Surfaces, Tailored Blanks und geometrischer Fließbehinderungen die Bauteilausformung maßgeblich verbessert und der Bauteilverzug reduziert werden kann.
Erarbeitung einer Methodik zur semiempirischen Ermittlung der Umwandlungskinetik durchhärtender Wälzlagerstähle für die Wärmebehandlungssimulation
Datum: 23.01.2018
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. habil. Marion Merklein, Prof. Dr.-Ing. habil. M. Bambach
Die numerische Simulation von Wärmebehandlungsprozessen gewinnt bei der Auslegung großer und komplexer Wälzlagerkomponenten zunehmend an Bedeutung. Da die Genauigkeit der Simulationsergebnisse entscheidend von den zur Verfügung stehenden Werkstoffkennwerten abhängt, wurde das Umwandlungsverhalten von Wälzlagerstählen in dieser Arbeit systematisch untersucht und eine Methodik zur vereinfachten Charakterisierung neuer Werkstoffchargen sowie bekannter Werkstoffchargen bei abweichenden Austenitisierungsbedingungen erarbeitet. Durch die gewonnenen Erkenntnisse wurde ein effizienteres Vorgehen bei der Simulation von Wärmebehandlungsvorgängen ermöglicht, da der zeitliche und finanzielle Aufwand für die Charakterisierung neuer Werkstoffchargen sowie bekannter Werkstoffe bei abweichenden Austenitisierungsbedingungen erheblich reduziert wurde. Darüber hinaus konnte die Güte der Simulationsergebnisse durch die exaktere Abbildung des Umwandlungsverhaltens entscheidend verbessert werden.
2017
Modellbasierte Prozesskettenabbildung rührreibgeschweißter Aluminiumhalbzeuge zur umformtechnischen Herstellung höchstfester Leichtbaustrukturteile
Datum: 18.12.2017
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. habil. Marion Merklein, Prof. Dr.-Ing. habil. M. Schaper
Leichtbaustrukturteile in Luft- und Raumfahrtanwendungen müssen Forderungen nach geringerem Gewicht und höherer Festigkeit bei gleichzeitigem Kostendruck gerecht werden. Einen vielversprechenden fertigungstechnischen An-satz stellt die Verarbeitung rührreibgeschweißter Aluminiumhalbzeuge in umformtechnischen Prozessketten dar. Im Rahmen dieser Arbeit wird daher eine Methodik zur modellbasierten Prozesskettenabbildung erarbeitet, die eine systematische Bauteil- und Prozessauslegung ermöglicht. Zentrale Herausforderung war der Aufbau eines grundlegenden Verständnisses des Werkstoffverhaltens lokaler Nahtzonen während einer Umformung und Wärmebehandlung. Auf Basis experimenteller Untersuchungen und FE-Simulationen wurde das Werkstoffverhalten analytisch abgebildet und charakteristische Fehlerbilder klassifiziert, sowie der Einfluss einer konditionierenden Wärmebehandlung bewertet. Aufbauend auf den gewonnen Erkenntnissen, können Prozessrouten gezielt gewählt und die Bauteilfestigkeit gesteigert werden.
Steuerung von Blechmassivumformprozessen durch maßgeschneiderte tribologische Systeme
Datum: 14.12.2017
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. habil. Marion Merklein, Prof. Dr.-Ing. habil. K. Willner
Steigende Anforderungen in der Industrie, beispielsweise in Hinblick auf verkürzte Prozessketten, eine erhöhte Funktionsintegration oder ökologische Aspekte führen dazu, dass die konventionellen Verfahren der Blech- und Massivumformung an ihre Grenzen stoßen. Ein Lösungsansatz zur Erweiterung der Prozessgrenzen ist die Kombination beider Verfahrensklassen in der sogenannten Blechmassivumformung. Eine derartige Kombination resultiert in einem simultanen Auftreten von Bedingungen aus der Blech- und der Massivumformung. Dies führt wiederum zu einem unkontrollierten Stofffluss und einer reduzierten Bauteilqualität. Im Rahmen der Arbeit wurden globale Stoffflusssteuerungsmethoden über eine lokale Einstellung der tribologischen Bedingungen erforscht und im Hinblick auf ihre Wirksamkeit verifiziert. Um dies zu realisieren, wurden die tribologischen Wirkmechanismen der modifizierten Werkzeug- und Werkstückoberflächen identifiziert, um unabhängig vom in der Arbeit untersuchten Parameterraum, den Einsatz der Methoden für die Blechmassivumformung zu ermöglichen.
Entwicklung einer übertragbaren Methode für das 3-Rollen-Schubbiegen
Datum: 29.11.2017
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. habil. Marion Merklein, Prof. Dr.-Ing. habil. K. Willner
Die komplexgebogenen Bauteile werden aufgrund der benötigten Prozessflexibilität immer öfter durch kinematische Freiformbiegeprozesse um-geformt. Das Freiformbiegen ist aber aufgrund des mangelhaften Prozessverständnisses in hohem Maße ungenau und für industriele Applikation zu langsam. Die in dieser Arbeit entwickelte Methodik stellt einen wichtigen Beitrag zur Umsetzung einer allgemeingültigen Prozessauslegungsstrategie für die Realisierung eines auf dem Rollen-Schubbiegen basierenden Freiformbiegeprozess dar. Für zeiteffiziente und genaue Ermittlung der Prozessparameter wurde ein neuartiges numerisches Modell vorgestellt, wobei die Modellierung des Einflusses der Maschinenstruktur auf das Biegeergebnis eine besonders wichtige Rolle spielt. Zur Gewährleistung einer hohen Berechnungsgenauigkeit wurden insbesondere genau die elastischen Deformationen der Maschinenstruktur untersucht und in das Modell implementiert. Schließlich wurde das Modell optimiert und mit experimentell gewonnenen Daten validiert.
Charakterisierung und Modellierung des spannungszustandsabhängigen Werkstoffverhaltens der Magnesiumlegierung AZ31B für die numerische Prozessauslegung
Datum: 28.09.2017
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. habil. Marion Merklein, Prof. Dr.-Ing. A. Brosius
Der Einsatz von Leichtbauwerkstoffen, wie Magnesiumlegierungen, bietet ein großes Potenzial zur Senkung des Schadstoffausstoßes, wobei hierzu das komplexe Werkstoffverhalten bei der Auslegung von Blechumformprozessen exakt abzubilden ist. Im Rahmen dieser Arbeit wurde zur Verbesserung der Vorhersagegenauigkeit der Blech-umformprozesse das spannungszustands-abhängige Verfestigungsverhalten der Magnesiumlegierung AZ31B untersucht. Der Schwerpunkt der Untersuchungen lag neben der Werkstoffcharakterisierung in der Entwicklung, Verifikation und Validierung eines neuen phänomeno-logischen Werkstoffmodells zur Abbildung der anisotropen Verfestigung bei einer Prozesstemperatur von 200 °C. Durch die Berücksichtigung der anisotropen Verfestigung in der Werkstoffmodellierung konnte die Abbildungsgenauigkeit von Umform-prozessen entscheidend verbessert werden.
Untersuchung einer thermisch unterstützten Fertigungskette zur Herstellung umgeformter Bauteile aus der höherfesten Aluminiumlegierung EN AW-7020
Datum: 06.07.2017
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. habil. Marion Merklein, Prof. Dr.-Ing. R. F. SiInger
Ziel dieser Arbeit war es, einen grundlegenden Beitrag zur Übertragung der Anwendung der Retrogression and Reaging-Behandlung (RRA) zu leisten. Dabei spielt die Herstellung umgeformter Bauteile aus der höherfesten Aluminiumlegierung EN AW-7020 unter Anwendung der Retrogression- und Reaging-Behandlung dargestellt. Die Übertragbarkeit auf eine gesamtheitliche Fertigungskette mit Integration des Umformprozesses in den Ablauf der RRA-Behandlung wird hier diskutiert und eine Empfehlung ausgesprochen. Hierzu werden das mechanische Werkstoffverhalten sowie das Korrosionsverhalten nach den jeweiligen Prozessschritten charakterisiert, um in den untersuchten Grenzen für Temperatur und Zeit während der RRA-Behandlung ein gesamtheitliches Prozessfenster zu erarbeiten.
Dr.-Ing. Nora Unger
Auslegung von Fertigungsprozessen metallischer Kleinstteile vom Band mittels Kaltmassivumformung
Datum: 29.06.2017
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. habil. Marion Merklein, Prof. Dr.-Ing. G. Hirt
Die Blechmikromassivumformung wird als ein vielversprechender Ansatz gesehen, komplexe Geometrien mit vereinfachter Handhabung zu realisieren. Die zentrale Zielsetzung der Arbeit ist der Aufbau eines grundlegenden Verständnisses der Herstellung metallischer Kleinstteile von Bandmaterial. Basierend auf dem Transportprinzip der Folgeverbundblechumformung, ist der Prozess durch ein Streifen als Werkstück charakterisiert, der hauptsächlich in der Blechdicke umgeformt wird. Die Auslegung mit Hilfe der FE-Methode ermöglicht eine gleichzeitige Untersuchung des Mikroumformprozesses und der Bandverformung, um die Genauigkeit des Handhabungssystems zu gewährleisten. Die geeignete Wahl der Prozessparameter und der Einsatz härterer und dünnerer Halbzeuge verbessert die Stoffflusskontrolle und ermöglicht die Erhöhung des Kleinteilvolumens mit gleichzeitiger Erzielung stabilerer massenfertigungsähnlicher Prozesse.
2016
Schädigungs- und Versagensverhalten hochfester Leichtbauwerkstoffe unter Biegebeanspruchung
Datum: 20.12.2016
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. habil. Marion Merklein, Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. A. E. Tekkaya
Hochfeste Leichtbauwerkstoffe werden aufgrund ihres großen Potenzials zur Gewichtseinsparung vermehrt in verschiedensten Industriezweigen eingesetzt. Die ungelöste Herausforderung bei der Verarbeitung dieser Werkstoffe liegt wegen des verringerten Umformvermögens sowie des veränderten Schädigungs- und Versagensverhaltens aktuell vor allem in der Realisierung enger Biegeradien. In der Arbeit wurde daher eine allgemeingültige Methodik zur simulationsbasierten Ermittlung der Schädigung und des Versagens unter Biegebeanspruchung für Werkstoffe mit hohem Leichtbaupotential entwickelt. In diesem Kontext wurde gleichzeitig sowohl in experimentellen als auch simulativen Studien ein grundlegendes Verständnis über die Schädigungs- und Versagensmechanismen beim Biegen geschaffen. Die entwickelte Methodik und die erarbeiteten Erkenntnisse liefern somit einen entscheidenden Beitrag dazu, zukünftig biegedominierte Umformoperationen in der Praxis wirtschaftlich, präzise und prozesssicher zu gestalten sowie die Schädigungs- und Versagenswahrscheinlichkeit bereits im Vorfeld der Fertigung zu prognostizieren und zu verhindern.
Prozessverhalten von Silizium als Werkzeugwerkstoff für das Mikroscherschneiden metallischer Folien
Datum: 14.12.2016
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. habil. Marion Merklein, Prof. Dr.-Ing. M. Schmidt
Der Trend zur weiteren Miniaturisierung und Funktionsintegration elektronischer Produkte und metallischer Bauteile stellt hohe Ansprüche an die Werkzeuge für mechanische Fertigungsverfahren. Da etablierte Herstellmethoden hier an ihre technischen und wirtschaftlichen Grenzen stoßen, wurde im Rahmen dieser Arbeit ein mikrosystemtechnischer Ansatz gewählt, bei dem auf Waferebene Mikroschneidstempel aus Silizium mit Breiten unter 100 µm ätztechnisch gefertigt wurden. Die zentrale Herausforderung bei der Verwendung von Silizium für Werkzeuge ist dessen hohe Sprödheit, die Rissausbreitung und Brüche während des Schneidprozesses begünstigt. Auf Basis experimenteller Untersuchungen und FE-Simulationen wurde ein grundlegendes Verständnis zum Einsatzverhalten von Silizium als Werkzeugwerkstoff zum Mikroscherschneiden dünner Kupfer-folien erarbeitet. Diese Kenntnisse wurden für eine anwendungsangepasste Schneidkantenmodifikation sowie zur Ermittlung und Vermeidung kritischer Prozessfehler genutzt, um eine Erhöhung der Werkzeugstandzeit zu erzielen.
Thermisch unterstützte Umformung von Aluminiumblechen
Datum: 13.12.2016
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. habil. Marion Merklein, Prof. Dr.-Ing. habil. O. Keßler
Aluminiumlegierungen weisen im Vergleich zu Stahl typischerweise ein gerin-geres Umformvermögen auf. Ein Ansatz um die Formgebungsgrenzen von 6xxx-Aluminium zu erweitern, stellt die Verwendung von Tailor Heat Treated Blanks (THTB) dar. Dabei werden die mechanischen Eigenschaften der ebenen Platine durch eine lokale Erwärmung so verän-dert, dass eine für die Umformung optimale Festigkeitsverteilung entsteht.
Im Rahmen dieser Arbeit wurden die Grundlagen für einen Technologietransfer von THTB in eine industrielle Anwendung geschaffen. Neben der Auslegung der Prozesskette und der Erwärmungstechnik lag der Fokus dabei auf der Entwicklung eines ganzheitlichen Materialmodells für die FE-Simulation. Außerdem wurde untersucht, unter welchen Bedingungen die Bildung von Fließfiguren an der Bauteiloberfläche vermieden werden kann. Anschließend wurden die Ergebnisse durch Herstellung von PKW-Außenhautbauteilen aus THTB validiert. Die Arbeit bildet damit die Grundlage zur Planung und Herstellung beliebiger Bauteilgeometrien aus THTB.
Dr.-Ing. Alexander Karimanidis
Virtuelle Absicherung der formgebenden Operation des Nasspressprozesses von Gelege-Mehrschichtverbunden
Datum: 18.07.2016
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. habil. Marion Merklein, Prof. Dr.-Ing. D. Drummer
Bei der Herstellung von Bauteilen aus kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen können infolge einer formgebenden Operation Faserwelligkeiten und Falten entstehen, die zu einer Nichterfüllung der funktionalen Bauteilanforderungen führen. Die im Rahmen dieser Arbeit entwickelte Methodik ermöglicht die Prognose von Faserwelligkeiten und Falten und damit die virtuelle Absicherung der formgebenden Operation im industriellen Umfeld. Durch die Charakterisierung und Modellierung des Biegeverhaltens sowie des Einflusses der Maschenstruktur auf das Formänderungsverhalten konnte die Prognosegüte bezüglich Falten gegenüber dem Stand der Technik verbessert werden. Des Weiteren wurde durch eine experimentelle und simulative Analyse eines neuartigen Rückhaltesystems aufgezeigt, dass dieses eine Faltenbildung verhindern kann. Schließlich wurden für die Validierung der Simulationsmodelle zwei experimentelle Methoden vorgestellt, die eine Charakterisierung des Faserverlaufs in den Zwischenlagen von Mehrschichtverbunden ermöglichen.
Dr.-Ing. Thomas Senner
Einsatz technologischer Versuche zur Erweiterung der Versagensvorhersage bei Karosseriebauteilen aus AHSS
Datum: 24.05.2016
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. habil. Marion Merklein, Prof. Dr.-Ing. K. Roll
Die Herstellung von Karosseriebauteilen aus hoch- oder höchstfesten Stählen wird aufgrund der zumeist ungenügenden Versagensvorhersagegenauigkeit in der FE-Simulation erschwert. Typische Werkstoffcharakterisierungen berücksichtigen prozessspezifische Umformbelastungen wie reine oder überlagerte Biegung, die gerade beim Einsatz dieser Werkstoffe eine entscheidende Rolle spielen, aktuell nicht ausreichend.
Gängige Versagenskriterien bedürfen daher einer entsprechenden Ergänzung. Der Einsatz von Grenzspannungskurven, die in der Arbeit auf Basis einer prozessnahen Werkstoffcharakterisierung und unter Berücksichtigung des Versagensverhaltens unter Biegebelastungen definiert werden, erlaubt dem Anwender die Bewertung des Rissrisikos bereits in einer frühen Phase der Bauteilentwicklung. Zur Definition entsprechender Grenzkurven wird das ex-perimentelle Vorgehen und die Bestimmung kritischer Spannungen im technologischen Versuch sowie die Übertragung auf die Grenzkurve entwickelt und vorgestellt.
Erarbeitung von Grundlagen zur Abbildung des tribologischen Systems in der Umformsimulation
Datum: 11.04.2016
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. habil. Marion Merklein, Prof. Dr.-Ing. A. Brosius
Markante Geometrien in der Außenhaut von Fahrzeugen stellen hohe Anforderungen an die umformtechnische Herstellung von Karosseriebauteilen. Für die Machbarkeitsuntersuchung dieser Bauteile ist es erforderlich, den Umformvorgang möglichst realitätsnah in der FE-Simulation abzubilden. Die tribologischen Bedingungen des Umformvorgangs werden derzeit mit einer konstanten Reibzahl modelliert. Dies stellt eine grobe Vereinfachung dar. Daher wurde im Rahmen dieser Arbeit ein analytischer Zusammenhang zwischen der Reibzahl und dem Haupteinflussfaktor, dem Kontaktdruck, entwickelt. Dieser wurde zunächst anhand von Untersuchungen an Modellversuchen validiert. Anschließend erfolgte eine Verifizierung des Ansatzes durch Versuche an realen Karosseriebauteilen. Durch den analytischen Zusammenhang der Reibzahl wird die Vorhersagegenauigkeit der Umformsimulation im Vergleich zur Modellierung mit einer konstanten Reibzahl erhöht und somit kann die Prozesssicherheit innerhalb der Serienfertigung gewährleistet werden.
Umformtechnische Herstellung dünnwandiger Funktionsbauteile aus Feinblech durch Verfahren der Blechmassivumformung
Datum: 07.04.2016
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. habil. Marion Merklein, Prof. Dr.-Ing. B.-A. Behrens
Die zentrale Zielsetzung der Arbeit war der Aufbau eines ganzheitlichen Verständnisses der Herstellung dünnwandiger Funktionsbauteile aus Blech durch Blechmassivumformprozesse, um damit die Leistungsfähigkeit umform-technischer Verfahren zu steigern. Im Gegensatz zu bekannten mehrstufigen Verfahrenskombinationen wurde in diesem Zusammenhang das Potenzial einstufiger Prozessführungsstrategien identifiziert. Dabei konnte erstmalig gezeigt werden, dass die Kombination von Tiefziehen und Stauchen zur Herstellung verschiedenartiger Funk-tionsbauteile aus Blechhalbzeugen geeignet ist. Die zu Grunde liegenden Formgebungsgrenzen sowie funktionale Zusammenhänge zwischen Werkzeugdesign, Prozessparametern und Bauteil-eigenschaften wurden ermittelt. Darüber hinaus wurde nachgewiesen, dass durch geeignete Wahl der Prozessparameter und durch Definition von Prozessführungsstrategien unter Einsatz von Tailored Blanks und Tailored Surfaces die Verbesserung der Bauteilqualität und der Ressourceneffizienz erzielbar ist.
2015
Beitrag zur Untersuchung der tribologischen Bedingungen in der Blechmassivumformung – Bereitstellung von Modellversuchen und Realisierung von Tailored Surfaces
Datum: 07.12.2016
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. habil. Marion Merklein, Prof. Dr.-Ing. habil. K. Willner
Im Rahmen der Forschungsarbeit wurde eine Versuchsmethodik zur Untersuchung der tribologischen Bedingungen in der Blechmassivumformung entwickelt. Mittels der gezielt angepassten Versuche Zapfenpressen und Ringstauchen ist es, im Zusammenspiel mit dem Streifenziehversuch, nun erstmalig möglich, verschiedene Belastungskollektive der Blech- und Massivum-formung unter realitätsnahen Bedingungen bezüglich tribologischer Aspekte zu untersuchen und die Bestimmung von Reibzahl und Reibfaktor bei Verwendung des gleichen blechförmigen Halbzeugs für die Blechmassivumformung durchzuführen. Ausgehend von dieser Methodik wurden verschiedene tribologische Systeme, bestehend aus unterschiedlichen Schmierstoffen und Werkstückoberflächen, untersucht. Darauf aufbauend wurden Empfehlungen für ein geeignetes tribologisches System abgeleitet. Weiter konnte gezeigt werden, dass mittels Tailored Surfaces, lokal angepassten Werkstückoberflächen, der Stofffluss und die Formfüllung in der Blechmassivumfor-mung gezielt verbessert werden können.
Grundlegende Untersuchungen zur Herstellung zyklisch-symmetrischer Bauteile mit Nebenformelementen durch Blechmassivumformung
Datum: 04.12.2015
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. habil. Marion Merklein, Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. A. E. Tekkaya
Die neue Prozessklasse der Blechmassivumformung stellt hohe Anforderungen an die Prozess- und Werkzeugauslegung. Zu Beginn der Arbeit waren für einen derartigen Prozess weder die Prozesseinflussgrößen noch Auslegungskriterien bekannt. Gegenstand der Untersuchungen ist ein Modellprozess zum Fließpressen, bei dem eine umlaufende Verzahnung an einer Blechronde mit einer Dicke von 2,0 und 3,0 mm hergestellt wird. Da sich die Realisierung einer adäquaten Formfüllung aufgrund der hohen erforderlichen Prozesskräfte als Herausforderung herauskristallisiert hat, wurden verschiedene Möglichkeiten zur Steuerung des Werkstoffflusses entwickelt und auf ihre Wirksamkeit getestet. Vielversprechend ist dabei die Steuerung des Stoffflusses durch eine lokale Anpassung der tribologischen Bedingungen. Eine im Rahmen der Arbeit angewandte Methode zur Prozessmodellierung umfasst zudem die Erstellung eines parametrischen Modells des betrachteten Prozesses. Mit Hilfe der Monte-Carlo-Methode ist es damit erstmals möglich, bei bekannten Einflussgrößenstreuungen die zu erwartenden Zielgrößenstreuungen für Blechmassivumformprozesse zu berechnen.
Einfluss der Oberflächenbeschaffenheit auf das Werkzeugeinsatzverhalten beim Kaltfließpressen
Datum: 30.11.2015
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. habil. Marion Merklein, Prof. Dr.-Ing. B. Denkena
Die Arbeit untersuchte die Zusammenhänge zwischen der Werkzeugherstellung, der Oberflächenbeschaffenheit und dem resultierenden Einsatzverhalten von Werkzeugen für das Kaltfließpressen. Gegenübergestellt wurden konventionelle Prozessketten sowie angepasste Verfahrensabfolgen für die Bearbeitung von Werkzeugen aus Hartmetall und Schnellarbeitsstahl. In Laborversuchen wurde ein ausgeprägter Einfluss der Größe oberflächennaher Defekte sowie der oberflächennahen Eigenspannungen auf das Ermüdungsverhalten nachgewiesen. Für das tribologische Einsatzverhalten ist die Oberflächentopografie maßgeblich. Aus den ermittelten funktionalen Zusammenhängen wurden Prozessketten abgeleitet, die ein vorteilhaftes Einsatzverhalten bewirken. Als zielführende Stellhebel wurden die Substitution des Senkerodierens durch das Schleifen für die Erzeugung der Werkzeuggeometrie, die Integration von Strahlprozessen sowie der Übergang von manuellen auf automatisierte Polierverfahren identifiziert. In industriellen Standmengenuntersuchungen erfolgte zudem ein Nachweis der Übertragbarkeit der funktionalen Zusammenhänge auf industrielle Fließpressprozesse.
Dr. Kolja Andreas
Herstellung beanspruchungsangepasster Aluminiumblechhalbzeuge durch eine maßgeschneiderte Variation der Abkühl-geschwindigkeit nach Lösungsglühen
Datum: 26.11.2015
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. habil. Marion Merklein, Prof. Dr.-Ing. M. Schmidt
Ausscheidungshärtbare Aluminiumlegierungen gehören aktuell zu den wichtigsten Leitbauwerktstoffen und finden daher Anwendung in nahezu allen Facetten des täglichen Lebens. Bei den meisten Produkten, beginnend vom Smartphone bis zu Großraumflugzeugen wie dem Airbus A380, ist allerdings das begrenzte Formgebungsvermögen der Werkstoffe eine bisher ungelöste Herausforderung. Im Rahmen dieser grundlagenwissenschaftlichen Arbeit wurde daher ein neues und innovatives Verfahren zur Verbesserung der Umformbarkeit entwickelt. Bei der patentierten Technologie der Tailor Quenched Blanks werden durch eine lokal maßgeschneiderte Variation der Abschreckgeschwindigkeit nach Lösungsglühen die mechanischen Eigenschaften definiert an den gewünschten Anwendungsfall belastungsoptimiert ausgelegt. Durch die erarbeiteten Erkenntnisse wird ein essentieller Beitrag geleistet, um zukünftig die Qualitäts- und Individualitätsansprüche des Kunden bei gleichzeitiger Schonung der Umwelt zu erfüllen.
Untersuchungen zur Herstellung von funktionsoptimierten Bauteilen im partiellen Presshärtprozess mittels lokal unterschiedlich temperierter Werkzeuge
Datum: 31.08.2015
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. habil. Marion Merklein, Prof. Dr.-Ing. habil. M. Schaper
Die Blechmikromassivumformung wird als ein vielversprechender Ansatz gesehen, komplexe Geometrien mit vereinfachter Handhabung zu realisieren. Die zentrale Zielsetzung der Arbeit ist der Aufbau eines grundlegenden Verständnisses der Herstellung metallischer Kleinstteile von Bandmaterial. Basierend auf dem Transportprinzip der Folgeverbundblechumformung, ist der Prozess durch ein Streifen als Werkstück charakterisiert, der hauptsächlich in der Blechdicke umgeformt wird. Die Auslegung mit Hilfe der FE-Methode ermöglicht eine gleichzeitige Untersuchung des Mikroumformprozesses und der Bandverformung, um die Genauigkeit des Handhabungssystems zu gewährleisten. Die geeignete Wahl der Prozessparameter und der Einsatz härterer und dünnerer Halbzeuge verbessert die Stoffflusskontrolle und ermöglicht die Erhöhung des Kleinteilvolumens mit gleichzeitiger Erzielung stabilerer massenfertigungsähnlicher Prozesse.
Entwicklung einer Methode zur Prognose adhäsiven Verschleißes an Werkzeugen für das direkte Presshärten
Datum: 04.08.2015
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. habil. Marion Merklein, Prof. Dr.-Ing. A. Brosius
Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine Methodik zur Prognose adhäsiven Verschleißes an Werkzeugen für das direkte Presshärten entwickelt. Es wurden die für den adhäsiven Verschleiß relevanten Prozessparameter Blechtemperatur und Flächenpressung in Abhängigkeit der Wärmebehandlung des eingesetzten Halbzeugs untersucht und in eine Formulierung zur Berechnung der Verschleißhöhe überführt. Ein weiterer Schwer-punkt der Arbeit war die Identifikation des Schädigungsverhaltens der eingesetzten Halbzeugbeschichtung, welche einen Haupteinfluss auf den sich einstellenden adhäsiven Übertrag darstellt. Nur durch den in dieser Arbeit entwickelten Ansatz kann eine qualitativ hinreichend genaue Prognose des sich auf Werkzeugen für das direkte Presshärten einstellenden adhäsiven Verschleißes durchgeführt werden. Dieser Ansatz kann als Grundlage zur Erweiterung auf unterschiedliche Werkzeugwerkstoffe genutzt werden, wodurch eine Identifikation des Werkzeugbereichs mit der höchsten Verschleißbeanspruchung ermöglicht wird.
Qualifizierung des Potentials von Verfestigungseffekten zur Erweiterung des Umformvermögens aushärtbarer Aluminiumlegierungen
Datum: 20.07.2015
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. habil. Marion Merklein, Prof. Dr.-Ing. habil. K. Willner
Der Fokus dieser Arbeit lag in der Verfestigung aushärtbarer Aluminiumlegierungen der 6000er Serie sowie der Qualifizierung des Einsatzpotentials für die Umformtechnik. Auf Basis der statistischen Versuchsplanung wurden zunächst die Haupteinflussparameter der Wärmebehandlung zur Verfestigung identifiziert und ihre Wirkung auf die Festigkeitssteigerung quantifiziert. Ein Schwerpunkt der Arbeit lag in der methodischen Ausarbeitung eines Prozessfensters zur Einstellung thermisch induzierter Verfestigungseffekte. Unter Berücksichtigung unterschiedlicher, teilweise entgegengesetzt wirkender Einflussparameter konnte mit dem Prozessfenster eine effiziente und reproduzierbare Wärmebehandlung sicher-gestellt werden. Eine signifikante Verfestigung wurde bei gleichzeitig hohem Dehnungsvermögen des Werkstoffes realisiert. Bei der Herstellung angepasster Blechplatinen, sog. Tailor Heat Treated Blanks, mit maßgeschneiderten Werkstoffeigenschaften ist es somit möglich, ein größeres Eigenschaftsspektrum mit Hilfe des erarbeiteten Prozessfensters einzustellen und dadurch die Umformbarkeit dieser Halbzeuge zu höheren Werten zu verschieben.
Grundlegende Untersuchungen zur Verschleißcharakterisierung beschichteter Kaltmassivumformwerkzeuge
Datum: 07.07.2016
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. habil. Marion Merklein, Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. A. E. Tekkaya
Im Rahmen dieser Arbeit wurden die Grundlagen für eine objektive Verschleißcharakterisierung beschichteter Kaltmassiv-umformwerkzeuge gelegt. Die Schwerpunkte der Arbeit waren die Entwicklung eines neuartigen, anwendungsnahen Verschleißversuchs und eines gezielt für die Charakterisierung von Verschleiß entwickelten Ansatzes zur Auswertung der Werkzeugoberflächen. Die entwickelte Auswertemethodik ermöglicht die Bestimmung der dominant wirkenden Verschleißmechanismen und eine Quantifizierung des Verschleißbetrags. Auf der Grundlage der Verschleißcharakterisierung ist ein objektiver Vergleich des Verschleißverhaltens der beschichteten Werkzeugoberflächen und somit ein beanspruchungsgerechter Einsatz der Beschich-tungen möglich. Die auf diese Weise erzielte Erhöhung der Werkzeuglebensdauer bietet erhebliches Potential zur Reduzierung der Werkzeugkosten in umformtechnischen Betrieben.
Erstellung eines werkstofforientierten Fertigungsprozessfensters zur Steigerung des Formgebungsvermögens von Aluminiumlegierungen unter Anwendung einer zwischengeschalteten Wärmebehandlung
Datum: 30.06.2015
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. habil. Marion Merklein, Prof. Dr.-Ing. K. Roll
Aluminiumlegierungen weisen werkstoffbedingte Formgebungsgrenzen auf, die den Einsatz als Karosseriebauteile bei den gegebenen Anforderungen begrenzen. Im Rahmen der Arbeit wurde die neue Prozesstechnologie der zwischengeschalteten Wärmebehandlung vorgestellt und deren Potential zur Steigerung der Versagensgrenzen am Bsp. der naturharten Aluminiumlegierung AA5182 detailliert untersucht. Die zentrale Zielsetzung dabei war ein grundlegendes Verständnis der temperatur- und vordeh-nungsabhängigen Werkstoff- und Umformeigenschaften zu erarbeiten. Die Prozessstrategie wurde anhand von zwei verschiedenen Erwärmungsstrategien, der globalen Ofen- und der lokalen Induktionserwärmung, unter Beachtung großserientauglicher Randbedingungen bewertet. Aus den Ergebnissen wurde ein werkstofftechnisches Fertigungsprozessfenster definiert. Des Weiteren wird ein Methodenansatz zur Berück-sichtigung der erzielten Werkstoffeigenschaften in der industriellen FE-Simulation vorgestellt. Die Übertragung auf die Herstellung seriennaher Bauteilgeometrien rundet die Arbeit ab.
Dr.-Ing. Kathleen Klaus
2014
Sensitivitätsanalyse des 3-Rollen-Schubbiegens auf Basis der Finite Elemente Methode
Datum: 15.12.2014
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. habil. Marion Merklein, Prof. Dr.-Ing. J. Franke
Das 3-Rollen-Schubbiegen stellt einen modernen, flexiblen Biegeprozess dar. Im Gegensatz zu konventionellen werkzeuggebundenen Biegeprozessen besteht die Möglichkeit, 3-dimensionale Bauteile mit beliebigen Krümmungs- und Torsionsverläufen herzustellen. Einer weit verbreiteten Anwendung stehen jedoch eine Reihe ungelöster Fragen entgegen. So ist es von zentraler Bedeutung, die Schwankungen der Bauteilgeometrie beherrschen zu können.
Im Rahmen der Arbeit wurden die Schwankungen der geometrischen und mechanischen Eingangsgrößen quantifiziert und deren Auswirkungen auf das Biegeergebnis durch numerische Simulation ermittelt. Ein Schwerpunkt lag dabei auf der Untersuchung 3-dimensionaler Biegevorgänge. Des Weiteren wurden die am Prozess beteiligten Wirkmechanismen und ihrer Beeinflussung durch die Störgrößen dargestellt. Es konnte gezeigt werden, wie sich eine Veränderung der verschiedenen Eingangsgrößen auf die Ausprägung der Wirkmechanismen und somit die Bauteilgeometrie auswirkt.
Erweiterung und Verbesserung von Versuchs- und Auswertetechniken für die Bestimmung von Grenzformänderungskurven
Datum: 02.12.2014
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. habil. Marion Merklein, Prof. Dr.-Ing. M. Schmidt
Ziel der Arbeit ist die Erweiterung und Verbesserung von Versuchs- und Auswertetechniken für die Bestimmung von Grenzformänderungskurven. Dazu wurden signifikante Einflussfaktoren identifiziert und deren Effekte quantifiziert. Neben umfassenden Untersuchungen zur Reibung und zum Biegeeinfluss auf die Proben wurde eine neue zeitbasierte Auswertemethode vorgestellt und diese mit Realbauteilen validiert. Des Weiteren wurden Untersuchungen zur Durchführung von Versuchen mit Nakajima-Werkzeug bei erhöhten Temperaturen erarbeitet. Diese Ergebnisse können genutzt werden, um zuverlässig und reproduzierbar temperaturabhängige Grenzformänderungskurven aufzunehmen. Thermographieaufnahmen haben dabei das Prozessverständnis unter Berücksichtigung der Temperatur vertieft und den Versuchsablauf für eine homogene Temperaturverteilung in der Probe verbessert. Damit wurden industrierelevante Bedingungen für die Verbesserung der Werkstoffcharakterisierung geschaffen.
Hochdruck-Blechumformung mit formlos festen Stoffen als Wirkmedium
Datum: 17.11.2014
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. habil. Marion Merklein, Prof. Dr.-Ing. R. Kolleck
Die Verwendung von formlos festen Stoffen in Form von keramischem, kugeligem Strahlmittel ermöglicht es, die Vorteile einer Halbwarmumformung von höchstfesten Stahlwerkstoffen mit den Vorteilen der Hochdruck-Blechumformung zu vereinen. Gleichzeitig weist diese Wirkmedienklasse eine deutlich geringere Gefahr von Leckage, verglichen mit Gasen oder Flüssigkeiten, auf. Das Wirkmedium muss bei der numerischen Prozessauslegung jedoch selbst abgebildet werden, da es keinen hydrostatischen Spannungszustand aufweist. Im Rahmen der durchgeführten Untersuchungen wurde ausgehend von der Bruchfestigkeit von Einzelpartikeln über die Beschreibung des Wirkmediums als Kontinuum für die numerische Simulation und die Charakterisierung der Platinenwerkstoffe in Abhängigkeit der Temperatur ein Prozessmodell für die Umformung von Platinen mit formlos festen Stoffen als Wirkmedium entwickelt und anhand von Umformversuchen validiert. Durch die Halbwarmumformung und die Möglichkeit die Niederhalterkräfte signifikant zu reduzieren, konnte die Ausformung von Bauteilen aus höchstfestem Stahl deutlich gesteigert werden.
Beanspruchungserfassung für die Validierung von FE-Modellen zur Auslegung von Massivumformwerkzeugen
Datum: 16.09.2014
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. habil. Marion Merklein, Prof. Dr.-Ing. A. Brosius
Im Rahmen der Arbeit wurde eine Methodik zur Datenerfassung für die verbesserte Validierung von FE-Modellen entwickelt. Durch diese wird die Vorhersagegenauigkeit der Werkzeugbeanspruchung durch das FE-Modell signifikant verbessert. Damit ist es möglich, hochbeanspruchbare Werkzeuge mit hoher Genauigkeit auszulegen. Dies stellt eine wesentliche Grundvoraussetzung für die Umformung von stark kaltverfestigenden Werkstoffen, beispielsweise druckaufgestickten Stählen, dar. Durch den Einsatz dieser Werkstoffgruppe ist es möglich, Bauteile mit hoher Festigkeit und erweitertem Einsatzspektrum herzustellen, ohne dabei auf eine Wärmebehandlung zurückgreifen zu müssen. Dadurch können negative Begleiterscheinungen einer Wärmebehandlung, unter anderem die Verschlechterung der Oberflächengüte und Maßhaltigkeit, komplett vermieden werden. Zudem konnte gezeigt werden, dass die aus druckaufgestickten Stählen hergestellten Komponenten eine wesentlich höhere Festigkeit besitzen als aus konventionellen Werkstoffen hergestellte und wärmbehandelte Bauteile.
Versagensprognose bei der Prozesssimulation von Biegeumform- und Falzverfahren
Datum: 22.04.2014
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. habil. Marion Merklein, Prof. Dr.-Ing. K. Roll
Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine simulationsgestützte Methode zur Identifikation von Prozessgrenzen für das Biegeumform- und Falzverfahren entwickelt. Für eine grundlegende Bewertung der Abbildungsgenauigkeit des Simulationsmodells waren qualitative und quantitative Referenzmerkmale entscheidend, die für den geplanten Untersuchungsumfang erforderlich waren. Aus diesem Grund wurden die mechanischen Biegeeigenschaften charakterisiert sowie die Versagensgrenzen des eingesetzten Werkstoffs phänomenologisch untersucht. Um die aus den experimentellen Biegeuntersuchungen detektierten Versagenszustände simulativ abbilden zu können, wurde ein phänomenologisches Versagensmodell in die FE-Simulation eingebunden. Die Übertragung des entwickelten Simulationsmodells auf Basis eines 3-Punkt-Biege-versuchs auf die Fertigungsprozesse Roll- und Backenfalzen wurde des Weiteren im Rahmen dieser Arbeit umgesetzt. Die Ergebnisse zeigen, dass die angewendete Modellierungsstrategie zur Entwicklung von Falzprozessen eine Möglichkeit bietet, Falz-verfahren und Falzwerkzeuge sowie falzrelevante Produkte zu optimieren
Dr.-Ing. Martin Zubeil
Simulative Prognose der Geometrie indirekt pressgehärteter Karosseriebauteile für die industrielle Anwendung
Datum: 20.03.2014
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. habil. Marion Merklein, Prof. Dr.-Ing. K. Roll
Die simulative Absicherung der Bauteilendgeometrie und der mechanischen Eigenschaften indirekt pressgehärteter Karosseriebauteile mittels Finite-Elemente-Methode sind zentrale Teilaspekte bei der Fahrzeugentwicklung. Mit dem in dieser Arbeit entwickelten thermo-mechanisch-metallphysi-kalisch gekoppelten Materialmodell können die thermo-mechanischen Randbedingungen des indirekten Presshärteprozesses sowie die Phasenumwandlungsmechanismen realitätsnah abgebildet werden. Dies ermöglicht die Prognose der Bauteilendgeometrie. Weiterhin wird auf Basis der Informationen zur Art, Menge und Verteilung der Phasen im Endgefüge die Prognose der resultierenden mechanischen Bauteileigenschaften ermöglicht. Mit dem Einsatz des Materialmodells im industriellen Umfeld kann überdies die Umsetzung simulationsbasierter geometrischer Kompensationsmaßnahmen abgesichert werden. Zur Auslegung des Gesamtfahrzeuges hinsichtlich der passiven Sicherheit wird außerdem eine Methode zur Übertragung der resultierenden mechanischen Bauteileigenschaften auf die FE-Netze der Crashsimulation vorgestellt.
Dr.-Ing. Paul Hippchen
Rechnergestützte Auslegung von Festphasenfügeprozessen
Datum: 04.03.2014
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. habil. Marion Merklein, Prof. Dr. L. Fratini
Klassische Schweißprozesse basieren auf dem Aufschmelzen der zu verbindenden Werkstoffe. Dabei können verschiedene Defekte aufgrund von Problemen bei der Erstarrung, der Deformation der Schweißnaht und metallurgischer Unregelmäßigkeiten in der Schweißnaht auftreten. Im Gegensatz dazu ermöglichen Festphasenfügeprozesse defektfreie Verbindungen mit geringen Eigenspannungen und reduziertem Verzug. Diese Prozesse sind aber durch einen die Auslegung erschwerenden, komplexen Materialflusses gekennzeichnet. Das Ziel dieser Forschungsarbeit war die rechnergestützte Untersuchung von zwei Festphasenfügeprozessen, dem linearen Reibschweißen (LFW) zum Fügen nicht achsensymmetrischer Bauteile und dem Accumulative Roll Bonding (ARB) zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften von Blechwerkstoffen. Der Einfluss der Prozessparameter auf die finale Produktqualität wurde experimentell untersucht, ein Prozessfenster ermittelt und die für den Aufbau und die Validierung des numerischen Modells erforderlichen Daten erhoben. Mit den Modellen wurden weitere Untersuchungen zu Einflüssen und Prozessparametern durchgeführt.
Dr. M. Sc. Davide Campanella
2013
Wirkmedienbasierte Umformung von Blechhalbzeugen unter Anwendung magnetorheologischer Flüssigkeiten als kombiniertes Wirk- und Dichtmedium
Datum: 18.12.2013
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. habil. Marion Merklein, Prof. Dr.-Ing. habil. K. Willner
Ziel der Arbeit war die Erweiterung desProzessfensters der wirkmedienbasiertenUmformung von Einzelblechen. Dies wurdedurch die Verwendung einer magnetorheologischenFlüssigkeit und das gleichzeitigeAufbringen eines externen magnetischenFeldes erreicht. Die Suspension fungiertdabei sowohl als Wirk-, als auch als Dichtmedium.Die in der Aktivierung des magnetorheologischenEffekts begründete Verlagerungder Dichtgrenze, die eine maßgeblicheEinschränkung des Prozessfensters darstellt,führt zu gesteigerter Prozessrobustheitund erhöhten Formgebungsgrenzen.Zur Charakterisierung der Fluideigenschaftenwar es nötig, eine qualifizierte Werkzeug-und Systemtechnik aufzubauen. DieEntwicklung der Prüfstände und der Abgleichder experimentellen Ergebnisse erfolgtemithilfe der dreidimensionalen, numerischenSimulation der magnetischenFelder, der Leckagen und der Umformprozesse.Abschließend wurden die gewonnenenErkenntnisse in Form einer Methodikzur Auslegung von Hochdruckblechumformprozessenmit magnetorheologischerFlüssigkeit zusammengefasst.
Untersuchungen der Effekte und Wechselwirkungen charakteristischer Einflussgrößen auf das Umformverhalten bei Mikroumformprozessen
Datum: 18.12.2013
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. habil. Marion Merklein, Prof. Dr.-Ing. M. Schmidt
Das Ziel der Arbeit war eine Qualifizierungund Quantifizierung von Effekten undWechselwirkungen, die sich bei einer Miniaturisierungvon Umformprozessen in denMikrobereich einstellen. Bislang wurdenauftretende Miniaturisierungseffekte meistisoliert anhand einzelner Prozessparameteruntersucht. Mit dieser Untersuchung wurdendie Wechselwirkungen mehrerer charakteristischerProzessparameter (Temperatur,Korngröße, Schmiermittel, Umformgeschwindigkeitund Stempelgröße) auf dasUmformverhalten bei einer Miniaturisierungerfasst. Mit Hilfe eines vollfaktoriellen Versuchsplanswurden bei einem Vollrückwärtsfließpressenfür die verschiedenen Parameterkombinationendie erreichbaren Zapfenhöhengegenübergestellt. Damit konntenunterschiedliche Einflüsse auf das Formänderungsverhaltenermittelt und beschriebenwerden. Neben der Untersuchung der Wechselwirkungenwar die Konzipierung undKonstruktion des Versuchswerkzeugs eingrundlegender Bestandteil der Arbeit.
Konzept zur Beherrschung der Prozessschwankungen im Presswerk
Datum: 16.12.2013
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. habil. Marion Merklein, Prof. Dr. P. Hora
Die immer komplexer werdenden Design-,Crash- und Gewichtsanforderungen an dieKarosserieteile der Automobilindustrie führenzu immer kleineren Prozessfenstern, indenen Bauteile mit guter Qualität produziertwerden. Minimale Schwankungen der Einflussgrößenkönnen somit zum Versagen derBauteile führen. Ziel der Arbeit war dieEntwicklung eines Konzeptes, anhand dessenautomatisiert auf die prozessbedingtenSchwankungen im Presswerk reagiert werdenkann, um Bauteile guter Qualität zuproduzieren. Hierzu wurden geeigneteMesstechniken zur Erfassung signifikanterEinflussparameter in der Serienproduktionermittelt und weiterqualifiziert. Anhand desfür die Serienproduktion entwickelten undanschließend dort integrierten gesamtheitlichenMesssystems konnten die Einflussparameterjedes einzelnen Hubes über zahlreicheAbpressungen eines Serienbauteils aufgezeichnetund im Anschluss analysiertwerden. Diese Vorgehensweise ermöglichteerstmals eine Untersuchung der Wirkzusammenhängeder zeitabhängigen Einflussparameterund die Definition möglicherKontroll- und Stellgrößen des Prozesses füreinen automatischen Regelkreis.
Dr.-Ing. Anja Neumann
Mikrostrukturelle und mechanischtechnologische Eigenschaften widerstandspunktgeschweißter Aluminium- Stahl-Verbindungen für den Fahrzeugbau
Datum: 04.12.2013
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. habil. Marion Merklein, Prof. Dr.-Ing. habil. M. Schaper
Im Rahmen der Arbeit wurde das Widerstandspunktschweißenvon Aluminium-Stahl-Verbindungen mit Hilfe von Prozessbändernbetrachtet. Aufgrund hochfesterWerkstoffkonzepte stoßen bewährte mechanischeFügetechnologien an ihre Grenzen.Durch die Variation der Schweißparameterund Anlageneinstellungen wurden intermetallischePhasen gezielt ausgebildet undreproduzierbare Verbindungseigenschafteneingestellt. Der Einfluss von Legierungskonzeptenund Beschichtungen auf die Phasenbildungkonnte mit Hilfe von Elektronenmikroskop,Element-, Beugungsgitteranalyseund der Charakterisierung von mechanisch-technologischen Verbindungskennwertendargestellt werden. Das zentraleZiel dabei war, ein grundlegendes Verständnisfür den Schweißprozess zu bekommenund die wesentlichen Einflussfaktorenauf die Phasenbildung zu identifizieren.Weiterhin konnte der Schweißprozessablaufin einer Simulation abgebildetwerden. Dadurch ist eine Vorhersage desAusbildungsbereichs von intermetallischenPhasen möglich, was wiederum Rückschlüsseauf die Verbindungseigenschaften zulässt.
Dr.-Ing. Christian Neudel
Einfluss von Chargenschwankungen auf die Verarbeitungsgrenzen von Stahlwerkstoffen
Datum: 19.11.2013
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. habil. Marion Merklein, Prof. Dr.-Ing. S. Wartzack
Durch die zunehmende Komplexität vonKarosseriebauteilen ist das Prozessfensterfür deren fehlerfreie Herstellung so begrenzt,dass Streuungen der Werkstoffeigenschaftenim Serienprozess zu Ausschussführen können.Ziel dieser Arbeit war es, eine Vorgehensweisezur effizienten Ermittlung der Auswirkungender signifikanten streuendenWerkstoffeigenschaften auf das Umformergebniszu erarbeiten. Die Gestaltung einesrobusten Serienprozesses ist dadurch bereitsin der Prozessauslegung möglich.Dazu wurde zunächst die Streuung der Eigenschaftenvon weichen Stahlwerkstoffenin Standard- und erweiterten Prüfverfahrenerfasst. Diese Kenntnisse wurden verwendet,um die Auswirkungen auf das Umformergebnisanhand von Versuchsgeometrienin Simulation und Realität zu untersuchen.Um die Ergebnisse auf den Umformprozessbeliebiger Geometrien übertragen zu können,wurde eine Systematik des Zusammenhangszwischen Einflussgröße und Umformergebniserarbeitet. Diese wurde in Realversuchenmit komplexen Karosseriebauteilenbestätigt.
Herstellung prozessangepasster Halbzeuge mit variabler Blechdicke durch die Anwendung von Verfahren der Blechmassivumformung
Datum: 17.07.2013
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. habil. Marion Merklein, Prof. Dr.-Ing. A. Brosius
Die Zielsetzung der Arbeit bestand in der umformtechnischen Herstellung prozessangepasster Ronden variabler Blechdicke durch Verfahren der Blechmassivumformung, womit die Anwendung von Massivumformverfahren auf Blechhalbzeuge beschrieben wird. Infolge der räumlichen Formänderung flächenhafter Halbzeuge resultieren zeitgleich wirkende dreiachsige Dehnungs- und Spannungszustände. Die Herausforderungen liegen im Auftreten hoher Prozesskräfte und der gezielten Steuerung des Stoffflusses. Im Rahmen der Untersuchungen
kamen die Umformverfahren Stauchen, Taumeln und Walzen zum Einsatz, welche sich durch die wirkenden Kontaktverhältnisse und die resultierenden Prozesskräfte sowie die Möglichkeit zur Beeinflussung des Stoffflusses abgrenzen. Im Rahmen der Arbeit wurden die Einflüsse verschiedener Prozessparameter untersucht und ein grundlegendes Prozessverständnis für die Herstellung von Blechronden variabler Blechdicke unter Berücksichtigung der Umformcharakteristika aufgebaut.
Seriennahe Auslegung der Prozesskette zur wärmeunterstützten Umformung von Aluminiumblechwerkstoffen
Datum: 14.06.2013
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. habil. Marion Merklein, Prof. Dr.-Ing. K. Roll
Das Ziel der Arbeit war es, unter Berücksichtigunggroßserientechnischer Rahmenbedingungendie Basis für eine wirtschaftlicheund effektvolle Auslegung der Erweiterungdes Formänderungsvermögens vonAluminiumblechformteilen durch Verwendungder wärmeunterstützten Umformungzu schaffen. Im Rahmen der Arbeit wurdedeshalb eine technische und wirtschaftlicheBewertung verschiedener partieller Erwärmungsverfahrendurchgeführt. Daraufhinwurde die bis zu diesem Zeitpunkt weniguntersuchte induktive Flächenerwärmungaufgrund ihres großen Potentials Grundlagenuntersuchungenunterzogen. Ergänzendsind verschiedene temperaturbeständigeSchmierstoffe Tests zur Charakterisierungdieser unterzogen worden, um so das Prozessfensterder wärmeunterstützten Umformungder Aluminiumlegierung EN AW-5182 definieren zu können. Damit das Verfahrenunter großserientechnischen Randbedingungenangewendet werden kann, wurdeeine methodische Vorgehensweise erarbeitet,mit der es möglich ist, die wärmezubehandelndenBereiche numerisch für beliebigeBlechformteile zu bestimmen.
Dr.-Ing. Andreas Sulzberger
Entwicklung und Qualifizierung eines Schneidclinchverfahrens
Datum: 24.04.2013
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. habil. Marion Merklein, Prof. Dr.-Ing. O. Hahn, Prof. Dr.-Ing. K. Roll
Die mechanischen Fügetechnologien stoßenzunehmend an ihre Verfahrensgrenzen,wenn es um das Verbinden von Aluminiumblechwerkstoffenmit höchstfesten Stahlwerkstoffengeht. Im Rahmen dieser Arbeitwurde das Schneidclinchen zur Erweiterungder Verfahrensgrenzen mechanischer Fügetechnologienfür das Verbinden höchstfesterStahlgüten in Mischbauweise entwickelt. InAbgrenzung zu den bisherigen Fügeverfahrenkommt das Schneidclinchen ohne Fügeelementeaus und es sind keine zusätzlichenProzessschritte zur Bauteilvorbereitung,wie Vorlochoperationen, notwendig.Die numerischen und experimentellen Untersuchungendieser Arbeit schaffen eingrundlegendes Prozessverständnis zumFunktionsprinzip und zum Einsatzpotentialdieser Technologie.
Dr.-Ing. Stephan Busse
2012
Analyse und Beschreibung des mechanischen Werkstoffverhaltens von presshärtbaren Bor-Manganstählen
Datum: 18.12.2012
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. habil. Marion Merklein, Prof. Dr.-Ing. R. Kolleck
Ziel der Arbeit war die Steigerung der Abbildungsgenauigkeit von Umformprozessen, folgend dem Temperatur-Zeit-Zyklus des direkten Presshärtens. Bedingt durch die Auskühlung der Platine in den Bereichen des direkten metallischen Kontaktes zwischen Platine und Werkzeug und einer daraus resultierenden Fokussierung der Umformung in dieser Zone, können lokal sehr hohe Umformgeschwindigkeiten auftreten. Im Rahmen der Arbeit wurde deshalb das Umformverhalten von Bor-Manganstählen in Abhängigkeit der Umformgeschwindigkeit bis zu Dehnrate 10 s-1 ermittelt und in Abhängigkeit prozessrelevanter Einflussfaktoren beschrieben. Ein weiterer zentraler Arbeitspunkt war die Erarbeitung einer Methodik zur Aufnahme von Warmfließkurven im Schichtstauchversuch um den Einfluss des Spannungszustandes auf das Fließverhalten von Bor-Manganstählen untersuchen zu können. Die aus der Implementierung der Kennwerte resultierende Steigerung der Abbildungsgenauigkeit der FE-Modellierung im Hinblick auf Presshärtprozesse konnte anhand eines Vergleiches einer simulierten Napfgeometrie mit einem im Realversuch umgeformten Bauteil gezeigt werden.
Biegen von höherfesten Stahlblechwerkstoffen – Umformverhalten und Grenzen der Biegbarkeit
Datum: 19.10.2012
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. habil. Marion Merklein, Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E. h. A. E. Tekkaya
Das hohe festigkeitsbasierte Leichtbaupotenzial von höherfesten Stahlblechwerkstoffen wird durch deren moderate Umformbarkeit und das veränderte Versagensverhalten im Vergleich zu konventionellen Stählen eingeschränkt. Im Rahmen der Arbeit wurden deshalb das Umformverhalten und die Umformgrenzen beim scharfkantigen Biegen derartiger moderner Stähle grundlegend untersucht und ein vertieftes Verständnis für die auftretende Schädigung und deren Beeinflussbarkeit geschaffen. Zunächst wurde die Phänomenologie des Versagens erfasst und die zugrunde liegenden Mechanismen identifiziert. Anschließend wurde eine neue Methodik zur benutzerunabhängigen und quantitativen Analyse der Versagensstadien beim Biegen basierend auf optischer Dehnungsmessung entwickelt und validiert, die ebenso für konventionelle Stahl- und Aluminiumbleche eingesetzt werden kann. Damit liefert die Arbeit insgesamt neue Methoden und Erkenntnisse für die industrielle Praxis der Biegeumformung, welche die Grundlage für eine verbesserte und werkstoffgerechte Prozess- und Bauteilgestaltung bei industrierelevanten Fragestellungen darstellen.
Modellbasierte Prozessauslegung für die Kaltmassivumformung unter Berücksichtigung der Werkzeug- und Pressenauffederung
Datum: 09.08.2012
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. habil. Marion Merklein, Prof. Dr.-Ing. habil. K. Willner
Im Rahmen der Arbeit wurde für verbreitete Klassen von Kaltfließpressprozessen ein analytisches Modell entwickelt, das die Bauteilabmessungen in Abhängigkeit verschiedener Einflussgrößen unter Berücksichtigung der Wechselwirkungen zwischen Prozess, Werkzeugsystem und Presse beschreibt. Es ermöglicht eine automatisierte Optimierung mehrerer Einstellgrößen, um hohe Bauteilgenauigkeit zu erreichen. Zudem erlaubt es die Abschätzung erreichbarer Toleranzen. Die Grundlage des analytischen Modells bilden Variantensimulationen mit einem Integrierten FE-Modell, das neben dem Umformprozess die Auffederungscharakteristik von Presse und Werkzeugsystem beinhaltet. Um diese Simulationen mit hoher Genauigkeit und mit geringer Berechnungsdauer durchführen zu können, wurden Ansätze zur effizienten Bestimmung und vereinfachten Modellierung des Auffederungs-verhaltens entwickelt. Durch Ausnutzung charakteristischer Prozessmerkmale konnte darüber hinaus der Simulationsumfang für die Prozessmodellierung verringert werden.
Formänderungs- und Versagensverhalten von TRIP-Stahl
Datum: 27.06.2012
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. habil. Marion Merklein, Prof. Dr.-Ing. K. Roll
Im Rahmen der Arbeit wurde das temperaturabängige Formänderungs- und Versagensverhalten von TRIP-Stahl untersucht. Während oder nach einer Tiefziehoperation trat Versagen auf, das mit dem Grenzformänderungsdiagramm (GFD) als Versagenskriterium nicht erklärt werden konnte. Den Schwerpunkt bildete die Identifizierung und Charakterisierung der Schädigungsmechanismenin TRIP-Stählen, das Verständnis über die Zusammenhänge von umformtechnischen Voraussetzungen, lokale Temperatur und Schädigung im Bauteil. Zur Analyse der Schädigungsinitiierung wurde ein Prinzipbauteil lokal modifiziert, um nichtlinear Formänderungspfade zu erzeugen. Die modifizierte Prinzipbauteilgeometrie wurde durch numerische Analysen identifiziert und mit Proben und den darin auftretenden Schädigungen korreliert. In Modellversuchen konnten Schädigungen mit und ohne Kontakt zur Oberfläche, in Abhängigkeit von der Temperatur und der Modifikationsgröße, erzeugt werden. Die auftretenden Schädigungen sind im Bereich des Tiefziehens verortet und können durch die GFK als Schadenskriterium nicht erklärt werden.
Ein Ansatz zur Herstellung von pressgehärteten Karosseriekomponenten mit maßgeschneiderten mechanischen Eigenschaften: Temperierte Umformwerkzeuge. Prozessfenster, Prozesssimulation und funktionale Untersuchung
Datum: 01.06.2012
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. habil. Marion Merklein, Prof. Dr.-Ing. K. Roll, Prof. Dr.-Ing. A. Fröba
Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Fertigungstechnologie „partielles Presshärten mit beheizten Umformwerkzeugen“ detailliert untersucht. Die zentrale Zielsetzung dabei war, ein grundlegendes Verständnis des Fertigungsprozessfensters zu erarbeiten und Ansätze zur simulationsgestützten Werkzeug- und Prozessauslegung aufzuzeigen. Neben der Prozessbetrachtung anhand vereinfachter Prinzipversuche stand dabei stets die Übertragung auf den realen Fertigungsprozess im Vordergrund.
Verbesserung der Prognosegüte des Versagens von Punktschweißverbindungen bei höchstfesten Stahlgüten
Datum: 28.03.2012
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. habil. Marion Merklein, Prof. Dr.-Ing. habil. K. Steinhoff
Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Prozess entwickelt, der auf Basis von Korrelationsfunktionen und Verbindungsdaten das Festigkeitspotential von Schweißpunkten als Eingabedaten für die Crashsimulation für eine beliebige Fügepaarung im Fahrzeug automatisch erzeugt. Zur Bestimmung der Festigkeit eines Schweißpunkts wurde dazu eine neue Probenform für quasistatische Zugversuche entwickelt. An typischen Punktschweißverbindungen wurden damit in unterschiedlichen Belastungsrichtungen Zugversuche durchgeführt, um maximal übertragbare Kräfte zu ermitteln. Auf Basis dieser Zugversuche und metallographischen Untersuchungen wurden Korrelationsmodelle zur Berechnung von Schweißpunktkräften erarbeitet und validiert. Des Weiteren wurde die Kerbwirkung eines Schweißpunkts an höchstfesten Stählen unter Zugspannungen analysiert und in der Berechnung über kalibrierte Ersatzelemente unter Einhaltung der gängigen Elementkantenlängen berücksichtigt. Beide entwickelten Methoden zeigten ein deutliches Potential die Prognosegüte des Versagens von und an Schweißpunkten zu erhöhen.
Dr.-Ing. Martin Brandhuber
2011
Werkstoffangepasste Auslegung von Kaltmassivumformwerkzeugen am Beispiel pulvermetallurgischer Werkzeugstähle und keramischer Werkstoffe
Datum: 13.12.2011
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. habil. Marion Merklein, Prof. Dr.-Ing. A. E. Tekkaya
Da die gewünschten Werkstoffeigenschaften der Werkzeuge stark prozessabhängig sind, gibt es keine generell passende Kom-bination der mechanischen, chemischen und thermischen Eigenschaften für jeden möglichen Einsatzfall der Kaltmassivumformung. Deswegen ist eine angepasste Auslegung von Werkzeugen der Kaltmassivumformung durch zusätzliche Maßnahmen wie geeignetes Vorspannungssystem und numerische Simulation des Prozesses erforderlich. Um den Bedarf bzw. den Einfluss dieser werkstoffangepassten Werkzeugauslegung zu erläutern, wurden zwei Prozesse im Rahmen dieser Forschungsarbeit untersucht. Pulvermetallurgisch hergestellter Werkzeugstahl und industrielle Keramik (Si3N4) wurden als Werkzeugwerkstoffe ausgewählt. Für PM Stähle wurden die Karbidstruktur, Härte sowie Druckfestigkeit und dadurch erreich-bare maximale Vorspannung als primären Einflussgrößen ermittelt. Im Falle von keramischen Werkstoffen ist die Unterdrückung der kritischen Zugdehnungen unter besonderer Berücksichtigung der thermi-schen Effekte entscheidend für einen ermüdungsfreien Einsatz in der Kaltmassivumformung.
Beanspruchungsangepasste Kaltmassivumformwerkzeuge durch lokal optimierte Werkzeugoberflächen
Datum: 06.12.2011
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. habil. Marion Merklein, Prof. Dr.-Ing. M. Schmidt
Im Rahmen dieser Arbeit wurden höchstbeanspruchte Werkzeuge der Kaltmassivumformung untersucht, bei denen Ermüdung wegen hoher zyklischer Werkzeugdehnungen sowie Verschleiß und Oberflächenzerrüttung aufgrund eines ausgeprägten Werkstoffflusses auftreten und zu einem frühen Werkzeugversagen führen. Dafür wurden drei unterschiedliche Verfahren untersucht: Glatt- / Festwalzen, Laserstrahlwärmebehandeln und Laserstrahlstrukturieren. Es konnte die effektive Anwendbarkeit der Oberflächenbehandlungsverfahren an höchstfesten Werkstoffen in der Kaltmassivumformung nachgewiesen werden. Dabei wurde untersucht, in welcher Art und Weise die Verfahren die Oberflächeneigenschaften der hochfesten Werkzeugwerkstoffe beeinflussen. Mit dieser Kenntnis konnten geeignete Behandlungsparameter auf Beispielwerkzeuge aus der Kaltmassivumformung übertragen und in der Serienproduktion erfolgreich eingesetzt werden. Die Werkzeugoberflächen wurden durch eine selektive und lokale Oberflächenbehandlung an die Beanspruchung während des Umformprozesses angepasst, dadurch konnte die Werkzeuglebensdauer deutlich gesteigert werden.
2010
Mehrkriterielle Optimierung komplexer Aktorsysteme für das Laserstrahljustieren
Datum: 27.10.2010
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. habil. Marion Merklein, Prof. Dr.-Ing. M. Schmidt
Im Rahmen dieser Arbeit wurden die Grundlagen für den mehrkriteriellen rechnergestützten Entwurf komplexer Aktorsystemen für das Laserstrahljustieren geschaffen. Es wurden mehrere, zum Teil gegenläufige Kriterien für den Entwurf solcher Aktorsysteme identifiziert. Ein Schwerpunkt war die Erarbeitung geeigneter Datenformate und Algorithmen, um die Eignung bestimmter Aktorsystemvarianten für die einzelnen Kriterien automatisiert bestimmen zu können. Nur durch den in dieser Arbeit eingeführten Ansatz der schnellen Simulation mittels virtueller thermischer Kräfte konnte eine Auswertung der Justierfähigkeit komplexer Aktorsysteme im Rahmen eines rechnergestützten, iterativ optimierenden Entwurfprozesses ermöglicht werden. Die Algorithmen wurden in einem Entwurfssystem mit mehrkriteriellen genetischen Algorithmen exemplarisch umgesetzt. Die erarbeite schnelle Simulation mittels virtueller thermischer Kräfte kann auf andere Problemstellungen übertragen werden, bei denen das Laserstrahlumformen kleiner Blechbiegeteile schnell ausgewertet werden muss.
Strategien zur Erweiterung der Prozessgrenzen bei der Innenhochdruck-Umformung von Rohren und Blechpaaren
Datum: 09.08.2010
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. habil. Marion Merklein, Prof. Dr.-Ing. R. Kolleck, Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. mult. Dr. h.c. mult. Manfred Geiger
Ziel der Arbeit war die Entwicklung und Validierung von Prozessführungsstrategien zur Erweiterung der Prozessgrenzen bei der Innenhochdruck-Umformung von Rohren und Blechpaaren. Im Mittelpunkt der durchgeführten Forschungsarbeiten stand insbesondere die Steigerung des Werkstoffflusses der betrachteten Umformprozesse als Mittel zur Verbesserung der erreichbaren Umformergebnisse unter Gewährleistung eines robusten Prozessablaufs hinsichtlich der Abdichtung des Wirkmediums. Die Untersuchungen begannen mit der Analyse der Dichtheit bei der InnenhochdruckUmformung von Blechen und der Ermittlung der Dichtheitsgrenze im Realprozess. Die dabei gewonnenen Erkenntnisse ermöglichten die Herstellung eines komplexen Bauteils bestehend aus offenen und geschlossenen Profilen in einer Operation. Abschließend wurde eine innovative Strategie zur Umformung von Doppelblechbauteilen aus unterschiedlichen Platinen erarbeitet und validiert. Diese sieht den Einsatz eines Außendruckes zur Steuerung des Werkstoffflusses während der Umformung vor.
Grundlegende Untersuchungen zum Kontaktzustand zwischen Werkstück und Werkzeug bei umformtechnischen Prozessen unter tribologischen Gesichtspunkten
Datum: 19.04.2010
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. habil. Marion Merklein, Prof. Dr.-Ing. A.E. Tekkaya, Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. mult. Dr. h.c. mult. Manfred Geiger
Für die Reibung in umformtechnischen Prozessen spielt der Kontaktzustand zwischen Werkstück und Werkzeug eine wesentliche Rolle. Deshalb wurden im Rahmen dieser Arbeit der Kontaktzustand unter Grenzreibungsbedingungen sowie der Schmierstoffeinfluss darauf grundlegend charakterisiert. Mittels Einglättungsversuchen an physikalischen Modellen von Rauheitsspitzen konnte aufgezeigt werden, dass sich innerhalb der wahren Kontaktfläche eine Rauheit zweiter Ordnung ausbildet, die in Verbindung mit bestimmten Schmierstoffen das Einebnungsverhalten beeinflusst. An technischen Oberflächen konnten diese Mechanismen indirekt nachgewiesen werden. Diese Erkenntnisse schaffen die Basis für die Beantwortung industriell relevanter Fragestellungen wie beispielsweise nach physikalisch motivierten Reibmodellen oder nach der Gestaltung maßgeschneiderter Oberflächen zur gezielten Reibungsbeeinflussung.
Größeneffekte bei Biegeprozessen - Entwicklung einer Methodik zur Identifikation und Quantifizierung
Datum: 12.04.2010
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. habil. Marion Merklein, Prof. Dr.-Ing. H. Hoffmann, Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. mult. Dr. h.c. mult. Manfred Geiger
Größenabhängige Effekte, die in der Mikroumformtechnik entscheidenden Einfluss auf das Umformergebnis besitzen, während sie im konventionellen Größenbereich vernachlässigbar sind, verhindern bis heute die zuverlässige simulationsbasierte Auslegung und somit die für die industrielle Anwendung erforderliche Prozesssicherheit von Mikroumformprozessen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine Methodik zur Identifikation und Quantifizierung von Größeneffekten für dehnungsgradientenbehaftete Umformprozesse von Feinstblechen entwickelt und am Beispiel eines skalierten Biegeprozesses verifiziert. Auf Grundlage dieser Ergebnisse wurden Ansätze für eine verbesserte simulationsbasierte Beschreibung des Biegeprozesses entwickelt und validiert. Hierzu wurde einerseits die Qualität der Eingangsparameter durch blechdickenabgepasste Werkstoffcharakterisierungsmethoden, wie beispielsweise den pneumatischen Tiefungsversuch verbessert und andererseits dehnungsgradientenabhängiges plastisches Werkstoffverhalten in die Simulation implementiert.
Entwicklung eines mesoskopischen Modells zur Abbildung von Größeneffekten in der Kaltmassivumformung mit Methoden der FE-Simulation
Datum: 25.02.2010
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. habil. Marion Merklein, Prof. Dr.-Ing. G. Hirt, Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. mult. Dr. h.c. mult. Manfred Geiger
Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine Methodik entwickelt, den Einfluss von Größeneffekten auf Kaltmassivumformprozesse im Ergebnis von FE-Simulationen abzubilden. Bedingt durch den signifikanten Einfluss der Gefügestruktur auf die integrale und lokale Formänderung und –ausbildung erfordert dessen numerische Abbildung die Erzeugung von synthetischen Gefügestrukturen. Diese werden in das Simulationsprogramm portiert und für die numerischen Berechnungen genutzt. Basierend auf metallphysikalischen Zusammenhängen wurde ein analytisches Modell zur Berechnung lokaler Werkstoffeigenschaften in Abhängigkeit von der Korngröße, -orientierung und -position innerhalb des Gefüges defniert. Die Ergebnisse dieser Methodik wurden am Zylinderflachstauchversuch verifiziert und diskutiert. Die weitere Anwendung auf den Prozess des Napf-Rückwärtsfließpressens sichert die Übertragbarkeit der Erkenntnisse und verdeutlicht die Leistungsfähigkeit des Modells zur Beschreibung des inhomogenen Formänderungsverhaltens der Werkstoffe bei Mikroumformprozessen.
2009
Qualitative und quantitative Bewertung der Crashtauglichkeit von höchstfesten Stählen
Datum: 17.12.2009
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. habil. Marion Merklein, Prof. Dr.-Ing. A. E. Tekkaya, Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. mult. Dr. h.c. mult. Manfred Geiger
Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine Prüfmethode erarbeitet, die es ermöglicht, das Verformungsverhalten von höchstfesten Stählen und das Risiko gegenüber Sprödbruch bei dynamischer Belastung über einen quantitativen Kennwert zu bewerten. Die Validierung des Kennwertes erfolgte zum einen durch vergleichende Untersuchungen im Fallturmversuch mit einheitlichen Profilgeometrien, zum anderen wurden zur weiteren Charakterisierung Zugversuche, mikroskopische Untersuchungen sowie optische Dehnungsmessungen an Fallprüfkörpern durchgeführt. Für die Untersuchungen wurden verschiedene kalt- und warmumformbare höchstfeste Stahlgüten verwendet. Der warmumgeformte Stahl wurde sowohl im gehärteten als auch im angelassenen Zustand untersucht. So konnten sowohl die Prozesseinflussgrößen bewertet und die Potentiale zur Optimierung der mechanischen Eigenschaften ermittelt werden, als auch die Versuchsbasis vergrößert und die Aussagekraft eines möglichen alternativen Kennwertes validiert werden.
Dr.-Ing. Till Laumann
Effiziente Prozesskettenauslegung für das Umformen lokal wärmebehandelter und geschweißter Aluminiumplatinen
Datum: 07.12.2009
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. habil. Marion Merklein, Prof. Dr.-Ing. R. Kolleck, Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. mult. Dr. h.c. mult. Manfred Geiger
Im Rahmen der Arbeit wurden die Grundlagen für eine effiziente Auslegung der Prozesskette für das Umformen lokal wärmebehandelter und geschweißter Aluminiumplatinen erarbeitet. Kennzeichnend für die Verfahrenskette ist, dass durch einen Wärmebehandlungsprozess die mechanischen Verarbeitungseigenschaften ungeschweißter, aber auch gefügter Aluminiumplatinen gezielt verändert und auf den nachfolgenden Umformprozess abgestimmt werden. Wesentliches Ziel ist dabei die simulationsgestützte Auslegung mit einem inversen Berechnungsansatz, indem bereits in der Umformstufe ein prozesssicheres Wärmebandlungslayout bestimmt wird. Ausgehend von den geforderten Wärmebehandlungstemperaturen werden dann die Parameter der Erwärmung bestimmt. Der Vorteil dieser Vorgehensweise ist die Vermeidung aufwendiger Simulationsdurchläufe. Gestützt werden die Ergebnisse durch die detaillierte Untersuchung relevanter Eingangskenngrößen und die durchgängige Validierung von Wärmebehandlung und Umformprozess anhand einer komplexen Bauteilgeometrie.
Seriennahe Auslegung von Aluminium Tailored Heat Treated Blanks
Datum: 24.07.2009
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. habil. Marion Merklein, Prof. Dr.-Ing. K. Roll, Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. mult. Dr. h.c. mult. Manfred Geiger
Im Rahmen dieser Arbeit wurden Grund-lagen für die Auslegung von Tailored Heat Treated Blanks (THTB) zur Herstellung von komplexen Karosserieziehteilen unter seriennahen Bedingungen geschaffen. Vor diesem Hintergrund wurden Wärmestrom-Stoff-Wechselwirkungen, Prozessfenster für die lokale Wärmebehandlung sowie Gestaltungsrichtlinien für das Wärmebehandlungslayout eines THTB untersucht. Der Fokus dieser Analysen lag auf der Gestaltung der Anfangsfestigkeits- bzw. der Maximaltemperaturverteilung in der Blechebene mit dem Ziel der Rissvermeidung. Die abgeleiteten Gestaltungsrichtlinien wurden nachfolgend in einer übergeordneten Gestaltungssystematik gemäß den Grundsätzen des Axiomatic Designs in einen Gesamtzusammenhang gebracht. Die Ergebnisse aller Arbeitsschwerpunkte wurden abschließend in einer Studie zur Herstellung einer B-Säule, die sich konventionell nicht versagensfrei fertigen lässt, zusammengeführt.
Rührreibschweißen von walzplattiertem Halbzeug und Aluminiumblech zur Herstellung flächiger Aluminiumschaum-Sandwich-Verbundstrukturen
Datum: 23.06.2009
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. mult. Dr. h.c. mult. Manfred Geiger, Prof. Dr.-Ing. H. Meerkamm
Im Rahmen der Arbeit wurden grundlegende Phänomene des Rührreibschweißens simulativ und experimentell am Beispiel des Leichtbauwerkstoffes Aluminiumschaum-Sandwich untersucht. Um die komplexen Vorgänge innerhalb der Fügezone besser verstehen zu können, sind die bestehenden Möglichkeiten zur Modellierung des Fügeverfahrens wesentlich erweitert worden. Kernpunkt des Modells stellt die Verknüpfung eines Werkstoffmodells mit den strömungsmechanischen Gleichungen und dem Level-Set-Ansatz dar. Dadurch war es erstmals möglich, die Verwirbelungen unterschiedlicher Werkstoffe innerhalb der Fügezone simulativ abzubilden und die experimentell beobachtbaren Phänomene wissenschaftlich zu erklären. Der im Rahmen dieser Arbeit entwickelte Modellierungsansatz kann unter Anpassung der Randbedingungen auch auf weitere Fertigungsverfahren übertragen werden, bei denen zum Rührreibschweißen vergleichbare Bedingungen vorherrschen. Als Beispiel und Ausblick hierfür wird in der Arbeit das Verbundstrangpressen modelliert.
Laserdurchstrahlschweißen transparenter Polymerbauteile
Datum: 12.02.2009
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. mult. Dr. h.c. mult. Manfred Geiger, Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. G. W. Ehrenstein
Im Rahmen dieser Arbeit wurden die Grundlagen für das Laserdurchstrahlschweißen von zwei lasertransparenten Bauteilen untersucht. Kernidee der Untersuchungen ist die praktische Umsetzung eines zeitlich und räumlich definierten Energieeintrags in die beiden Bauteile, um diese lokal in der Fügeebene ohne Einsatz zusätzlicher Absorbermaterialien zu verschweißen. Um die Temperaturverteilung und Verformungen in den Bauteilen durch die Wechselwirkung mit der Laserstrahlung zu ermitteln, wurde ein Modell zur dreidimensionalen Simulation des Prozesses erstellt und damit die Auslegung geeigneter Strahlführung unterstützt. Die Prozessanalyse der Schweißexperimente mit Hilfe von tiefenaufgelöster Thermografie ermöglicht die Überprüfung der Simulationsrechnungen und damit eine direkte Kopplung mit dem Experiment. Mit den Untersuchungen konnte gezeigt werden, dass bei geeigneter Wahl der Laserwellenlänge und Fokussierung die intrinsische Absorption der Polymermaterialien einen gezielten Schweißprozess zulässt.
Dr.-Ing. Steffen Polster
2008
Untersuchungen zur Erhöhung der Prozessrobustheit bei der Innenhochdruck-Umformung von flächigen Halbzeugen mit vor- bzw. nachgeschalteten Laserstrahlfügeoperationen
Datum: 10.12.2008
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. habil. Marion Merklein, Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. mult. A. Weckenmann, Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. mult. Dr. h.c. mult. Manfred Geiger
Im Rahmen dieser Arbeit wurden die fertigungstechnischen Grundlagen für eine robuste Auslegung von Prozessketten unter Beteiligung von wirkmedienbasierten Blechumformprozessen und Lasermaterialbearbeitungsstufen bei der Produktion von qualitativ hochwertigen Blechbauteilen in Doppelschalenbauweise bei geringer bis mittlerer Stückzahl erarbeitet. Hierfür wurde eine geeignete Verfahrensfolge definiert und anhand einer Prozess-FMEA bezüglich ihrer Verfahrensrobustheit untersucht. Anschließend erfolgte eine detaillierte Betrachtung der einzelnen, fehlerbehafteten Systemelemente und es wurden Strategien zur Erhöhung der Prozessrobustheit der gesamten Verfahrensfolge entwickelt. Neben grundlegenden Untersuchungen zu Leckagephänomenen bei der Innenhochdruck-Umformung von Doppelblechen wurde auch das Laserstrahlschweißen von kontaminierten Blechen im Überlappstoß und das Laserstrahlanlassen von Schweißnähten aus Dualphasenstahl zur Erhöhung der Schweißnahtqualität detailliert untersucht.
Grundlegende Untersuchungen zur Beschreibung und Modellierung des Werkstoffverhaltens von presshärtbaren Bor-Manganstählen
Datum: 09.12.2008
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. habil. Marion Merklein, Prof. Dr.-Ing. A. E. Tekkaya, Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. mult. Dr. h.c. mult. Manfred Geiger
Die zentrale Zielsetzung der Arbeit war es, einen grundlegenden Beitrag zur Charakterisierung und Beschreibung des Umwandlungs- und des plastischen Formänderungsverhaltens des Bor-Manganstahles 22MnB5 in Anlehnung an das typische Zeit-Temperatur-Profil des Presshärtens unter Berücksichtigung der prozessrelevanten Einflussgrößen zu leisten. Hierzu wurden im Rahmen der Untersuchungen verschiedene experimentelle Methoden entwickelt, die eine umfassende, realitätsnahe Analyse des Werkstoffverhaltens von höchstfesten Vergütungsstählen bei erhöhten Temperaturen ermöglichen sowie darüber hinaus die Ermittlung der für eine simulative Betrachtung des Umformvorganges beim Presshärten erforderlichen thermischen und tribologischen Prozesskenngrößen wie Wärmeübergangskoeffizient und Reibzahl erlauben.
Prozesstechnische Untersuchungen zum Rührreibschweißen metallischer Werkstoffe
Datum: 16.07.2008
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. mult. Dr. h.c. mult. Manfred Geiger, Prof. Dr.-Ing. F. W. Bach
Durch das Rührreibschweißen, das als Schweißen in der festen Phase charakterisiert ist, werden Heißrisse, Einschlüsse oder Poren vollständig vermieden, wodurch bauteiltechnisch hochwertige und durch Reduzierung von Nacharbeit wirtschaftlich hochinteressante Bauteile ermöglicht werden. Im Hinblick auf die Wirtschaft und die Wissenschaft wurden durch das methodische Vorgehen rührreibgeschweißte Verbindungen für gleichartige und für hybride Werkstoffsysteme in Blechdicken von circa 1 mm erfolgreich umgesetzt. Das bisher vorhandene Anwendungspotenzial von Blechdicken von über 3 mm für Aluminium und über 6 mm für Stahl wurde damit erheblich erweitert. Ergänzend wurden in der Strömungssimulation zum Rührreibschweißen neue Ansätze bei der Umsetzung von Warmfließkurven und temperaturabhängigen Viskositäten sowie Haft- und Reibbedingungen entwickelt.
Grundlegende Untersuchungen zum Excimerlaserstrahl-Abtragen unter Flüssigkeitsfilmen
Datum: 01.07.2008
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. mult. Dr. h.c. mult. Manfred Geiger, Prof. Dipl.-Ing. Dr. techn. D. Schuöcker
Im Rahmen der Arbeit wird ein Lösungsansatz auf Basis eines Flüssigkeitsfilmes untersucht, um beim Abtrag keramischer und metallischer Werkstoffe mittels Excimerlaserstrahlung Materialablagerungen zuverlässig und mit geringem technischem Aufwand zu verhindern. Die Untersuchungen zeigen, dass durch den Einsatz einer dünnen Flüssigkeitsschicht auf der zu bearbeitenden Werkstück-Oberfläche die Ablagerung abgetragenen Materials vollständig vermieden werden kann. Die an die Flüssigkeit mittels Wärmeleitung übertragene Energie führt zur Bildung von lokalen Dampfblasen, die nach Beendigung des Laserpulses kollabieren. Die sowohl während ihrer Entstehungsphase als auch beim folgenden Kollabieren der Dampfblasen entstehenden Druckwellen verdrängen die Schmelze innerhalb der bestrahlten Fläche und bewegen die Materialpartikel von der Substratoberfläche weg.
Grundlegende Untersuchungen zur experimentellen Ermittlung und zur Modellierung von Fließortkurven bei erhöhten Temperaturen
Datum: 03.03.2008
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. mult. Dr. h.c. mult. Manfred Geiger, Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. mult. Dr.-Ing. E.h. Reiner Kopp
Im Rahmen der Arbeit sind die theoretischen und experimentellen Grundlagen für die Charakterisierung von Blechwerkstoffen unter zweiachsigen Zugbeanspruchungen und bei erhöhten Temperaturen geschaffen worden. Durch die Entwicklung eines neuartigen Prüfstands sowie einer unabhängigen Strategie zur Ermittlung des Fließbeginns, können Fließorte experimentell bestimmt werden. Am Beispiel der Magnesiumknetlegierung AZ31 wurden Fließkriterien verifiziert, die die Basis für die Implementierung des Werkstoffverhaltens in die Finite-Elemente-Simulation bilden.
2007
Stochastische Simulation zur Werkzeuglebensdaueroptimierung und Präzisionsfertigung in der Kaltmassivumformung
Datum: 20.12.2007
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. mult. Dr. h.c. mult. Manfred Geiger, Prof. Dr.-Ing. A. E. Tekkaya
In der Arbeit wird die Entwicklung und Anwendung von Methoden beschrieben, welche die Berücksichtigung stochastischer Einflussfaktoren in der Simulation ermöglichen. Dies ist mit den derzeit verfügbaren Simulationsprogrammen nicht möglich. Die entwickelte stochastische Simulation besteht aus einer Kombination des Antwortflächenverfahrens mit einem numerischen, stochastischen Modell des Prozessverhaltens. Für die Berechnung der Werkzeuglebensdauer wurden weiterhin die Funktionalitäten der nichtlinearen Schadensakkumulation sowie die Berücksichtigung werkzeug- und werkstückgebundener Streuungen implementiert. Mit der stochastischen Simulation konnte die charakteristische Streuung von Kaltumformwerkzeugen vorhergesagt und aufbauend auf eine dehnungsbasierte Werkzeugauslegung die Werkzeuglebensdauer deutlich gesteigert werden.
Grundlagenuntersuchungen zum Innenhochdruck Umformen verstärkter Blech Rahmenstrukturen
Datum: 14.12.2007
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. mult. Dr. h.c. mult. Manfred Geiger, Prof. Dr.-Ing. H. Meerkamm
Moderne Leichtbaukonzepte sind durch den gezielten Einsatz von funktional angepassten Werkstoffen, neuen Fertigungstechnologien sowie komplexen Bauteilen charakterisiert. Diese Arbeit, die sich mit der Herstellung komplexer Strukturen aus Tailor Welded Blanks mittels Innenhochdruck Umformen beschäftigt, stellt sich somit einer der zentralen Problemstellungen des Leichtbaus. Ziel der Arbeit war es, zum einen durch Grundlagenuntersuchungen den Innenhochdruck Umformprozess für den Fall von Rahmenstrukturen zu beschreiben und somit durch analytische und numerische Methoden den Prozessablauf und die Prozessgrenzen zu definieren. Zum anderen sollte das Potential des InnenhochdruckUmformens als Fertigungstechnologie zur Herstellung von Bauteilen aus Tailor Welded Blanks nachgewiesen werden, mit dem Ziel, allgemeingültige Prozessauslegungsstrategien zu definieren.
Untersuchung der prozessbestimmenden Strahl-Stoff-Wechselwirkungen beim Laserstrahlschweißen von Kunststoffen
Datum: 14.11.2007
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. mult. Dr. h.c. mult. Manfred Geiger, Prof. Dr.-Ing. E. Schmachtenberg
In dieser Arbeit wird eine Optimierung des Laserstrahlkunststoffschweißprozesses hinsichtlich verbesserter Spaltüberbrückbarkeit und höherer Nahtfestigkeit durchgeführt. Notwendige Voraussetzung für die Prozessoptimierung ist ein vertieftes Prozessverständnis. In diesem Zusammenhang wird die Wechselwirkung von Laserstrahlung und Kunststoffen in Abhängigkeit von Werkstoffstruktur und Materialtemperatur untersucht und in einem FE-Prozessmodell abgebildet. Zur Optimierung des Schweißprozesses wird eine Verlängerung des Schmelzbades durch alternative Strahlformung realisiert. In experimentellen Untersuchungsreihen kann nachgewiesen werden, dass durch das verlängerte Schmelzbad und veränderte Temperaturfeld höhere Nahtfestigkeiten und verbesserte Spaltüberbrückbarkeiten möglich sind.
Prof. Dr.-Ing. Thomas Frick
Wirkmedienbasierte Umformung tiefgezogener Vorformen unter besonderer Berücksichtigung maßgeschneiderter Halbzeuge
Datum: 07.09.2007
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. mult. Dr. h.c. mult. Manfred Geiger, Prof. Dr.-Ing. habil. K. Willner
Der Einsatz maßgeschneiderter Halbzeuge birgt ein erhebliches Potenzial zur Herstellung innovativer Leichtbaukonstruktionen. Dieses Potenzial zur Gewichtsreduktion kann nur dann umgesetzt werden, wenn die zur Anwendung kommenden Umformprozesse eine bestmögliche Ausnutzung des Formänderungsvermögens erlauben. Das vorrangige Ziel dieser Arbeit bestand in der Entwicklung einer Verfahrensfolge zur wirkmedienbasierten Umformung tiefgezogener Vorformen. Es erfolgte eine grundlagenorientierte Charakterisierung der eingesetzten Halbzeuge, laserstrahlgeschweißter Tailored Blanks und Patchwork Blanks. Anhand von Bauteilen steigender Komplexität konnte gezeigt werden, dass mit der Anwendung der betrachteten Verfahrensfolge Synergieeffekte zur Erweiterung der Formgebungsgrenzen maßgeschneiderter Halbzeuge erschlossen werden können.
Werkstoffcharakterisierung und Prozessauslegung für die wirkmedienbasierte Doppelblech-Umformung von Magnesiumlegierungen
Datum: 31.08.2007
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. mult. Dr. h.c. mult. Manfred Geiger, Prof. Dr.-Ing. habil. K. Steinhoff
Die Qualität heutiger Magnesiumbleche ermöglicht einen Einsatz als Halbzeug für umformtechnisch hergestellte Bauteile mit sehr geringem Gewicht. Für die Auslegung eines geeigneten Fertigungsprozesses wurde über grundlagenorientierte Untersuchungen eine werkstoffspezifische Wissensbasis geschaffen, die Erkenntnisse auf den Gebieten des von der Temperatur und der Umformgeschwindigkeit abhängigen Fließverhaltens, der Umformbarkeit sowie der tribologischen Bedingungen in der Wirkfuge zwischen Blech und Werkzeug bzw. zwei Blechen untereinander bereitstellt. Mit dem Anspruch, einen Prozess für eine Kleinserienfertigung qualifizieren zu können, wurde ein beheiztes Umformwerkzeug für die Ausformung eines doppelschaligen Demonstratorbauteils mit komplexen geometrischen Formelementen realisiert und die Qualität der so hergestellten Bauteile analysiert.
Untersuchung der Prozesseinflussgrößen beim Presshärten des höchstfesten Vergütungsstahls 22MnB5
Datum: 30.08.2007
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. mult. Dr. h.c. mult. Manfred Geiger, Prof. Dr.-Ing. K. Roll
Durch die Warmumformung des höchstfesten Vergütungsstahls 22MnB5 werden sicherheitsrelevante Strukturbauteile für moderne Karosseriestrukturen hergestellt. Dafür werden die Platinen zunächst austenitisiert und anschließend in einem gekühlten Werkzeug umgeformt und abgeschreckt, so dass die Härtung des Gefüges mit Festigkeiten von circa 1500 MPa eintritt.
Im Rahmen der Arbeit werden die wesentlichen Einflussgrößen in den unterschiedlichen Prozessschritten sowie ihre Wechselwirkungen untereinander untersucht. Schwerpunkt der Arbeit ist einerseits die Untersuchung des Wärmeübergangs zwischen Platine und Werkzeug sowie die Bestimmung des Wärmeübergangskoeffizienten bei unterschiedlichen Kontaktsituationen. Andererseits steht die Charakterisierung des Stahls 22MnB5 unter den prozessspezifischen Bedingungen im Vordergrund.
Wissensbasierte Methoden für die simulationsgestützte Auslegung wirkmedienbasierter Blechumformprozesse
Datum: 15.06.2007
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. mult. Dr. h.c. mult. Manfred Geiger, Prof. Dr. K. Meyer-Wegener
Die wirkmedienbasierte Umformung von Blechen eröffnet der Automobilindustrie neue Wege bei der Realisierung belastungsgerechter und funktionsoptimierter Leichtbaukomponenten. Die optimale Auslegung der Umformprozesse erfordert jedoch ein hohes Maß an Prozessverständnis und ist trotz des Einsatzes numerischer Simulationsverfahren wie der Finiten-Elemente-Simulation in der Regel das Ergebnis einer Vielzahl zeitaufwändiger Trial and Error Iterationen. Zur Reduzierung des Planungsaufwands wurden im Rahmen dieser Arbeit Methoden und Modelle erarbeitet, die eine weitgehend automatisierte Identifizierung auf die spezifischen Randbedingungen des Umformprozesses abgestimmter Prozessführungsstrategien erlauben. Die Methoden und Modelle wurden im Rahmen eines wissensbasierten und simulationsgestützten Softwaresystems implementiert.
Simulationsgestützte Prozessauslegung von Tailored Heat Treated Blanks – Erweiterung der Prozessgrenzen beim Tiefziehen von Aluminiumwerkstoffen
Datum: 26.03.2007
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. mult. Dr. h.c. mult. Manfred Geiger, Prof. Dr.-Ing. H. Hoffmann
Ein innovatives Verfahren zur Herstellung von Leichbauteilen aus Aluminium stellt das Tiefziehen so genannter Tailored Heat Treated Blanks (THTB) dar. Dabei werden durch einen Wärmebehandlungsprozess die mechanischen Eigenschaften der Aluminiumplatine lokal verändert und auf den nachfolgenden Umformprozess abgestimmt.
Ziel dieser Dissertation ist es, eine simulationsgestützte Vorgehensweise zur Auslegung der Prozesskette zur Herstellung von Bauteilen mit der THTB-Technologie zu realisieren. Als Ergebnis dieser Arbeit stehen Werkstoffdaten und Berechnungsmethoden zur Verfügung, welche die robuste Auslegung von THTB-Bauteilen ermöglichen. Mit den abgeleiteten Gestaltungsrichtlinien und der FE-Simulation können komplexe Bauteile effektiv und sicher ausgelegt werden.
2006
Laserstrahlinduzierte Pyrolyse präkeramischer Polymere
Datum: 14.11.2006
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. mult. Dr. h.c. mult. Manfred Geiger, Prof. Dr.-Ing. G. Ziegler
Das Aufbringen keramischer Funktionsschichten auf komplex geformten Oberflächen stellt für konventionelle Beschichtungsverfahren oftmals ein Problem dar. Ebenso die Erzeugung partieller Oberflächenstrukturen. Eine Lösung verspricht die Keramisierung (Pyrolyse) polymerer Precursorschichten mittels Laserstrahlung. Der technischen Anwendung der Laserpyrolyse zur Erzeugung funktioneller Schichten und Strukturen steht derzeit das mangelhafte Wissen bezüglich den bei Laserbestrahlung in den Precursormaterialien ablaufenden Mechanismen und deren Beeinflussbarkeit entgegen. Wenn das Verfahren bislang kommerziell eingesetzt wird, dann vorwiegend zur Gewinnung feinster Keramikpulver. In der Regel kommen dabei CO2-Laser zum Einsatz. Arbeiten zu grundlegenden Untersuchungen der Strahl-Stoff-Wechselwirkung, insbesondere was die Wirkungsweise von Nd:YAG-Laserstrahlung betrifft, sind dünn gesät. Ziel dieser Arbeit ist es daher, einen Beitrag zum besseren Prozessverständnis zu leisten. Hierzu werden Polymerschichten mit dem CO2- und dem Nd:YAG-Laser pyrolysiert und die verschiedenen Einflussfaktoren auf die Morphologie, Struktur und Zusammensetzung der erzeugten Keramikschichten mit verschiedenen Methoden der Analytik untersucht. Mit Blick auf potentielle Anwendungen (z. B. Hochtemperatursensoren) werden zudem elektrisch leitfähige, keramische Strukturlinien hergestellt und deren Verhalten bei raschen Temperaturwechseln untersucht.
Grundlegende Untersuchungen zum Laserstrahlstrukturieren von Kaltmassivumformwerkzeugen
Datum: 31.10.2006
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. mult. Dr. h.c. mult. Manfred Geiger, Prof. Dr.-Ing. habil. K. Steinhoff
Die Kaltmassivumformung ist ein unverzichtbares Fertigungsverfahren, um komplexe Massenprodukte in hoher Qualität kostengünstig herzustellen. Die für die Umformung notwendigen Werkzeuge unterliegen als Folge des Gleitkontakts mit dem Werkstück bei sehr hohen Kontaktnormalspannungen einem permanenten Verschleiß. Der Behandlung der Oberflächen der Kontaktpartner kommt daher eine besondere Bedeutung zu – allein durch geringeren Verschleiß kann eine höhere Lebensdauer und bessere Wirtschaftlichkeit erreicht werden. Für die Werkzeugherstellung ist daher die Verwendung von hochwertigen Werkstoffen, eine hochwertige Endbearbeitung oder eine Hartstoffbeschichtung gängige Praxis. Ein anderer Ansatz zur Erhöhung der erreichbaren Standzeit von Werkzeugen wird im Rahmen dieser Arbeit verfolgt. Durch die Bestrahlung der WerkzeugoberflÌche mit einem Laser werden kleine Vertiefungen mit Abmessungen im Mikrometerbereich erzeugt. Diese so genannten Schmierstofftaschen können Schmierstoff speichern und während der Umformung wieder abgeben, um die Reibverhältnisse nachhaltig zu verbessern. Durch eine Reihe von Grundlagenversuchen wurde der Einsatz dieser Technologie auf realen Werkzeugen bei Industriepartnern vorbereitet. Die Ergebnisse, gemessen an der erreichbaren Standmenge, belegen die mit der Laserstrukturierung erzielbaren Verbesserungen. Bei mehreren Werkzeugtypen konnte nahezu eine Verdoppelung der Standmenge erreicht werden.
Nicht-thermische Mikrojustiertechnik mittels ultrakurzer Laserpulse
Datum: 06.10.2006
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. mult. Dr. h.c. mult. Manfred Geiger, Prof. Dr.-Ing. habil. F. Vollertsen
Das Mikrojustieren mittels Laserstrahlung stellt ein flexibles Verfahren dar, um positionsempfindliche Komponenten hochgenau und berührungslos in bereits montiertem Zustand zu positionieren. Alle bisher dokumentierten und praktisch realisierten Laserstrahljustierprozesse basieren auf den Temperaturfeldern, die durch die Laserinteraktion während der Bearbeitung generiert werden und den Spannungs- und Dehnungseffekten, die dieser gezielte Wärmeeintrag hervorruft. Die thermischen Verfahren weisen jedoch einige prinzipbedingte Nachteile auf, welche sich besonders bei steigender Miniaturisierung der Aktorgeometrie zunehmend negativ bemerkbar machen. In der Arbeit wird daher durch theoretische und experimentelle Untersuchungen ein alternatives Verfahrenskonzept entwickelt, das ohne thermische Effekte auskommt. Da sich ultrakurze Laserpulse aufgrund ihrer speziellen, physikalischen Interaktionsmechanismen durch eine weitestgehend „kalte“ Laser-Materie-Wechselwirkung auszeichnen, werden diese für das Verfahren eingesetzt, um durch nicht-thermischen Materialabtrag sowie eine geeignete Prozessführung eine Veränderung des Spannungszustands in den Aktoren zu erzeugen, der zu einer definierten und reproduzierbaren Deformation des Aktors führt. Der Prozessmechanismus basiert auf dem durch die Plasmaexpansion generierten, mechanischen Druckstoß, der bei der Ultrakurzpulslaserablation auf die Probenoberfläche ausgeübt wird.
Dr.-Ing. Manfred Dirscherl
Heißrisserkennung und -vermeidung beim Laserstrahlschweißen von Aluminiumlegierungen mittels fortgeschrittener Simulationsmethoden
Datum: 05.10.2006
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. mult. Dr. h.c. mult. Manfred Geiger, Prof. Dr.-Ing. G. Sepold
Laserstrahlschweißen hat sich längst in der Industrie etabliert und wird eingesetzt, um verschiedene Werkstoffe einschließlich Aluminium zu fügen. Dieses Fügeverfahren bietet eindeutige Vorteile gegenüber konventionellen Schweißprozessen, jedoch gibt es auch einige prozessspezifische Schwierigkeiten. Viele dieser Probleme sind bereits behoben oder können in gewissen Maßen beherrscht werden, wodurch die Schweißverbindungen den heutigen Anforderungen in der Automobilindustrie entsprechen. Allerdings verhindern diese Probleme die weitere Verbreitung des Prozesses z.B. in der Luftfahrzeugindustrie, da hier die Anforderungen deutlich höher sind. Das größte Problem im Hinblick auf das Laserstrahlschweißen von Aluminiumlegierungen ist dabei die Heißrissempfindlichkeit einiger bestimmter Legierungen. In Rahmen dieser Dissertation wurde eine Methodik zur Bestimmung von Schweißparameter für heißrissfreie Schweißungen entwickelt mittels der Methode der Finiten Elemente. Die vorgestellte Methodik begründet sich auf der Ermittlung des maximal zulässigen CHoCO-Wertes für einen bestimmten Werkstoff oder eine bestimmte Werkstoffkombination. Mit der Bestimmung dieses Wertes kann für eine beliebige Schweißaufgabe mittels der Methode der Finiten Elemente die Heißrissanfälligkeit bestimmt werden. Damit wird die benötigte Zahl der praktischen Versuche signifikant verringert, womit der Anwender Zeit und Kosten sparen kann.
Hybrides Laserdurchstrahlschweißen von Kunststoffen
Datum: 19.07.2006
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. mult. Dr. h.c. mult. Manfred Geiger, Prof. Dr.-Ing. E. Schmachtenberg
Das Laserdurchstrahlschweißen von Kunststoffen wird durch die Entwicklung geeigneter Strahlquellen und den damit verbundenen Preisverfall der Systeme seit Mitte der neunziger Jahre industriell eingesetzt. Die Anwendung des Verfahrens blieb dabei jedoch auf kleine und einfache Schweißgeometrien beschränkt, da nicht zuletzt die geringe Spaltüberbrückbarkeit dieses Verfahrens den Einsatz an größeren, dreidimensionalen Strukturen erschwert. Mit dem hybriden Laserdurchstrahlschweißen wurde ein Verfahren entwickelt, das auf dem konventionellen Laserdurchstrahlschweißen im Konturverfahren aufbaut, bei dem sowohl Laserstrahlung als auch von Halogenlampen emittierte Strahlung zum Einsatz kommt. Als Grundlage dafür wurde eine entsprechende Systemtechnik entwickelt. Die Auswirkungen der hybriden Bestrahlung auf den SchweiÞprozeß wurden anhand von Untersuchungen der Nahtbruchspannung, der Spaltüberbrückbarkeit und der Eigenspannungsbildung charakterisiert. Weiterhin wurden die beobachteten Modifikationen des Schweißprozesses durch eine Finite-Elemente-Simulation der Temperaturverteilung während des Schweißens analysiert. Durch die Hybridisierung des Laserdurchstrahlschweißens konnte eine signifikante Steigerung der Prozeßeffizienz und -stabilität erzielt werden.
Dr.-Ing. Alexander Hofmann
Grundlegende Untersuchungen zur Erfassung der realen Vorspannung von armierten KaltflieÞpresswerkzeugen mittels Ultraschall
Datum: 01.03.2006
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. mult. Dr. h.c. mult. Manfred Geiger, Prof. Dr.-Ing. habil. K. Steinhoff
In der Kaltmassivumformung hängt die Beanspruchung der formgebenden Matrize unter anderem entscheidend von der QualitÌt der Vorspannung ab, die der Beanspruchung durch den Umformprozess entgegenwirkt. Eine vorwiegend auf Fertigungstoleranzen zurückzuführende ungleichmäßige oder zu geringe Vorspannung führt zu einer vom idealen, angenommenen Zustand abweichenden Spannungsverteilung in der Matrize, die zum vorzeitigen Ausfall des Werkzeugs führen kann. Die Arbeit hatte daher zum Ziel, die Grundlagen für ein Messverfahren auf Basis der Ultraschalltechnik zu entwickeln, mit dem zerstörungsfrei die Vorspannungsverteilung in armierten Werkzeugen mit hoher Genauigkeit und Ortsauflösung bestimmt werden kann. Primäre Messgröße des Messverfahrens ist dabei die Charakteristik von in der Kontaktfuge reflektierten Ultraschallwellen, die ein Maß für den wahren Kontaktflächenanteil (WKF) in der Kontaktfuge zwischen Matrize und Armierungsring darstellt. Dieser Anteil resultiert aus der von der Flächenpressung abhängigen, in der Regel nicht vollständigen, plastischen Einebnung der Mikrotopografie beider Kontaktpartner. Im Rahmen dieser Arbeit konnten die Grundlagen für die zerstörungsfreie Messung der realen Vorspannung geschaffen werden, die der Sicherstellung von Vorspannungsbedingungen bereits vor dem Einsatz in der Presse dienen. Dies ist für die Prozesssicherheit und damit für die Produktionsplanung von entscheidender Bedeutung.
Automatisiertes Schichtverfahren für metallische Folien ? System- und Prozesstechnik
Datum: 21.02.2006
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. mult. Dr. h.c. mult. Manfred Geiger, Prof. Dr.-Ing. F.-W. Bach
Für eine Erweiterung der Verfahrensgrenzen sowie für eine Erhöhung der Wirtschaftlichkeit im Bereich des Kunststoff-Spritzgusses stellt die Technologie des automatisierten Metallfolien-LOM ein großes Potenzial dar. Die neue Prozesskette gliedert sich in zwei wesentliche Schritte, der autonomen Fertigung von Metallfolie-Paketen, d. h. zum gewünschten Objekt geometrisch Ìquivalenten Schichtsystemen, und dem Postprocessing. Basierend auf einem 3D-CAD-Modell wird also nach dem SLICE zunächst ein Grünling erstellt, indem jeweils die aktuelle Schicht durch Laserstrahlpunktschweißen an der Vorgängerschicht fixiert und anschließend die Kontur mittels Laserstrahltrennen erzeugt wird. Letzteres erfolgt je nach Freiraum unterhalb der zu generierenden Kontur durch Laserstrahlschneiden bzw. -abtragen. Da die StabilitÌt und Festigkeit entsprechender Folienpakete für eine Anwendung nicht ausreichend sind, dient das nachgeschaltete Diffusionsschweißen der Optimierung der mechanischen Eigenschaften. Eine Reduzierung der Oberflächenrauheit lässt sich in einem manuellen Finishing realisieren. Weitere Forschungsarbeiten sollten drei wesentliche Schwerpunkte beinhalten: Erweiterung der Systemtechnik, Verbesserung der OberflächenqualitÌt und Optimierung des Diffusionsschweißens komplexer Geometrien. Weitere Untersuchungen zu wichtigen Eigenschaften im Hinblick auf eine Anwendung im Formenbau seien angeregt: Wärmeleitfähigkeit und deren Anisotropie, integrierte Härtbarkeit sowie Polier-, Ätz- und Strukturierbarkeit.
Lebensdauerabschätzung von Werkzeugen der Kaltmassivumformung
Datum: 08.02.2006
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. mult. Dr. h.c. mult. Manfred Geiger, Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. R. Geiger, Prof. Dr.-Ing. habil. G. Kuhn
Werkzeuge der Kaltmassivumformung sind durch den Umformprozess höchstbelastet und versagen häufig durch Werkstoffermüdung. Die Werkzeugkosten bilden einen nicht unerheblichen Anteil an den Produktkosten; es besteht die wirtschaftliche Notwendigkeit die Werkzeuge auf maximale Lebensdauer auszulegen und zu optimieren. Die Auslegung und Optimierung von Werkzeugen wird heute vorwiegend empirisch durchgeführt. Die Lebensdauer von Werkzeugen bis zur Rissinitiierung lässt sich durch die Steifigkeit des Werkzeugverbundes sowie durch die Armierung und die geometrische Gestaltung des Werkzeugs entscheidend beeinflussen. Für eine zielgerichtete Werkzeugauslegung wurde in der Arbeit ein Konzept zur Lebensdauerabschätzung mittels eines energetischen Schädigungsparameters aufgegriffen und aufbauend auf Daten aus statischen und zyklischen Werkstoffversuchen an hochfesten PM Stählen weiterentwickelt. Die rechnerische LebensdauerabschÌtzung wurde anhand von Lebensdauerdaten von industriellen Werkzeugen verifiziert. Es war möglich zum einen den Ort des Versagens, zum anderen die zu erwartende Lebensdauer bis zur Rissinitiierung sehr genau vorherzusagen. Die Schädigungsrechnung und Lebensdauervorhersage wurde vollständig in eine bestehende FEM Umgebung integriert, ein wichtiger Aspekt für die Anwendbarkeit und Akzeptanz in der industriellen Werkzeugkonstruktion.
Dr.-Ing. Markus Meidert
2005
Grundlegende Untersuchungen zur Herstellung von Leichtbauverbundstrukturen mit Aluminiumschaumkern
Datum: 26.09.2005
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. mult. Dr. h.c. mult. Manfred Geiger, Prof. Dr.-Ing. R. F. Singer
Im Automobilbau wurden in den letzten Jahren erhebliche Anstrengungen hinsichtlich Leichtbaumaßnahmen unternommen. Neben steigenden Anforderungen zur Gewichtsreduzierung um Kraftstoffverbrauch und Emissionen zu minimieren, sind das wachsende Verlangen der Verbraucher nach höherem Komfort und verbessertem Insassenschutz, und der dadurch notwendige Einbau zusätzlicher Komponenten und Aggregate, die gleichzeitig mit einer stetigen Zunahme des Fahrzeuggewichts verbunden sind, Triebkräfte dieser Bemühungen. Kernverbundwerkstoffe zeichnen sich durch hohe Steifigkeit bei gleichzeitig geringem Bauteilewicht aus. Weiterhin besitzen Aluminiumschäume aufgrund ihres Eigenschaftsprofils ein groÞes Potenzial für die Verwendung als Kernstrukturen in solchen Komponenten, jedoch ist ihr Umformvermögen stark beschränkt Ziel dieser Arbeit ist es, das bestehende Wissensdefizit für die Umformung von Aluminiumschaum zu beheben und eine angepasste Prozess- und Werkzeugauslegung zu erarbeiten sowie Kenntnisse über geeignete Fügeverfahren bereitzustellen, die die Herstellung von Kernverbundbauteilen aus geschäumtem Aluminium und Blechwerkstoffen ermöglichen. Dazu werden das Werkstoffverhalten und die Umformeigenschaften von Aluminiumschaum bei erhöhter Temperatur untersucht und geeignete Technologien zum Fügen von zellularem Aluminium und Blechwerkstoffen charakterisiert und hinsichtlich ihrer Eignung bewertet.
Laserstrahlschmelzabtrag - Prozessanalyse und -modellierung
Datum: 04.08.2005
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. mult. Dr. h.c. mult. Manfred Geiger, Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. mult. H.K. Tönshoff
Das Laserstrahlschmelzabtragen konnte sich trotz seiner Vorzüge gegenüber den konkurrierenden Verfahren bis heute nicht durchsetzen, da das mangelnde Prozessverständnis die Beherrschung der Prozessführung erschwert und einer Prozessoptimierung im Wege steht. Diese ist aber dringend erforderlich, denn in dem für industrielle Anwendungen relevanten Bereich der Abtragsraten tritt eine rapide Verschlechterung der resultierenden OberflächenqualitÌt auf. Um einen Einblick in die ablaufenden Prozesse zu gewinnen und Strategien für die Stabilisierung des Verfahrensverlaufes zu erarbeiten, war deshalb eine Verbesserung des Prozessverständnisses erforderlich. Durch die im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten Untersuchungen konnten wesentliche neue Erkenntnisse über den Prozess gewonnen werden. Erstmals wurden die unterschiedlichen Systemzustände identifiziert und physikalischen Vorgängen zugeordnet. Durch die Definition der normierten gemittelten Amplitude ist die Möglichkeit einer Prozessüberwachungen geschaffen, und auch der Weg zur Qualitätsverbesserung und Prozessoptimierung durch Laserleistungsmodulation wurde theoretisch aufgezeigt und praktisch nachgewiesen. Hierdurch wurden die Voraussetzungen für eine industrielle Anwendung wesentlich verbessert.
Auslegung und Fertigung hochpräziser Faser-Kollimator-Arrays
Datum: 31.05.2005
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. mult. Dr. h.c. mult. Manfred Geiger, Prof. Dr.-Ing. R. Lerch
Der Einzug der optischen Datenübertragung in die System- und Rechnertechnik, aber auch die immensen Datenmengen, die in Fernbereichsnetzen übertragen werden müssen, erfordern häufig mehrere parallele Datenkanäle. Für die Ein- und Auskopplung des Lichts in bzw. aus parallelen Fasern ist der Einsatz von so genannten Faser-Kollimator- Arrays (FCAs) sinnvoll. Dies sind Faserarrays, die direkt mit Linsenarrays gekoppelt sind. Für die Realisierung hochwertiger Ûbertragungssysteme ist eine Anpassung der FCAs an die Toleranzen des jeweiligen Gesamtsystems erforderlich. Derzeit müssen hierfür meist komplexe Simulationswerkzeuge eingesetzt werden. Weiterhin sind geeignete, kostengünstige aber dennoch präzise Verfahren für die Justierung von Fasern in einer Arrayanordnung nicht ausreichend erforscht. In dieser Arbeit wurde eine einfache Methode zur Auslegung von Freiraumkoppelsystemen, die differenzierte Worst-Case-Analyse, entwickelt und an einem ausgewählten System angewendet. Die prinzipielle Eignung wird durch einen Vergleich mit den Ergebnissen einer gängigen Simulationssoftware bestätigt. Für die Justierung der Fasern in einer Arrayanordnung wurde die Anwendbarkeit der Laserstrahlmikrojustierung untersucht. Hierfür konnten geeignete Aktorgeometrien entwickelt und mittels Simulation optimiert werden. Sowohl die Simulationsergebnisse als auch erste Versuche zeigen, dass die Laserstrahlmikrojustierung für diese anspruchsvolle Justieraufgabe geeignet ist. Sie ermöglicht eine kostengünstige Fertigung hochprÌziser Faser-Kollimator-Arrays.
Dr.-Ing. Markus Stark
Großserientauglichkeit trockenschmierstoffbeschichteter Aluminiumbleche im Presswerk - Grundlegende Untersuchungen zur Tribologie, zum Umformverhalten und Bauteilversuche
Datum: 13.05.2005
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. mult. Dr. h.c. mult. Manfred Geiger, Prof. Dr.-Ing. H. Hoffmann
Die Großserienproduktion von Blechteilen aus Aluminium ist durchaus komplex und anspruchsvoll. Ein maßgeblicher Einflussfaktor der Prozesskette der Aluminiumblechteilefertigung ist dabei der Einsatz von Schmierstoffen. An Stelle der heute eingesetzten Platinenreinigungs- und Zusatzbeölungsanlagen will die Umformtechnik von morgen ohne Beölungseinrichtungen im Presswerk auskommen und auf nicht wertschöpfende Arbeitsschritte verzichten. Da der Schmierfilm die Blechoberfläche vor Schmutz und kleineren BeschÌdigungen schützt und als wesentlicher Bestandteil des tribologischen Systems zu optimalen Tiefzieheigenschaften beiträgt, kommt der Beölung eine Schlüsselfunktion zu. Diese Arbeit beschreibt neben den Umformeigenschaften und Applikationsverfahren auch die Auswirkungen der Schmierstoffauswahl auf die Prozesskette der lackierten Karosserie. Zur Bewertung der tribologischen Systeme werden Schmierstoffart und Schmierstoffmenge und ihr Zusammenwirken mit unterschiedlich texturierten Blechoberflächen in Grundlagenversuchen aber auch an Serienbauteilen untersucht. Fokus ist die Darstellung der reibzahloptimierten Abstimmung der Elemente eines tribologischen Systems, um möglichst gänstigste Prozessparameter zu erlangen.
Dr.-Ing. Markus Meiler
Laserunterstütztes Biegen höchstfester Mehrphasenstähle
Datum: 10.05.2005
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. mult. Dr. h.c. mult. Manfred Geiger, Prof. Dr.-Ing. T. Schuöcker,
Ziel dieses Forschungsvorhabens ist es, die werkstoff-physikalisch bedingten Formgebungsgrenzen beim Biegen von schwer umformbaren, höchstfesten Stahlblechen durch eine lokale ErwÌrmung des Blechs im Bereich der Biegelinie zu erweitern. Dazu sollen die höchstfesten Mehrphasenstähle, der Complexphasenstahl CP-W800 und der Martensitphasenstahl MS-W1200, laserunterstützt bis 180° gebogen und ein möglichst kleiner Biegeradius erzielt werden. Die Vergrößerung des Biegewinkels durch die Laserunterstützung beim Biegen kann mit beiden Stahlsorten erreicht werden. Beim Martensitphasenstahl kann der maximale Biegewinkel durch die Laserunterstutzung um 200%, von α20°C=43° bei Raumtemperatur bis auf α678°C=133° bei einer Temperatur von 678°C auf der strahlabgewandten Blechoberfläche erhöht werden. Diese Steigerung wird durch die thermische Aktivierung von zusätzlichen Gleitsystemen und durch die Änderung des Gefüges erreicht. Die Laserunterstützung ermöglicht beim Complexphasenstahl die Steigerung des maximalen Biegewinkels um 85%. Während beim kalten Biegen nur ein maximaler Biegewinkel von 72° schadensfrei hergestellt werden kann, kann beim laserunterstÏtzten Biegen ein Biegewinkel von 134° bei einer Temperatur von 783°C auf der strahlbewandten Seite erzielt werden.
Biegeumformen mit Elastomerwerkzeugen -? Modellierung, Prozessauslegung und Abgrenzung des Verfahrens am Beispiel des Rohrbiegens
Datum: 15.04.2005
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. mult. Dr. h.c. mult. Manfred Geiger, Prof. Dr.-Ing. M. Kleiner
Immer kürzer werdende Produktzykluszeiten sowie immer individuellere Anforderung an Produkte machen moderne Fertigungsverfahren notwendig, die eine effiziente und flexible Fertigung von Bauteilen ermöglichen. Eine hierfür geeignete Verfahrensgruppe stellt das Umformen mit Elastomerwerkzeugen dar. Zur Erweiterung der industriellen Nutzbarkeit dieser Verfahren ist eine Vergrößerung des herzustellenden Bauteilspektrums von essentieller Bedeutung. Eine Erweiterung des Spektrums auf Halbzeuge, die keinen flächigen Kontakt mit dem Elastomerwerkzeug eingehen ist mit Hilfe von flächigen Elastomerkissen möglich, die sich an die Kontur des Halbzeugs anpassen können. Die Arbeit zeigt am Beispiel des Rohrbiegens mit Elastomerwerkzeugen Strategien zur virtuellen Auslegung sowie zur online-Überwachung dieses Prozesses auf. Für eine virtuelle Prozessauslegung werden geeignete Methoden zur Ermittlung von Materialkennwerten, zur Auswahl eines Materialmodells sowie zur Prozessmodellierung mit Hilfe der Finite Elemente Simulation dargestellt. Im Rahmen der Prozessüberwachung wurde ein Folienmesssystem realisiert, mit dessen Hilfe Kontaktspannungen zwischen Werkzeug und Werkstück detektiert und überwacht werden können. Das Potential des Biegens mit Elastomerwerkzeug wird in dieser Arbeit anhand der resultierenden Bauteileigenschaften aufgezeigt.
Qualifizierung einer Prozesskette zum Laserstrahlsintern metallischer Bauteile
Datum: 23.03.2005
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. mult. Dr. h.c. mult. Manfred Geiger, Prof. Dr.-Ing. W. Schweiger
Das Laserstrahlsintern von Metallen ist ein noch relativ junges Verfahren zur Herstellung von Metallbauteilen. Primäres Einsatzgebiet ist das Rapid Prototyping und das Rapid Tooling. Es fehlten allerdings bisher genaue Kenntnisse über das Temperatur und das Spannungsfeld beim Laserstrahlsintern und über deren Beeinflussbarkeit. Während des Laserstrahlsinterns kann ein Prozessversagen im Bauteilaufbau in Form einer Schichtdelamination auftreten und die laserstrahlgesinterten Bauteile können sich bei der Nacharbeit und bei erhöhten Temperaturen verziehen. Beide Effekte sind Folgen von hohen Temperaturgradienten im Prozess und den daraus resultierenden Eigenspannungen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein FE-basiertes Prozessmodell entwickelt und auf den Laserstrahlsinterprozess angewendet. Es wurde nachgewiesen, dass zeitabhängige Prozessparameter wie die Scangeschwindigkeit einen wesentlichen Einfluss auf ein Auftreten einer Delamination haben, während der Verzug der Bauteile im wesentlichen durch den flächig eingebrachten Energieeintrag bestimmt wird. Diese Ergebnisse führten auch zur Einbettung des Laserstrahlsinterprozesses in eine Prozesskette mit nachgeschalteter Infiltration. Hierüber ist es möglich, bei vergleichbaren mechanischen Eigenschaften wie im konventionellen, einstufigen Prozess Bauteile wesentlich schneller und kostengünstiger mit niedrigerem Verzug zu fertigen.
2004
Massivumformung metallischer Kleinstteile bei erhöhter Prozesstemperatur
Datum: 15.12.2004
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. mult. Dr. h.c. mult. Manfred Geiger, Prof. Dr.-Ing. habil. F. Vollertsen
Bei der Verkleinerung von Umformprozessen können zwar die Bauteilabmessungen skaliert werden, jedoch bleibt die Korngröße des umzuformenden Werkstoffs in der Regel konstant. Dies führt dazu, dass die für das Ergebnis maßgebliche Umformzone nur noch aus wenigen Körnern besteht. Charakteristisch hierbei ist die deutliche Unregelmäßigkeit des Formänderungsverhaltens mit den Auswirkungen auf die Prozesskontrolle, -stabilität und BauteilqualitÌt. Entsprechend weist man dem Werkstoff in der Kaltmikroumformung den Charakter eines inhomogenen Kontinuums zu. Den Schwerpunkt der Arbeit bildet die Analyse des Einflusses einer erhöhten Prozesstemperatur auf das Formänderungsvermögen in der Mikroumformung. Dabei wird der Temperatureinfluss anhand verschiedener, für die Anwendung relevanter Kenngrößen wie Kraftbedarf, Materialfluss, Festigkeit (HÌrteverteilung) und Gestaltabweichung nachgewiesen. Die experimentellen Untersuchungen an den beiden Materialien CuZn15 und X4CrNi18-10 konzentrierten sich zunächst auf den Grundlagenversuch des Zylinderstauchens. Anschließend erfolgte die Bestätigung der Erkenntnisse auf die, hinsichtlich der industriellen Praxis relevanten Prozesse NapfrückwÌrts- und Querfließpressen. Die erzielten Ergebnisse tragen auch dazu bei, das bisherige Prozessverständnis in der Mikroumformung zu erweitern, um der Mikroumformtechnik eine weitere Möglichkeit bei der industriellen Umsetzung zu eröffnen.
Beitrag zur gezielten Beeinflussung des Werkstoffflusses beim Innenhochdruck-Umformen von Blechen
Datum: 30.11.2004
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. mult. Dr. h.c. mult. Manfred Geiger, Prof. Dr.-Ing. K. Roll
Leichtbau ist insbesondere in der Automobilindustrie ein stark anhaltender Trend, da auf dem Gebiet der Umweltverträglichkeit ein besonders hoher gesellschaftlicher und gesetzgeberischer Druck lastet. Im Hinblick auf die Fertigung der Fahrzeugkarosserie verfolgt man daher neben modernen Leichtbauwerkstoffen, neuen Rohbaukonzepten und innovativen Bauweisen auch neue Fertigungstechnologien, um die Potenziale der eingesetzten Werkstoffe voll zu nutzen. Eine dieser Technologien ist das Innenhochdruck- Umformen (IHU) von Blechen, das im Vergleich zu anderen wirkmediengebundenen Umformverfahren noch am Anfang ihrer industriellen Umsetzung steht, da insbesondere zur Umformung komplexer Strukturen keine ausreichende Kenntnis von erfolgversprechenden Prozessführungsstrategien vorhanden ist. Daher war es Ziel der Dissertation anhand einer Mustergeometrie den aktiv gesteuerten Gegenstempeleinsatz beim IHU von Blechen und dessen Einfluss auf die Formgebungsmöglichkeiten systematisch zu analysieren. Nachdem im Rahmen von numerischen Untersuchungen eine Analyse des Einflusses der tribologischen Verhältnisse, nichtlinearen Dehnungspfade und der Werkstoffmodellierung im FE-Modell durchgeführt wurde, konnte ein vertieftes Prozessverständnis für den Gegenstempeleinsatz geschaffen werden. Ein signifikant vorteilhafter Prozess ist mit einer mehrstufigen Fertigungsfolge erzielbar, deren Wirkung entscheidend von der Abstimmung der wesentlichen Prozessparameter Stempelweg, Drucksteuerung und Reibung abhängt. Anhand von experimentellen Untersuchungen konnte sowohl die Wirksamkeit der Umformstrategie als auch die Bewertung der Einflussfaktoren verifiziert werden.
Entwicklung prozessüberwachender Regelkreise für flexible Formgebungsprozesse
Datum: 02.09.2004
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. mult. Dr. h.c. mult. Manfred Geiger, Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. A. Weckenmann
Flexible Formgebungsprozesse wie das Laserstrahlumformen zeichnen sich durch die Verwendung formunabhängiger Werkzeuge aus und ermÎglichen somit eine effiziente Produktentwicklung. Variierende Halbzeugeigenschaften in Verbindung mit der fehlenden formgebenden Werkzeugtechnik führen aber auch zu unzureichender Reproduzierbarkeit der Produkte. Für einen industriellen Einsatz ist daher eine Regelung des Umformprozesses unabdingbar. Ziel der vorliegenden Arbeit war daher die Entwicklung prozessüberwachender Methoden und Algorithmen zur Regelung flexibler Formgebunsprozesse. Dabei sind Effizienz und Schnelligkeit der Regelung wesentliche Nebenbedingungen. Für eine effiziente Regelung muss bei dem Vergleich der aktuellen Geometrie mit der Zielgeometrie aufgrund der großen Datenmengen auf eine komplette Flächenrückführung der 3D-Messdaten verzichtet werden. Der Vergleich wird daher mit Hilfe signifikanter Merkmale durchgeführt. Die entwickelten Methoden und Algorithmen wurden exemplarisch anhand zweier Regelkreise für das Laserstrahlumformen umgesetzt. Der erste Regelkreis ist im Bereich des Rapid Prototypings anzusiedeln. Hier wurde aufbauend auf einem existierenden Technologieprozessor ein prozessüberwachender Regelkreis für das Laserstrahlumformen viereckiger Hohl- Strangpressprofile entwickelt. Ein Einsatz dieses Systems ist im Umfeld der Spaceframe- Technologie möglich. Der zweite Regelkreis ermöglicht das Richten komplexer Freiformgeometrien, z.B. von Karosseriebauteilen. Beiden Regelkreisen liegt die gleiche methodische Vorgehensweise zugrunde. Die gezeigte erfolgreiche Verbindung fertigungstechnischer und informationstechnischer Methoden ermöglicht auch in Zukunft ein breites Anwendungsfeld für die schnelle Regelung und die Automatisierbarkeit flexibler Formgebungsprozesse.
Grundlegende Untersuchungen einer neuen Rapid Tooling Technik für die Blechumformung
Datum: 06.08.2004
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. mult. Dr. h.c. mult. Manfred Geiger, Prof. Dr.-Ing. H. Hoffmann
Rapid Tooling Techniken stellen innovative Fertigungstechnologien für die schnelle und vollautomatisierte Herstellung von Werkzeugen dar. Ausgehend vom bestehenden Rapid Prototyping (RP) Verfahren Laminated Object Modelling (LOM) werden in dieser Dissertation das zum Einsatz kommende Werkstoffsystem und auch der Fertigungsprozess weiterentwickelt, um belastungsoptimierte Werkzeuge herstellen zu können. Dabei werden zur Steigerung der mechanischen Festigkeiten der Papier-LOMWerkzeuge in einem zusätzlichen Prozessschritt diese vollständig mit Epoxydharz infiltriert. Die für die Werkstoffbeschreibung notwendigen Materialkennwerte werden in experimentellen Versuchen ermittelt. Der RPtypische, schichtweise Aufbau erfordert die Bestimmung der, von der jeweiligen Belastungsrichtung abhängigen, mechanischen und tribologischen Kennwerte. Ausgehend von diesen anisotropen Werkstoffkennwerten erfolgt die Modellierung des Umformvorgangs mit volumenvernetzten Werkzeugen. Hierdurch lässt sich insbesondere der durch die Deformation des belasteten Werkzeugs beeinflusste Umformprozess vorhersagen. Die technische und wirtschaftliche Eignung des neuen Werkstoffsystems wird anhand ausgewählter Probegeometrien aus der Automobil- und Luftfahrtpraxis überprüft. Dabei zeigt sich das Potential dieser neuen Technologie zur Herstellung von Werkzeugen für die schnelle und kostengünstige Fertigung von Prototypen aus Aluminium- und Stahlblech.
Dr.-Ing. Thorsten Schell
Laserstrahljustieren mittels Aktoren ? Entwicklung von Konzepten und Methoden für die rechnerunterstützte Modellierung und Optimierung von komplexen Aktorsystemen in der Mikrotechnik
Datum: 12.07.2004
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. mult. Dr. h.c. mult. Manfred Geiger, Prof. Dr.-Ing. W. Schweiger
Die zunehmende Miniaturisierung von Funktionsträgern in elektronischen, optischen und mechanischen Geräten verlangt ein immer höheres Maß an Präzision. Das Laserstrahljustieren mittels Aktoren stellt ein innovatives Verfahren dar, dessen Potential vor allem in den Bereichen der Mikrotechnologie, wo Bauteile in der Serienfertigung hochgenau justiert werden müssen, genutzt werden kann. Um die in der neuen Prozesskette notwendige Justierung durchführen zu können, wird zwischen den Träger und das relevante Funktionselement ein Aktor gefügt. Dieser Aktor ermöglicht die Bewegung des Funktionselements durch eine Umwandlung der Laserenergie in eine entsprechende Verschiebung. Das Aktorsystem ist dabei fester Bestandteil der Baugruppe. Um sehr kleine Biegungen und Verschiebungen mit sehr hoher Genauigkeit zu erzielen, sind spezielle Aktorgeometrien notwendig. Allerdings fehlte zu deren Konzeption noch eine methodische Vorgehens- und Berechnungsweise. Für einfache Justieraufgaben kann ein intuitiver Entwurfsprozess zu Lösungen für ein Aktordesign führen. Bei komplexeren Aufgaben sind jedoch Entwurfsprinzipien notwendig. Wesentliches Ziel dieser Arbeit war daher die Formulierung von Gestaltungsregeln für Aktorsysteme sowie die Entwicklung eines Systemkonzeptes für den Aufbau eines modularen Konstruktionssystems, das in der Lage ist, jeden Arbeitsabschnitt der Produktentstehungsphasen durch eigenständige Systemkomponenten zu unterstützen und aufbauend auf der vom Konstrukteur formulierten Problemstellung Lösungsvorschläge zu erarbeiten.
Wirkmedienbasierte Blechumformung: Grundlagenuntersuchungen zum Einfluss von Werkstoff und Bauteilgeometrie
Datum: 07.06.2004
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. mult. Dr. h.c. mult. Manfred Geiger, Prof. Dr.-Ing. M. Kleiner
Die wirkmedienbasierte Blechumformung stellt eine innovative Fertigungstechnologie dar, mit der komplexe Hohlkörper mit optimalen Leichtbaueigenschaften hergestellt werden können. Mit Hilfe der analytischen Modellierung, der Finite Elemente Simulation und der experimentellen Versuche werden in dieser Dissertation verschiedene Theorien, Methoden und Techniken entwickelt, die zur Behebung des Wissensdefizits bezüglich der wesentlichen Wechselwirkungen zwischen Bauteilgeometrie, Werkstoffeigenschaften und Umformergebnissen beitragen. Insbesondere stellen die in der Arbeit definierten Formfaktoren für die freie und formgebundene Aufweitung (HSF1 und HSF2), der Werkstofffaktor (HMF) sowie das analytische Modell der formgebundenen Aufweitung der Bauteilkanten einige effektive und einfache Methoden für den Konstrukteur und Prozessingenieur dar. Sie ermöglichen die verfahrensgerechte Auslegung der Bauteilgeometrie, die Auswahl einer geeigneten Werkstoffpaarung und die Vorhersage der optimalen Prozessparameter bei der wirkmedienbasierten Blechumformung. Weiterhin werden verschiedene praxisorientierte Hinweise zur Bauteilgestaltung und Prozessauslegung, sowie mehrere systemtechnische Maßnahmen zur Erhöhung der Prozessrobustheit und zur Erweiterung der Formgebungsgrenzen vorgeschlagen. Insbesondere stellt der Einsatz eines im Wirkmedium gemischten Dichtstoffs eine innovative Technik zur inneren Abdichtung der Bauteile im Prozess dar. Mit Hilfe dieser Technologie können höhere Umformgrade und robustere Prozesse erreicht werden.
Tribologische Eigenschaften keramischer Blechumformwerkzeuge - Einfluss einer Oberflächenbearbeitung mittels Excimerlaserstrahlung
Datum: 19.01.2004
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. mult. Dr. h.c. mult. Manfred Geiger, Prof. Dr.-Ing. Dipl.-Wirtsch.-Ing. P. Groche
Der tribologische Zustand in der Kontaktzone zwischen Werkzeug und Werkstück hat in der Blechumformung entscheidenden Einfluss auf die Verfahrensgrenzen, die Prozessstabilität, die Produktqualität und die Werkzeuglebensdauer. Das Werkzeug, dessen tribologische Eigenschaften in erster Linie durch den Werkstoff und die Oberfläche bestimmt werden, stellt dabei einen der wesentlichen Einflussparameter dar. Keramische Werkstoffe sind vor allem aufgrund ihrer hohen Verschleißbeständigkeit auch für Werkzeuge der Umformtechnik von zunehmendem Interesse und werden im Bereich der Blechumformung bereits erfolgreich eingesetzt. Neben den hohen Kosten steht einem breiteren Einsatz keramischer Umformwerkzeuge derzeit jedoch noch ein Wissensdefizit bezüglich der Betriebseigenschaften keramischer Bauteile unter den für die Blechumformung typischen Belastungen im Wege. In dieser Arbeit steht der Einfluss der Oberfläche keramischer Werkzeuge (Si3N4) auf die Reib- und Verschleißeigenschaften im Mittelpunkt. Die Endbearbeitung der Oberflächen erfolgt zunächst mittels konventioneller, spanender Verfahren mit geometrisch unbestimmter Schneide (Schleifen, Läppen). Anschließend werden die beiden Varianten der Oberflächenendbearbeitung mittels Excimerlaserstrahlung, die Oberflächenmodifikation und die -strukturierung, hinsichtlich ihrer Möglichkeiten zur Beeinflussung der tribologischen Eigenschaften keramischer Werkzeuge untersucht. Zur Ermittlung der tribologischen Eigenschaften werden drei Modellversuche, der Streifenziehversuch, der Näpfchenziehversuch und der intermittierende Streifenziehversuch mit Umlenkung eingesetzt.
2003
Entwurf hochdynamischer Sensor- und Regelsysteme für die adaptive Laserbearbeitung
Datum: 15.12.2003
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. mult. Dr. h.c. mult. Manfred Geiger, Prof. Dr.-Ing. R. Lerch
Intelligente Strahlwerkzeuge befreien ihre Anwender von den Aufgaben einer präzisen Prozessplanung und der Kenntnis des Prozessfensters der jeweiligen Applikation. Durch Regelung verhindern sie unzulässige Prozessschwankungen und eine oft fehlerhafte Prozessführung mit statischen, a priori festgelegten Aktuatorstellungen. Um Laser mit den attraktiven Eigenschaften eines intelligenten Strahlwerkzeugs auszurüsten, bedarf es einer automatisiert ablaufenden, zeitlich wie örtlich geführten Energiedeposition. Diese Arbeit zeigt den Weg dorthin auf. Sie widmet sich anschließend den resultierenden wesentlichen Fragestellungen der sensorischen Erfassung und aktuatorischen Beeinflussung der am Bearbeitungsobjekt applizierten Energiedichte. Da Einfluss oder Wirkung der Aktuatoren je nach Prozesszustand und begleitenden Störgrößen rapide variieren können, wird eine Numerik für die sensorische Erfassung einer unbekannten schwankenden Streckendynamik entwickelt. Ein Beispiel erläutert die regelungstechnische Nutzung der (Echtzeit)Numerik. Mit ihr gelingt es, mehrere schnell konvergierende adaptive Regelkreise auf kostengünstiger PC-Hardware parallel im Multi-kHz-Bereich zu betreiben. Dabei kommt der axialen Abstandsmessung bei der Erfassung der Energiedichte eine Schlüsselrolle zu. Mehrere neue Verfahren mit attraktiven Eigenschaften werden hierzu vorgestellt. Um Relevanz für den industriellen Einsatz zu erzielen, wurden alle Verfahren unter die Prämisse Robustheit und niedrige Systemkomplexität gestellt.
Rechnergestützte Anpassung von Laserstrahlschneidbahnen an Bauteilabweichungen
Datum: 11.12.2003
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. mult. Dr. h.c. mult. Manfred Geiger, Prof. Dr.-Ing. H. Bley
Offline-programmierte Laserstrahlschneidbahnen müssen beim Laserstrahlschneiden von komplexen Blechformteilen im Prototypenbau oftmals manuell korrigiert werden. Die Korrektur ist notwendig, da die in der Fertigung vorliegende Geometrie eines Werkstücks von der idealisierten Planungsgrundlage des Offline- Programmiersystems abweichen kann. Die Ursachen der Abweichung, wie der Eigenspannungszustand oder eine Fehleinspannung des Bauteils, sind äußerst komplex und können nicht genau vorhergesagt werden. Zudem kann für Prototypenbauteile nicht der gleiche Aufwand für die Spanntechnik betrieben werden, wie dies bei Serienbauteilen der Fall ist. Das manuelle Anpassen ist eine sehr zeitaufwendige Tätigkeit, sodass hierdurch die Effizienz des Prototypenbaus abnimmt. Diese Arbeit setzt sich daher mit der Entwicklung einer Methode zur rechnergestützten Anpassung von Laserstrahlschneidbahnen an Bauteilabweichungen auseinander. Der Ansatz sieht vor, markante Merkmale auf dem Ist- und Soll-Bauteil zu verwenden. Bezüglich dieser Merkmale und der Bauteiloberfläche werden die Konturpunkte beschrieben. Durch diese geodätisch basierte Koordinatenbeschreibung sowie die gezielte Anwendung der Graphentheorie ist die Rekonstruktion von Bearbeitungskonturen aus elementaren Konturbestandteilen auf ähnlichen Geometrien innerhalb spezifizierter Toleranzen möglich. Die algorithmische Erschließung der Anpassungsproblematik stellt eine wichtige Grundlage dar, um die Effizienz beim Laserstrahlschneiden von Formteilen zu steigern.
System- und Prozeßtechnik für das simultane Löten mit Diodenlaserstrahlung von elektronischen Bauelementen
Datum: 21.11.2003
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. mult. Dr. h.c. mult. Manfred Geiger, Prof. Dr.-Ing.
Die Elektronikproduktion bedarf einer leistungsfähigen und wirtschaftlichen Fügetechnologie, die den Trends zur Miniaturisierung und Funktionsintegration gerecht wird. Die etablierten Löttechnologien stoßen jedoch zunehmend an ihre Grenzen, z. B. bei schwer zugänglichen Lötstellen oder bei thermisch empfindlichen Bauelementen und Substraten. Einen Lösungsansatz für derartige fügetechnische Aufgabenstellungen bietet das simultane Laserstrahllöten. Gegenstand der Dissertation ist deshalb, die system- und prozeßtechnischen Grundlagen für diese Fügetechnologie zu schaffen. Hierzu wurde ein Lötsystem konzipiert und als Versuchsanlage mit prototypenhaftem Charakter aufgebaut, dessen wesentliche Komponente ein Lötkopf mit vier Diodenlasern und einer adaptiven Strahlformung zur Erzeugung variabler Lichtlinien ist. Durch die prozeßtechnischen Untersuchungen konnte gezeigt werden, daß das simultane Laserstrahllöten geeignet ist, oberflächenmontierbare Bauelemente unterschiedlicher Bauformen sowohl auf Standardsubstrate als auch auf dreidimensionale, thermoplastische Schaltungsträger zu fügen. Allerdings führen die kurzzeitig auftretenden hohen Spitzentemperaturen von bis zu 500 °C teilweise zu einer Reduzierung der Metallisierungshaftung. Durch eine Modulation der Laserleistung, die den Soll-Temperaturverlauf pyrometrisch geregelter Lötprozesse nachbildet, kann dieser Effekt verhindert werden. Mit dieser Prozeßführung ist es sogar möglich, auf dem thermisch empfindlichen ABS-Substrat zu löten, wodurch der MID-Technik ein Werkstoff erschlossen wird, der wegen seines geringen Preises und der großindustriell verfügbaren Metallisierungstechnik ideal für Low-Cost-Anwendungen geeignet ist.
Scherschneiden und Biegen metallischer Kleinstteile - Materialeinfluss und Materialverhalten
Datum: 26.05.2003
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. mult. Dr. h.c. mult. Manfred Geiger, Prof. Dr.-Ing. P. Groche
Der Miniaturisierungstrend bei technischen Erzeugnissen führt zu einer steigenden Nachfrage nach Metallteilen mit immer kleiner werdenden Abmessungen. Mit den Verfahren der Blechbearbeitung können solche Teile wirtschaftlich hergestellt werden, allerdings stellen die geringen zulässigen Toleranzen hohe Anforderungen an die Prozessauslegung. Ferner müssen Effekte berücksichtigt werden, die durch die geringen Werkstückgrößen bedingt sind; beispielsweise liegen bei einem Umformprozess mit Abmessungen in der Größenordnung von wenigen 100 Mikrometern unter Umständen nur noch wenige Körner in der Umformzone, so dass im Gegensatz zu konventionellen Umformprozessen nicht mehr von homogenem Werkstückmaterial ausgegangen werden kann. Hieraus ergeben sich Besonderheiten hinsichtlich des Materialverhaltens, die in der vorgelegten Dissertation behandelt werden. Am Beispiel des Biegens und des Scherschneidens von Feinstblechen wird der Einfluss von Werkzeuggeometrie und Materialparametern auf den jeweiligen Prozess untersucht. Mit speziellen Werkzeugen und einer an die geringen Prozessabmessungen angepassten Messtechnik werden die auftretenden Kräfte, unter Zuhilfenahme eines optischen Dehnungsmeßsystems der Werkstofffluss sowie sich einstellende geometrische Größen nach dem Prozess analysiert. Unter anderem werden der Einfluss der Materialanisotropie beim Scherschneiden und die Auswirkungen von inhomogenem Werkstückmaterial beim Biegen dargestellt. Die gewonnenen Erkenntnisse ermöglichen eine verbesserte Prozessauslegung und eine höhere Genauigkeit der herzustellenden Werkstücke.
Excimerlaserstrahlbiegen dünner metalliescher Folien mit homogener Lichtlinie
Datum: 15.04.2003
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. mult. Dr. h.c. mult. Manfred Geiger, Prof. Dr.-Ing. K. Feldmann
Das Umformen mittels thermisch induzierter Spannungen hat, ausgehend vom Flammrichten im Schiffsbau, durch den Einsatz der Lasertechnologie auch Einzug in die Mikrotechnik gehalten. Um Biegungen zu realisieren, macht man vom Temperaturgradienten- Mechanismus (TGM) Gebrauch. Die dabei mittels Laser zunächst induzierten thermischen Druckspannungen lassen sich so auf oberflächennahe Bauteilbereiche begrenzen und können hier ? bei gleichzeitiger, vorübergehender Reduktion der Festigkeit durch die Erwärmung ? eine plastische Deformation unter Druck bewirken. Als Folge der Kontraktion während des Abkühlens, entstehen an der bestrahlten Oberfläche Zugeigenspannungen, die zu einer bleibenden Gestaltänderung führen. Der TGM erlaubt so eine inkrementelle Umformung des Bauteiles. Der Excimerlaser ist eine geeignete Strahlquelle für das berührungslose Biegen dünnster metallischer Folien (typischer Weise der Dicke 10 µm bis 100 µm). Beim Biegen mit hoher Laserstrahlenergie kann es neben dem reinen thermisch induzierten Biegen zum Schmelzen und zur Ablation an der bestrahlten Oberfläche kommen. Die Erhöhung der Energiedichte des Excimerlasers führt daher nicht zwangsläufig zu größeren Biegewinkeln. Die Arbeit beleuchtet umfassend das Excimerlaserstrahlbiegen mit homogener Lichtlinie, diskutiert verschiedene analytische Prozessmodelle und beschreibt die auftretenden Phänomene beim Biegen mittels Energiedichten oberhalb der Abtragsschwelle in einem neu entwickelten qualitativen Modell. Die analytischen Modelle sind in Verbindung mit der erarbeiteten Wissensbasis wertvolle Hilfsmittel zur Prozessauslegung des Excimerlaserstrahlbiegens.
2002
Simulationsbasierte Bestimmung der zu erwartenden Maßhaltigkeit für das Blechbiegen
Datum: 19.12.2002
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. mult. Dr. h.c. mult. Manfred Geiger, Prof. Dr.-Ing. M. Kleiner
Während die Biegestadienplanung mit Hilfe von Computern gelöst werden kann, stellt die Maßhaltigkeit beim Blechbiegen eine Herausforderung dar. Insbesondere der Einfluss des Biegestadienplans auf die Maßhaltigkeit ist bisher wenig untersucht worden. In der Arbeit ist ein Verfahren beschrieben, um diesen Aspekt computerunterstützt im Rahmen der Biegestadienplanung berücksichtigen zu können Das Fertigungsergebnis beim Blechbiegen ist vielen Einflüssen unterworfen, welche die erreichbare Genauigkeit der Biegeoperation reduzieren. Hier sind unter anderem Werkstoffkennwerte, die Positioniergenauigkeit von Werkzeugmaschinen, welche die Genauigkeit des Zuschnitts beeinflusst, sowie die Handhabungsgenauigkeit durch den Bediener einer Presse zu nennen. Aus diesen Gründen sind Schwankungen in den Bearbeitungsergebnissen beim Blechbiegen unvermeidlich. Die Fehlerfortpflanzung führt dazu, das auch kleine Schwankungen im Laufe der Fertigung zu großen Abweichungen führen können. Durch Verwendung empirischer Daten, in denen die auftretenden Abweichungen in zwei Klassen unterschieden werden – Winkelabweichungen und Abweichungen in der Positionierung – wird in der Arbeit die zu erwartende Maßhaltigkeit für einen Biegestadienplan und eine Maschinenzuordnung mit Hilfe der Monte-Carlo Simulation bestimmt. Die Fehlerfortpflanzung wird implizit nachgebildet, indem für jeden Umformschritt die Position der Biegekante in Abhängigkeit von der bis dahin erzeugten Geometrie bestimmt wird. Die Simulationsergebnisse werden in Fähigkeitsindizes zusammengefasst. Hiermit kann das in der Biegestadienplanung vorhandene Potential zur Verbesserung der Maßhaltigkeit beim Blechbiegen simulationsgestützt erschlossen werden.
Integrierte Fertigung - Verfahrensintegration durch Innenhochdruck - Umformen, Trennen und Laserstrahlschweißen in einem Werkzeug sowie ihre tele- und mulitmediale Präsentation
Datum: 19.12.2002
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. mult. Dr. h.c. mult. Manfred Geiger, Prof. Dr.-Ing. A. Weckenmann
Die Verkürzung von Prozessketten und die Verbindung innovativer Fertigungsverfahren bieten eine Vielzahl von Möglichkeiten zur Erhöhung der Komplexität sowie der Bauteilqualität technischer Produkte und ermöglichen die Erschließung von Einsparungspotenzialen durch die Integration und Reduzierung von Einzelprozessen. Aus diesem Grund wird in vorliegender Arbeit exemplarisch eine verkürzte Prozesskette zur Herstellung flächiger Leichtbauteile entwickelt, die die Prozesse Vorformen mittels Innenhochdruck-Umformen (IHU), Trennen durch mechanisches Scherschneiden, Fügen mittels Laserstrahlschweißen und Ausformen/Kalibrieren mittels IHU in einem Werkzeug integriert. Der Schwerpunkt der durchgeführten Arbeiten liegt in einer systematischen systemtheoretischen, prozess- und systemtechnischen Modellierung der Integration des Laserstrahlschweißprozesses sowie in seiner Implementierung und experimentellen Optimierung. Obwohl die Blechpaare durch den vorangehenden IHU-Prozess mit IHU-Medium und Schmierstoff kontaminiert sind, lässt sich durch eine geeignete Prozessführung eine hohe Nahtqualität sicherstellen und somit der Nachweis der Realisierbarkeit der untersuchten Verfahrensintegration führen.
In einem interdisziplinären Ansatz werden die gewonnenen Erkenntnisse zusätzlich in einer wissenschaftlich fundierten tele- und multimedialen Präsentation dargestellt, die die Vermittlung des vorwiegend deklarativen Wissens in einem zeit- und ortsungebundenen E-Learning mit hoher Anschaulichkeit, Flexibilität und Lernwirksamkeit ermöglicht.
Innenhochdruck-Umformen von Blechen aus Aluminium- und Magnesiumlegierungen bei erhöhter Temperatur
Datum: 07.11.2002
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. mult. Dr. h.c. mult. Manfred Geiger, Prof. Dr.-Ing. M. Kleiner
Dank intensiver Zusammenarbeit von Forschung und Industrie hat sich das Innenhochdruck-Umformen von Rohren als Herstellverfahren für hochintegrierte Bauteile wie Automobil-Fahrwerke, Abgasanlagen und Rohrfittings in der Industrie etabliert. Um die Vorteile der wirkmedienbasierten Umformverfahren auch für flächige Bauteile nutzbar zu machen, ist die Umformung von Blechen mittels Innendruck Gegenstand aktueller Forschungsarbeiten. Gewichtsoptimierte Strukturen sollen dabei durch den Einsatz moderner Leichtbauwerkstoffe, wie Aluminium- und Magnesiumlegierungen realisiert werden, deren Leichtbaupotenzial durch möglichst gleichmäßige Umformung und Verfestigung des Ausgangsblechs vollständig genutzt werden soll. Dies wird allerdings derzeit durch die im Vergleich zu Tiefziehstählen schlechtere Umformbarkeit erschwert. In dieser Arbeit wird das Innenhochdruck-Umformen von Leichtmetallblechen bei Temperaturen bis zu 300 °C qualifiziert, bei denen sich das Umformverhalten dieser Werkstoffe deutlich verbessert. Hierzu wurde sowohl der Temperatureinfluss auf Umformverhalten und spätere Gebrauchseigenschaften der Werkstoffe untersucht, als auch die zur Prozessführung erforderliche Systemtechnik realisiert und die Eignung von Methoden zur Prozessauslegung, wie analytische Abschätzungen und FE-Simulation bewertet. Anhand experimenteller Ergebnisse wurde nachgewiesen, dass der für diese Prozessführungsstrategie erforderliche erhöhte Aufwand für Systemtechnik und Prozessführung technisch und wirtschaftlich gerechtfertigt sein kann, da dadurch extrem leichte und hochfeste Bauteile herstellbar werden.
Neue Aktorik und Sensorik für Bearbeitungsköpfe zum Laserstrahlschweißen
Datum: 05.08.2002
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. mult. Dr. h.c. mult. Manfred Geiger, Prof. Dr. rer. nat. Jens Christiansen
Die konsequente Umsetzung einer Verbesserungs- und Optimierungsstrategie bei der Fertigung im Spannungsfeld von Qualität und Wirtschaftlichkeit ist eine Möglichkeit zur Effizienzsteigerung in der Produktion. Sie führt zu stetigen Produktivitätssteigerungen bei gleichbleibender oder ebenfalls steigender Qualität. Aber je höher die Gesamteffizienz der Fertigung ist, desto geringer sind die Potenziale für weitere Verbesserungen – der Optimierungsprozess gehorcht einem Pareto-ähnlichen Prinzip. Sollen grundlegende Verbesserungen erreicht werden, so müssen die existierenden Fertigungsverfahren nicht nur optimiert, sondern durch systemtechnische Änderungen modifiziert werden. Das Ziel dieser Arbeit ist es, mit Untersuchungen und der Realisierung von einer neuen Sensorik sowie einer neuen Aktorik einen Beitrag zur Systemtechnik für die Fokuslagennachführung beim Laserstrahlschweißen zu leisten. Im Rahmen der Arbeit werden die Konzeption, die theoretischen Grundlagen und die Umsetzung einer transmissiven, aktiven Linse (TAO) und einer Abstandssensorik auf Basis der aktiven Triangulation behandelt. Experimentelle Untersuchungen der realen Eigenschaften dieser neuartigen Schlüsselkomponenten für das abstandskontrollierte Laserstrahlschweißen verifizieren die theoretisch ermittelten Ergebnisse und erlauben in Verbindung mit weiteren Simulationen und Modellbildungen ein Verständnis der komplexen Zusammenhänge zwischen Laserstrahl bzw. Laserschweißprozess und den neuen Systemkomponenten. Mit dieser Arbeit wurde ein konsequenter Schritt zur Erweiterung des Angebots der verfügbaren Komponenten getan und gleichzeitig das Potenzial für eine Ausdehnung der Einsatzgebiete der Lasertechnologie geschaffen.
Erweiterung der Formgebungsgrenzen beim Umformen von Alu-miniumwerkstoffen durch den Einsatz prozessangepasster Platinen
Datum: 12.06.2002
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. mult. Dr. h.c. mult. Manfred Geiger, Prof. Dr.-Ing. R. F. Singer
Im Rahmen der Arbeit wurde das Verfahren der prozessangepassten Platinen zur Erweiterung der Formgebungsgrenzen beim Umformen aushärtbarer AlMgSi-Legierungen grundlegend untersucht. Das wesentliche Ergebnis dieser Arbeiten ist, dass sich durch eine lokale Wärmebehandlung, welche die mechanischen Eigenschaften der untersuchten Legierungen gezielt verändert, die Zieheigenschaften von aushärtbaren Aluminiumlegierungen deutlich verbessern lassen. Bei der Wahl geeigneter Laserbestrahlungsparameter erfolgt eine Auflösung der den ausgehärteten Zustand charakterisierenden MgSi-Cluster und MgSi-Ausscheidungen. Dieser Zustand zeichnet sich durch eine deutlich geringere Streckgrenze Rp0,2 und eine geringere Zugfestigkeit Rm aus. Die Bruchdehnung A80 wird durch die Laserbestrahlung erhöht. Die lokale Beeinflussung der mechanischen Eigenschaften in der Umformzone von Tiefziehplatinen durch eine laserinduzierte Wärmebehandlung führt zu einer deutlichen Verbesserung des Tiefziehverhaltens aushärtbarer Aluminiumlegierungen. Dies zeigt sich an einer bedeutenden Erhöhung des Grenzziehverhältnisses. Beispielsweise konnte das Grenzziehverhältnis der Legierung AA6181A von 2,1 im Zustand T4 auf 2,7 durch den Einsatz prozessangepasster Platinen gesteigert werden. Das Verfahren der prozessangepassten Platinen lässt sich zusätzlich zum konventionellen Tiefziehen aber auch für andere Umformverfahren (z.B. Hochdruck-Blechumformung) und Technologien (Tailored Blank Technologie) erfolgreich anwenden.
Simultanes Löten von Anschlußkontakten elektronischer Bauelemente mit Diodenlaserstrahlung
Datum: 21.05.2002
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. mult. Dr. h.c. mult. Manfred Geiger, Prof. Dr.-Ing. W. Sauer
Das Laserstrahllöten elektronischer Bauelemente ist ein selektives Verfahren, bei dem einzelne elektronische Bauelemente gefügt werden. Normalerweise werden mit diesem Verfahren die Anschlüsse zeitlich aufeinanderfolgend mit dem Laserfokus angefahren und gelötet. Gerade bei hochpoligen Bauelementen ist allerdings diese sequentielle Methode recht zeitaufwendig. Zur Steigerung der Produktivität des Laserstrahllötens werden simultane Lötstrategien entwickelt, bei denen durch eine geeignete Strahlführung und -formung die Bauelementanschlüsse gleichzeitig beleuchtet und erwärmt werden. Zusätzlich wird die Kombination von Bestücken und simultanem Laserstrahllöten mit einem Werkzeug untersucht, indem die entwickelten Strahlformungsmodule mit einer Bestückpipette in einem Pick-and-Place-System kombiniert werden. Da beim simultanen Laserstrahllöten keine gezielte Einflussnahme auf den Lötprozess des einzelnen Anschlusses mehr möglich ist, sind andere Qualitätssichernde Komponenten in dem Bearbeitungskopf integriert. Das Bauelement wird über die Vakuumpipette während des Laserstrahllötprozesses akustisch in Schwingungen versetzt was die Benetzung der Fügepartner fördert. Anhand der optisch detektierten Beinchenbewegung wird anschließend der Lötprozess charakterisiert. Mit dieser Methode ist es möglich einzelne Stadien des Lötprozesses zu identifizieren und somit die Fügeverbindung zu charakterisieren.
Grundlegende Untersuchungen zum Nd:YAG-Laserstrahlfügen von Silizium für Komponenten der Optoelektronik
Datum: 23.04.2002
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. mult. Dr. h.c. mult. Manfred Geiger, Prof. Dr. rer. nat. A. Winnacker
Eine Vielzahl von optischen und elektrooptischen Komponenten für die Telekommunikation basiert auf Silizium als Substrat- oder Chip-Material. Sowohl für neue Bauteile als auch für die stetige Verbesserung bestehender Produkte sind laserstrahlunterstützte Fügetechnologien zur Ergänzung konventioneller Fügeverfahren von großer Bedeutung. Im Mittelpunkt der Dissertation steht die Frage, welche Möglichkeiten die Lasertechnologie beim Fügen von Siliziumsubstraten bzw. bei der Glasfaser-Chip-Kopplung bietet. us der für Halbleiter typischen Strahl-Stoff-Wechselwirkung, den Ergebnissen von Grundlagenversuchen zum lokalen Aufschmelzen von Siliziumwafern mittels gepulster Nd:YAG-Laserstrahlung und umfangreichen FE-Simulationen wird ein Prozessmodell abgeleitet, welches die Phasen- und Geometrieänderungen (Aufwurfbildung) beschreibt. Die gewonnenen Erkenntnisse werden beim lasergestützten Fixieren von Glasfasern in Silizium-V-Nuten für optische Komponenten angewendet. Im Rahmen der Dissertation werden hierbei das Laserstrahlklemmen/-schweißen sowie das Laserstrahlhart- und -weichlöten betrachtet. Insbesondere das Löten mit AuSn-Lot besitzt Potenzial, die industriell eingesetzten Klebeverfahren zu ergänzen oder zu ersetzen. Der dritte Schwerpunkt der Dissertation bezieht sich auf das Nd:YAG-Laserstrahlschweißen von Siliziumsubstraten. Aufgrund des spröden Materialverhaltens von einkristallinem Silizium ist das Schweißen stets mit einer ausgeprägten Rissentstehung verbunden, die zum Versagen der Fügeverbindung führt. Numerische und experimentelle Untersuchungen zeigen, dass ein Vorwärmen der Probe zu einer Reduzierung der Rissbildung führt. Je höher die Vorwärmtemperatur und je homogener die Vorwärmung ist, desto geringer sind die resultierenden Eigenspannungen. Bei geeigneten Prozess- und Laserparametern können rissfreie Fügeverbindungen realisiert werden.
Laserstrahlunterstützte Erzeugung metallischer Leiterstrukturen auf Thermoplastsubstraten für die MID-Technik
Datum: 17.04.2002
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. mult. Dr. h.c. mult. Manfred Geiger, Prof. Dr. rer. nat. R. Poprawe M.A.
Die Vorteile, die sich aus der räumlichen Integration elektrischer und mechanischer Funktionen in dreidimensionalen Kunststoffteilen ergeben, werden in Zukunft immer öfter dazu führen, dass konventionelle elektronische Baugruppen durch thermoplastische MIDs ersetzt werden. Die Laserstrahlstrukturierung von 3D-MIDs – also die Erzeugung elektrischer Leiterstrukturen mit dem Laser – ist alter-nativen Fertigungsverfahren nicht nur hinsichtlich der erzielbaren Strukturauflösungen, sondern vor allem auch in punkto Flexibilität klar überlegen. Wenig ausgereifte Strukturierungssysteme und nur zum Teil den spezifischen Anforderungen der MID-Technologie genügende Strukturierungsverfahren, stellen jedoch bislang ein Hindernis für die breite Markteinführung laserstrahlstrukturierter 3D-MIDs dar. In dieser Arbeit wurden daher einerseits grundlegende Betrachtungen zur Auslegung von Maschinenelementen für die Laserstrahlstrukturierung von 3D-MIDs durchgeführt und andererseits neue Ansätze für die Erzeugung von Leiterstrukturen auf thermoplastischen Substratmaterialien entwickelt. Ein realisiertes 3D-Strahlablenkungsmodul konnte im Rahmen von Applikationsuntersuchungen erfolgreich zur Fertigung prototypischer 3D-MID-Bauteile eingesetzt werden. Die Idee eines neuen Strukturierungsverfahrens für thermoplastische Schaltungsträger, das den MID-Hauptanforderungen “3D-Tauglichkeit“ und “Unabhängigkeit vom Basismaterial“ genügt, wurde sowohl experimentell verifiziert als auch grundlegend analysiert. Anhand eines realitätsnahen Applikationsbeispiels wurde die Anwendungstauglichkeit des untersuchten Strukturierungsverfahrens prinzipiell demonstriert.
Qualität laserstrahl-gefügter Mikroverbindungen elektronischer Kontakte
Datum: 15.04.2002
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. mult. Dr. h.c. mult. Manfred Geiger, Prof. Dr.-Ing. K. Feldmann
Die Trends der stetigen Miniaturisierung, der Hochtemperaturfestigkeit und des umweltgerechten Produktdesigns in der Elektronikproduktion eröffnen den lasergestützten selektiven Fügeverfahren große Potenziale in der Aufbau- und Verbindungstechnik. Dabei muss zwischen dem bereits bekannten und teilweise in der Industrie etablierten Laserstrahl-Mikrolöten und dem hoch innovativen Laserstrahl-Mirkoschweißen unterschieden werden. Die Arbeit betrachtet daher den Einfluss verschiedener Prozessparameter beim Laserstrahl-Mikrolöten und -Mikroschweißen (z.B. Bestrahlungsart, Pulsdauer und -energie, …), die Möglichkeiten der Prozessoptimierung durch eine verbesserte Systemtechnik (z.B. Einsatz von Prozess- und Schutzgasen, Neugestaltung von Begasungsdüsen, …), die erzielbaren Fügequalitäten sowie die Zuverlässigkeit bzw. Alterungsbeständigkeit der Mikroverbindungen. Zusätzlich wird durch eine FE-Betrachtung zur Zuverlässigkeitssimulation ein vergleichender Einblick in die Lebensdauer der Fügestellen gegeben. Hierdurch wird es ermöglicht, die Fügeverfahren Laserstrahl-Mikrolöten und -Mikroschweißen den unterschiedlichen Applikationsanforderungen vereinfacht zuzuordnen.
Prozesskontrolle und -steuerung beim Laserstrahlschweißen mit den Methoden der nichtlinearen Dynamik
Datum: 22.02.2002
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. mult. Dr. h.c. mult. Manfred Geiger, Prof. Dr.-Ing. B. Scholz-Reiter
Prozesskontrollen und -steuerungen können beim Laserstrahlschweißen eine effiziente Qualifizierung neuer Schweißapplikationen nachhaltig unterstützen. Die Entwicklung entsprechender systemtechnischer Komponenten wird derzeit durch ein unzureichendes Verständnis für die dynamischen Wechselwirkungen einzelner physikalischer Teilsysteme, die beim Laserstrahlschweißen miteinander interagieren, erschwert. Im Rahmen der Arbeit werden diese Wechselwirkungen auf Basis eines stationären Prozessmodells erläutert. Ergänzend wird in Grundlagenexperimenten der Einfluss fundamentaler Prozessparameter auf die Schweißdynamik analysiert. Prozesssignalanalysen zeigen unter anderem, dass das Laserstrahltiefschweißen durch eine hohe dynamische Prozesskomplexität gekennzeichnet ist, wodurch die Ausbildung von Prozessporen begünstigt wird. Zur Stabilisierung des Schweißprozesses wird daher das aus der nichtlinearen Dynamik bekannte Steuerungsverfahren der resonanten Stimulation für das Laserstrahlschweißen qualifiziert. Hierzu wird eine systematische Methodik entwickelt, die eine gezielte Auswahl von Steuerungsparametern zur Optimierung des Bearbeitungsergebnisses ermöglicht. Die experimentellen Untersuchungen zeigen aber auch, dass durch dieses Steuerungsverfahren Resonanzkatastrophen induziert werden können, die das Bearbeitungsergebnis negativ beeinflussen. Zur Vermeidung derartiger Phänomene wird die resonanten Stimulation zur frequenzmodulierten resonanten Stimulation weiterentwickelt, wodurch eine weitere Steigerung der Bearbeitungsqualität erzielt wird.
Prozesskontrolle beim Laserstrahl-Mikroschweißen
Datum: 15.02.2002
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. mult. Dr. h.c. mult. Manfred Geiger, Prof. Dr.-Ing. G. Sepold
Blitzlampengepumpte Nd:YAG-Lasersysteme bilden bereits seit Jahren erfolgreich die Grundlage präziser Verbindungstechniken innerhalb von industriell genutzten Fertigungssystemen der Feinwerk- und Elektrotechnik. Der Inhalt dieser Arbeit zielt auf die Schaffung von gebrauchsfertigen Technologielösungen, die für industriell genutzte Mikroschweißsysteme eine Steigerung sowohl der technischen Verfügbarkeit als auch der Schweißqualität herbeiführen. Besondere Aufmerksamkeit wurde dabei auf eine schrittweise und somit nachvollziehbare Entwicklung der im Einzelnen erarbeiteten Systemmoduln gelegt. Neben der Spezifikation eines neuartigen multi-sensoriellen Diagnostiksystems zur Strahlführung und -formung bilden relevante Grundlagenuntersuchungen an Mikro-Überlappschweißnähten das Fundament dieser erfolgreichen Verknüpfung der Prozesseingangsgrößen mit den Signalwerten von vorher ausgewählten Prozesssensoren. Durch den gleichzeitigen Einsatz mehrerer Sensoren und mit Hilfe von Signalverarbeitungssystemen auf Basis von trainierten Neuronalen Netzen sowie der Fuzzy-Technologie konnten robuste Werkzeuge für die automatische Prozessüberwachung und Prozesskontrolle geschaffen werden. Zusätzlich wurden im Rahmen der Untersuchungen Möglichkeiten einer Online-Steuerung des Mikro-Schweißprozesses aufgezeigt, wodurch eine laufende Minimierung der Schweißfehlerquote bzw. die kontinuierliche Sicherstellung einer ausreichenden Schweißnahttiefe am Überlappstoß gewährleistet werden kann.
Prozessregelung für das Laserstrahl-Punktschweißen in der Elektronikproduktion
Datum: 11.02.2002
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. mult. Dr. h.c. mult. Manfred Geiger, Prof. Dr.-Ing. F.-W. Bach
In der Elektronikproduktion werden im Besonderen für die Werkstoffe Kupfer und dessen hochleitfähige Legierungen miniaturisierte Schweiß-geometrien gefordert, deren Realisierung in den meisten Fällen, auch mit optimierten Parametern, nur schwer prozesssicher möglich ist. Es muss deshalb entweder bei geringer Wertschöpfung eine Prozesskontrolle Ausschuss erkennen oder bei hoher eine Prozess-regelung in Echtzeit Ausschuss vermeiden. Zu Methoden der Prozesskontrolle und -regelung in Echtzeit bei intrinsisch transienten Laserstrahl-Mikroschweißprozessen besteht allerdings ein Defizit in der Forschung. Daher nähert sich die Arbeit definiert einzelnen Problemkreisen der Prozessregelung. Zur Untersuchung von Algorithmen wird zunächst ein Versuchsaufbau erstellt, der über den Einsatz eines digitalen Signalprozessors die Pulsleistungsregelung in Echtzeit erlaubt. Experimente zur Strahlpositionsregelung und zur Energiebegrenzung während des Punktschweißprozesses nutzen eine Multisensoranordnung zur Detektion von Prozesszuständen. Die Auswertung der Zeitreihen aus Prozesssignalen geschieht innerhalb der Untersuchungen über die Zeitbereichsanalyse mit Merkmalextraktion, verschiedene Signaltransformationen, die Anwendung heuristischer Kriterien und über eine statistische Modellbildung. Ebenfalls werden die Auswirkungen einer Miniaturisierung der Wechselwirkungszone auf die Prozessstabilität in Theorie und Praxis betrachtet. Für den in der Elektronikproduktion wichtigen Verbindungstyp Schweißung in der Kehle weisen Experimente die Detektierbarkeit definierter Abweichungen von Prozessparametern nach, die einfach in eine Prozesskontrolle oder -regelung umsetzbar sind. Am Ende der Arbeit stehen Ergebnisse, die teilweise eine direkte Umsetzung erlauben und das Verständnis für den Prozess und dessen Beobachtung und Regelung vertiefen.
2001
Methoden zur rechnergestützten Programmierung für die 3D-Lasermikrobearbeitung
Datum: 20.12.2001
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. mult. Dr. h.c. mult. Manfred Geiger, Prof. Dr.-Ing. L. Cser
Die 3D-Lasermikrobearbeitung zeichnet sich gegenüber anderen Bearbeitungsverfahren aus dem Bereich der Mikrobearbeitung durch ihr hohes fertigungstechnisches Potenzial aus, das es zu nutzen gilt. Die Vorzüge dieser Technologie können jedoch nur durch eine rechnerbasierte Planung und Erstellung der Anlagenprogramme genutzt werden. Dies liegt vor allem an den hohen Genauigkeitsanforderungen sowie an der nur gering vorhandenen Prozesseinsicht des Bedieners aufgrund kleinster Bauteilgrößen und räumlich komplexen Bearbeitungskonturen. Im Rahmen der Arbeit wurden daher Methoden zur Bearbeitungsplanung für die Anlagenprogrammierung im Bereich der 3D-Lasermikrobearbeitung entwickelt, die neben einer Reduzierung der Planungszeiten durch eine automatisierte Programmerstellung auch eine Flexibilisierung der Fertigung im Hinblick auf ein breites Werkstückspektrum erreichen. Als Grundlage hierfür wurden zunächst die rechnerinternen Datenmodelle erarbeitet, die die Planungsaufgabe vollständig abdecken, von den Werkstückmodellen bis zur Modellierung des Laserstrahl-verlaufs unterschiedlicher Scansysteme. Ein wesentlicher Aspekt war die Entwicklung von Planungsalgorithmen, die alle relevanten technologischen und aufgabenspezifischen Randbedingungen berücksichtigen und die Effizienz und Zuverlässigkeit der erstellten Programme durch intelligente Bearbeitungsplanungs- und Optimierungsverfahren steigern. Die entwickelten Konzepte wurden in einem Planungssystem realisiert, welches neben einer Unterstützung für die Prototypen- und Kleinserienfertigung auch die Integration der 3D-Lasermikrobearbeitung in die Prozesskette erreicht.
Grundlegende Untersuchung zum Fließpressen metallischer Kleinteile
Datum: 18.12.2001
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. mult. Dr. h.c. mult. Manfred Geiger, Prof. Dr.-Ing. M. Kleiner
Der allgemeine Trend zur Miniaturisierung in der Elektronikindustrie und im Bereich mikromechanischer Komponenten führt zu einem steigenden Bedarf an eng tolerierten metallischen Kleinstteilen. Die Umformtechnik ist für die Massenproduktion solcher Teile hervorragend geeignet. Dennoch ist die Anwendung dieser Techno-logie im Mikrobereich von einer empirischen Prozessauslegung geprägt, weil so genannte Miniaturisierungseffekte eine direkte Anwendung umformtechnischen Know-hows aus dem konventionellen Größenbereich verhindern. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Verfahrensgruppe des Fließpressens, die sich hervorragend eignet, um komplexe rotations-symmetrische Teile in hohen Stückzahlen herzustellen. Schwerpunkt bilden Miniaturisierungseffekte bei der Reibung und deren Auswirkungen auf den Prozess. Die für die Prozessauslegung wichtigen Kenngrößen Kraftbedarf, Formausbildung und Festigkeit (Härteverteilung) werden in Abhängigkeit von der Probengröße und der Korngröße analysiert. Bei den Versuchsreihen zur Reibung und dem Vollvorwärts-fließpressen wird zusätzlich der Einfluss von Oberfläche, Umformgeschwindigkeit und Schmierstoff berücksichtigt. Die Ergebnisse sollen das Prozesswissen im Bereich des Mikrofließpressens erweitern und somit einen Beitrag zur effektiveren Prozessauslegung leisten und schließlich die Mikroumformtechnik dem endgültigen Durchbruch etwas näher bringen.
Fertigungsqualität und Umformbarkeit laserstrahlgeschweißter Formplatinen aus Aluminiumlegierungen
Datum: 20.11.2001
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. mult. Dr. h.c. mult. Manfred Geiger, Prof. Dr.-Ing. habil. F. Vollertsen
Geschweißte Formplatinen aus Stahlwerkstoffen sind bereits seit mehr als 20 Jahren fester Bestandteil moderner Leichtbaukarosserien. Ein erweitertes Potenzial der Gewichtseinsparung ergibt sich durch den Einsatz solcher „Tailored Blanks“ aus Aluminiumlegierungen. Dennoch finden sich diese bis heute nicht in der industriellen Serienfertigung. Ursache dafür sind die mangelnden Kenntnisse der Automobilhersteller und deren Zulieferer über die Prozesstechnik sowohl bei der Herstellung, als auch bei der Weiterverarbeitung von Aluminium-Tailored Blanks. Im Mittelpunkt der Dissertation steht deshalb die Frage, welche für die Umformung relevanten Eigen-schaften (z.B. Porosität, Risse, Zugfestigkeit, Dehnungswerte usw.) bei Verwendung geeigneter Schweißparameter erzielt werden können. Die Untersuchungen erfolgten an karosserierelevanten Legierungen der Typen 5xxx und 6xxx. Auf der Grundlage dieser Erkenntnisse werden anschließend Strategien abgeleitet, die auch bei nicht geradlinigen Schweißnahtverläufen zu einer hohen Fertigungsqualität und entsprechend guten Umformeigenschaften führen. Die erfolgreiche Umsetzung der Ergebnisse erfolgt an verschiedenen, für den Einsatz von Tailored Blanks typischen Bauteilen wie Längsträgern und Türinnenblechen.
Laserstrahlumformen von Aluminiumwerkstoffen - Beeinflussung der Mikrostruktur und der mechanischen Eigenschaften
Datum: 28.05.2001
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. mult. Dr. h.c. mult. Manfred Geiger, Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. mult. R. Kopp
Das wesentliche Ziel dieser Arbeit war, die durch die Laserstrahlung hervorgerufenen Veränderungen in der Gefügegrob- und Mikrostruktur verschiedener Aluminiumwerkstoffe sowie die daraus resultierende Beeinflussung der mechanischen Eigenschaften aufzuzeigen. Durch umfangreiche Untersuchungen an unterschiedlichen Werkstoffen verschiedener Blechdicken und mit dementsprechend variierenden Laserparametern konnten Grad und Art der Veränderungen erfasst und charakterisiert werden. Eine Korrelation aller durch die kurzfristige Bestrahlung mit einem Nd:YAG-Laser hervorgerufenen Effekte ermöglichte die Beurteilung des Laserstrahlumformens aus werkstoffwissenschaftlicher Sicht und zeigt die Möglichkeiten und Potenziale des Verfahren für den industriellen Einsatz in der Serienfertigung auf. Hierfür war es von entscheidender Bedeutung, Untersuchungen zu unterschiedlichen Formgebungsmechanismen durchzuführen, um eine Trennung kurzzeitmetallurgischer Effekte von denen der klassischen Metallurgie zu ermöglichen. Der Temperatur-Gradienten-Mechanismus ist durch Aufheizgeschwindigkeiten, die deutlich größer sind als 103 K/s, gekennzeichnet, die Aufheiz- und Abkühlgeschwindigkeiten beim Knickmechanismus betragen hingegen nur einige 100 K/s. Neben Grobgefügeuntersuchungen wurden mikro-struk-turelle Veränderungen mittels Transmissionselektronenmikroskopie, wie zum Beispiel die Versetzungsbewegung, Ausbildung von Substrukturen oder auch Lage, Art und Existenz von Ausscheidungen detailiert untersucht. Die Korrelation dieser Untersuchungen mit den Ergebnissen hinsichtlich der mechanischen Kennwerte ermöglicht ein werkstoffbezogenes Laserstrahlumformen sowie die Ableitung einer auf den Werkstoff abgestimmten Prozesskette für das Laserstrahlumformen.
Justieren vormontierter Systeme mit dem Nd:YAG-Laser unter Einsatz von Aktoren
Datum: 06.04.2001
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. mult. Dr. h.c. mult. Manfred Geiger, Prof. Dr.-Ing. K. Feldmann
Im Bereich der Mikrotechnik gibt es nur wenige Verfahren zum hochgenauen Justieren von positionsempfindlichen Komponenten. Das Laserstrahljustieren stellt hierbei ein innovatives Verfahren dar, um beliebige Bauteile hochgenau und berührungslos im bereits vormontierten Zustand zu justieren. Im Rahmen dieser Arbeit wurden die Grundlagen des Laserstrahljustierens unter Einsatz von Aktoren, die mit einem Nd:YAG-Laser bestrahlt werden, erarbeitet. Dabei wurden zunächst die Grundlagen beim Bestrahlen von Aktorgrundgeometrien systematisch untersucht. Neben Experimenten wurden auf der Basis der Finiten Elemente Methode thermomechanische Berechnungen durchgeführt sowie analytische Modelle entwickelt, um das Prozessverständnis zu vertiefen. Um den thermisch induzierten Eigenspannungszustand aus Stabilitätsgründen zu verbessern, wurde in Anlehnung an das Flammentspannen das Verfahren des Laserstrahlentspannens eingeführt. Für den Einsatz des Laserstrahljustierens in der Serienfertigung wurde ein Regelkreis vorgestellt und ein aktorunabhängiges Berechnungsmodul entwickelt. Dieses ermittelt, ausgehend vom Verhalten des eingesetzten Aktors, die notwendigen Laserparameter sowie Bestrahlungspositionen, um mit einer minimalen Anzahl von Bestrahlungen und Messungen eine vorgegebene Genauigkeit zu erreichen. Somit kann ein automatisiertes Justieren mit dem Laser realisiert werden. Die gewonnenen Erkenntnisse können in allen Bereichen der Mikrotechnik eingesetzt werden, wo Bauteile in der Serienfertigung hochgenau justiert werden müssen.
Laserstrahljustieren mit Excimerlasern - Prozessparameter und Modelle zur Aktorkonstruktion
Datum: 28.02.2001
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. mult. Dr. h.c. mult. Manfred Geiger, Prof. Dr. techn. D. Schuöcker.
Die Potenziale des Laserstrahljustierens mittels UV-Laserstrahlung werden heutzutage industriell kaum genutzt. Grund hierfür waren neben den Hemmnissen des Einsatzes einer grundlegend neuen Fertigungskette, die durch eine kostengünstige grob tolerierte Vormontage und anschließendes Justieren mit Laserstrahlung charakterisiert werden kann, die wissenschaftlich noch nicht umfassend beschriebenen Effekte des Laserstrahljustierens, aber auch die in der heutigen Zeit des virtuellen Engineerings immer wichtiger werdende fehlende mathematische Beschreibung. Durch die Methode der Berechnung der lokalen Maximaltemperatur ist es im Bereich der Modellbildung des Justierens mit Excimerlaser-strahlung gelungen, ein analytisches Modell aufzustellen, das die Einflüsse aller prozessbestimmenden Parameter beschreibt und den Prozessablauf erklärt. In den Bereichen, in denen komplexere Geometrien oder das transiente Verhalten von Interesse sind, konnten mit den Methoden der Finiten Elemente Modelle erstellt werden, die den komplexen Zusammenhang der Rückdehnung und Gegenbiegung dieses dynamischen Prozesses abbilden. Die Pulsenergie und die Strahlabmessungen konnten als die wesentlichen variablen Prozessparameter erkannt werden. Die Pulsdauer, Pulsform und Mehrfachbestrahlung vergrößern zwar mit unterschiedlicher Effizienz das Prozessfenster, eignen sich jedoch aufgrund ihres geringen Einflusses auf den Biegewinkel nicht als Regelparameter. Die Abschätzung der benötigten Fertigungshauptzeit des Regelkreises stellt eine wesentliche Entscheidungshilfe für den Einsatz des Justierens mit Excimerlasern dar.
2000
Wissensbasierte Methoden für die rechnergestützte Charakterisierung und Bewertung innovativer Fertigungsprozesse
Datum: 21.12.2000
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. mult. Dr. h.c. mult. Manfred Geiger, Prof. Dr.-Ing. B. Scholz-Reiter
Für Unternehmen der Blechteilefertigung besteht ein permanenter Zwang zur innovativen Prozessgestaltung, um nachhaltig Wettbewerbsvorteile durch Kostensenkung oder Differenzierung zu sichern. Die Umsetzung von Prozessinnovationen wird aber häufig durch fehlendes Wissen über die technologischen Einsatzmöglichkeiten und den wirtschaftlichen Nutzen erschwert. Etablierte Methoden setzen die Kenntnis wirtschaftlicher Kriterien voraus und führen aufgrund der besonderen Gewichtung der Kosten zu einem ablehnenden Entscheidungsverhalten. Im Rahmen der Arbeit werden Methoden und Modelle vorgestellt, welche technologische und wirtschaftliche Kriterien charakterisieren und bewerten, die im Mittelpunkt der Entscheidungsfindung über die Einführung einer innovativen Fertigungstechnologie stehen. Das technologische Potential wird durch ein System von Formelementen in einem wissensbasierten Datenmodell systematisiert und in Hinblick auf das Produktionsprogramm bewertet. Der Fertigungsprozess selbst wird durch die beteiligten Prozessschritte, Maschinen und Werkzeuge in einem dynamischen Modell für die Wirtschaftlichkeitssimulation abgebildet. Die Methode der Fuzzy-Set-Theorie berücksichtigt zudem die Planungsunsicherheit, die innovativen, in der Produktion nicht implementierten Prozessketten zu eigen ist. Das Simulationsszenario ermöglicht, Nutzeffekte, z.B. in Form einer verbesserten Flexibilität oder Kostensenkung, aber auch Risiken der Investition nachvollziehbar offenzulegen und zu bewerten. Technologische Alternativen können somit verglichen und Ansätze für die Optimierung am Modell der Prozesskette aufgezeigt werden.
Flexible Formgebung von Blechen durch Laserstrahlumformen
Datum: 21.12.2000
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. mult. Dr. h.c. mult. Manfred Geiger, Prof. Dr.-Ing. R. Kopp
Wesentliches Ziel dieser Arbeit war die Erarbeitung eines grundlegenden Verständnisses der Umformmechanismen und der Prozessbeeinflussungen beim räumlichen Laserstrahlumformen von Blechen, welches eine Aussage über die Einsatzpotentiale des Verfahrens zur flexiblen Formgebung von Blechen im Bereich der Prototypen- und Kleinserienfertigung ermöglichen sollte. Zur Bestimmung des Einflusses der besonderen, geometrisch bedingten Randbedingungen des räumlichen Umformprozesses wurde zunächst der Übergang vom geradlinigen Laserstrahlbiegen zum räumlichen Laserstrahlumformen anhand des Laserstrahlbiegens von Übergangsgeometrien mit gekrümmter Biegekante untersucht. Diese Untersuchungen zeigten die starke Beeinflussung des Prozesses durch die geometrisch induzierten Dehnungsbehinderungen während der Ausdehnungs- und der Kontraktionsphase der Bestrahlung. Auf der Basis dieser Erkenntnisse wurde eine Analyse der zur flexiblen Formgebung sinnvoll einsetzbaren Bestrahlungsarten und der daraus resultierenden Formgebungsmöglichkeiten durchgeführt, welche die Ableitung elementarer Bestrahlungsstrategien für das räumliche Laserstrahlumformen ermöglichte. Eine iterative Fertigungsfolge auf der Basis einfacher Grundbestrahlungssequenzen, einer adaptiven Nachbestrahlungsstrategie sowie intermittierenden Vermessungszyklen zeigte am Beispiel der Referenzgeometrie einer Kugelkalotte die prinzipielle Machbarkeit der gezielten räumlichen Formgebung durch Laserstrahlumformen. Ergänzend hierzu wurden im Rahmen dieser Arbeit die aus der Laserbestrahlung resultierenden Veränderungen des Werkstoffgefüges und der mechanischen Eigenschaften untersucht und bewertet. Damit war es abschließend möglich, optimierte Bestrahlungsregeln für die flexible Formgebung von Blechen durch Laserstrahlumformen zu definieren.
Simulationsgestützte Prozessauslegung für das Innenhochdruck-Umformen von Blechpaaren
Datum: 19.12.2000
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. mult. Dr. h.c. mult. Manfred Geiger, Prof. Dr.-Ing. K. Roll
Beim Innenhochdruck-Umformen von Blechpaaren werden zwei Bleche durch einen aufzubringenden Wirkmediendruck in einem Werkzeug umgeformt, so dass ein Hohlraum zwischen den Blechen entsteht. Durch den Einsatz flächiger und in der Form variabler Platinenzuschnitte kann ein breites Spektrum steifer und komplex geformter Bauteile für den Karosseriebau und den Fahrwerksbereich eines Pkws hergestellt werden. Im Rahmen der Arbeit wurde ein an die Geometrie eines Realteils angelehntes Bauteil mit Hilfe der Finite-Elemente-Simulation und mit experimentellen Versuchen ausgelegt, untersucht und hergestellt. Aufgrund der gewählten Geometrie wurden zunächst in der Simulation und in späteren Versuchen verschiedene Bauteilfehler festgestellt. Neben den von anderen Blechumformverfahren bekannten Versagensfällen Bersten und Reißen traten zusätzlich verschiedene Formen der Faltenbildung auf, die teilweise durch eine gewölbte Werkzeugtrennfläche initiiert wurde. Zur Vermeidung dieser verfahrensspezifischen Faltenbildung wurden an Hand eines drei-dimensionalen FEM-Modells verschiedene Prozessführungen entwickelt, um ein optimales Umformergebnis zu erzielen. Die gezielte Steuerung der Niederhalterkraft in Abhängigkeit des wirkenden Drucks wurde entsprechend den durchgeführten Simulationen im Versuch umgesetzt, wobei die Ergebnisse bestätigt wurden. Der Einsatz der vorgeschlagenen Strategien führt zu einem verbesserten Umformergebnis des betrachteten und ähnlich gestalteter Bauteile.
Dr.-Ing. Stefan Bobbert
Simulationsbasierte Lebensdauervorhersage für Werkzeuge der Kaltmassivumformung
Datum: 07.09.2000
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. mult. Dr. h.c. mult. Manfred Geiger, Prof. Dr.-Ing. W. Maßberg
Der Anteil an Komponenten für den Fahrzeugbau, die durch Verfahren der Kaltmassivumformung hergestellt werden, weist ein erhebliches Wachstumspotential auf. Von besonderer Bedeutung sind dabei sog. Near-Net-Shape- und Net-Shape-Parts, die eine endkonturnahe bzw. einbaufertige Geometrie besitzen. Aus anwendungsorientierter Sicht besteht die Notwendigkeit zur Vorhersage der Lebensdauer bzw. der stochastischen Ausfallcharakteristik der dafür erforderlichen Werkzeugsysteme bereits während der Produktentwicklungsphase. Die Numerische Prozeßsimulation ermöglicht in diesem Zusammenhang die Abschätzung der Werkzeugbeanspruchung und bildet somit die Grundlage der Lebensdauerberechnung. Die bislang angewandten Methoden zur Vorhersage der Werkzeuglebensdauer sind vielfach deterministischer Art und führen nur zu einer unzureichenden Vorhersagegenauigkeit. Der nachweislich stochastische Charakter der primären Prozeßeinflußgrößen wird im allgemeinen nicht oder nur in unzureichender Form berücksichtigt. Primäre Zielsetzung dieser Arbeit war es daher, eine methodische Vorgehensweise für die Berechnung der Lebensdauer für Werkzeuge der Kaltmassivumformung zu entwickeln. Neben einer Erhöhung der Vorhersagegenauigkeit, ermöglicht eine sog. stochastisch-deterministische Vorgehensweise die Zurückführung des stochastischen Ausfallcharakters eines Umformwerkzeugs auf die Streuungen der primären Prozeßeinflußgrößen.
Ermüdungsbruchversagen hartstoffbeschichteter Werkzeugstähle in der Kaltmassivumformung
Datum: 26.07.2000
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. mult. Dr. h.c. mult. Manfred Geiger, Prof. Dr.-Ing. K. Kuzman
Der Einsatz moderner Hartstoffschichten bietet ein erhebliches Potenzial zur Erhöhung der Werkzeugstandzeiten, sofern der Verschleiß die dominierende Versagensursache darstellt. Gerade in der Kaltmassivumformung wird die Werkzeuglebensdauer aber oft durch Werkstoffermüdung und die daraus resultierende Rissinitiierung bzw. -ausbreitung begrenzt. Im Mittelpunkt der Dissertation steht die Frage, inwiefern verschiedene Hartstoffbeschichtungen das Ermüdungsbruchversagen von Werkzeugstählen beeinflussen. Die Ergebnisse von Grundlagenversuchen zur Zeit- und Dauerfestigkeit unter zyklischer Belastung führen zu Erkenntnissen, welche Eigenschaften (v.a. Eigenspannungen und Oberflächentopographie) des Schicht-Substrat-Verbundes dessen Beanspruchbarkeit in welcher Weise beeinflussen. Untersucht wurden hierzu ein Kaltarbeitsstahl (X 155 CrVMo 12 1) und ein Schnellarbeitsstahl (S 6-5-2) mit verschiedenen PVD- und CVD-Beschichtungen. Die experimentelle und numerische Analyse des Eigenspannungszustandes in Schicht und Substrat liefert Rückschlüsse auf die Beanspruchung. Damit weist die Arbeit zum einen auf die wesentlichen Faktoren hin, die zu einer Beeinflussung der Zeit- und Dauerfestigkeit hartstoffbeschichteter Werkzeugstähle führen. Zum anderen werden Maßnahmen der Oberflächen- und Beschichtungstechnik aufgezeigt, um die Gefahr vorzeitigen Ermüdungsbruchversagens zu reduzieren. Anhand von Standmengenuntersuchungen für Fließpressstempel wird demonstriert, wie die Lebensdauer durch eine Duplexbehandlung (Plasmanitrieren mit nachfolgender PVD-Beschichtung) erfolgreich verbessert werden kann.
1999
Bildverarbeitungssystem zur Erfassung der Anschlußgeometrie elektronischer SMT-Bauelemente
Datum: 27.10.1999
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. mult. Dr. h.c. mult. Manfred Geiger, Prof. Dr.-Ing. H. Brand
Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein neues Meßprinzip zur Erfassung der Anschlußgeometrie (Lead-Geometrie) an SMDs (Surface Mounted Device) mit Gull-Wing-Leads vorgestellt. Ziel war es, möglichst viele geometrische Lead-Parameter mit einer hochaufgelösten Aufnahme zu erfassen und auszuwerten und damit eine Qualitätssicherung für Fügeverfahren bereitzustellen, für die die bislang geltenden Fertigungstoleranzen v. a. bezüglich der Koplanarität zu grob definiert sind. Das Meßprinzip basiert auf einer sog. „nicht-frontalen“ Aufnahme der betrachteten Anschlußreihe. Hierbei wird das zu vermessende Bauelement so verdreht, daß die Richtung seines Normalenvektors zweifach gegen die Kameraachse der eingesetzten CCD-Zeilenkamera verdreht ist. Im weiteren wird die aufzunehmende Anschlußreihe mittels Verfahreinheit vor der Kamera vorbeibewegt (Zeilenscan). Das resultierende Bild ist die zweidimensionale Aufnahme eines dreidimensionalen Körpers, wobei dem Betrachter ein dreidimensionaler Eindruck der Szene entsteht. Die Zeilenscans werden zunächst mit Hilfe einer Wavelet-Analyse auf ihre Periodizität hin untersucht. Die Anordnung (nicht-frontal) impliziert, daß jegliche Fehlpositionierung als Störung der Periodizität innerhalb des Zeilenscans erkannt wird. So detektierte Störungen werden dann in einem zweiten Schritt gesondert ausgewertet. Nach der Berechnung der Lead-Kanten (Kantenfilterung und Regressionsgeradenfindung) können die Position des Anschlusses und seine geometrischen Parameter bestimmt werden.
Beitrag zur rechnerunterstützten verursachungsgerechten Angebotskalkulation von Blechteilen mit Hilfe wissensbasierter Methoden
Datum: 26.10.1999
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. mult. Dr. h.c. mult. Manfred Geiger, Prof. Dr.-Ing. K. Feldmann
Die Angebotskalkulation stellt für viele kleine und mittelständische Unternehmen ein Problem dar, weil zum einen die traditionellen Kostenrechnungsverfahren beim Finden eines marktgerechten Preises wenig geeignet sind und zum anderen die Kalkulation durch fehlende Rechnerintegration zeitaufwendig und damit kostenintensiv ist. Ziel der vorliegenden Arbeit war daher die Entwicklung prozeßorientierter Methoden zur Angebotskalkulation am Beispiel der Blechteilefertigung, welche die Preisfindung beschleunigen und die entstehenden Kosten den Fertigungsaufträgen verursachungsgerecht zuordnen. Im hierzu entwickelten Kalkulationssystem werden Selbstkosten anhand von Werkstückmerkmalen fertigungsorientiert bestimmt. Diese Merkmale werden durch eine automatische Analyse des CAD-Modells des Bauteils gewonnen. Neben den reinen Geometriedaten zählen dazu sowohl Geometrie-Features als auch Toleranzen. Zur Berücksichtigung der Kosten indirekter Unternehmensbereiche werden für wesentliche Unternehmensprozesse die Methoden der Prozeßkostenrechnung eingesetzt. Diese wurden im Rahmen der Arbeit durch Elemente der Deckungsbeitragsrechnung erweitert. Für die Integration der Fertigung mit Folgeverbundwerkzeugen wurde eine Methodik entwickelt, die mit Hilfe Neuronaler Netze den Aufwand, der im Werkzeugbau entsteht, in Abhängigkeit von den ermittelten Werkstückmerkmalen ableitet. Für das untersuchte Werkzeugspektrum konnten dabei Kalkulationsgenauigkeiten von durchschnittlich 10 % erzielt werden.
Innenhochdruck-Umformen von Blechpaaren: Modellierung, Prozeßauslegung und Prozeßführung
Datum: 07.09.1999
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. mult. Dr. h.c. mult. Manfred Geiger, Prof. Dr.-Ing. K. Roll
Das Innenhochdruck-Umformen von Blechpaaren ist ein innovatives Verfahren der Blechumformung, das bei der Herstellung von hochsteifen Strukturkomponenten in Fahrzeugkarosserien Anwendung finden soll. Bei diesem Verfahren erfolgt die gleichzeitige Umformung von zwei Platinen durch einen Wirkmediendruck, der im abgedichteten Hohlraum zwischen den beiden Zuschnitten aufgebaut wird. Ziel der Arbeit war es, das bestehende Wissensdefizit über die grundlegenden Wirkzusammenhänge der Prozeßparameter zu beheben und gesicherte Grundlagen für eine zukünftige industrielle Einführung des Verfahrens zu schaffen. Der Prozeß wurde zunächst in einem analytischen Modell und in der numerischen Simulation abgebildet, um die Einflußgrößen auf den Prozeß zu identifizieren. Dies schaffte die Voraussetzungen für die zielgerichtete Erarbeitung, die exakte Formulierung und die fundierte Verallgemeinerung der aufgedeckten Zusammenhänge. In der anschließenden Phase der Analyse wurden insbesondere die Wechselwirkungen zwischen den beiden verschweißten oder unverschweißten Platinen mit besonderer Aufmerksamkeit betrachtet. Die theoretisch und experimentell ermittelten Versagensfälle (Undichtwerden, Bersten) sowie charakteristische Prozeßzustände (z.B. Klemmgrenze) wurden in einem Prozeßfenster zusammengefaßt, das für die Prozeßauslegung genutzt werden kann. In der abschließenden Phase der Synthese wurden Maßnahmen vorgeschlagen und erprobt, um den Prozeßablauf in Hinblick auf das erreichbare Umformergebnis optimal zu steuern bzw. zu regeln. Hierzu gehören neben der Einstellung optimaler Verläufe der Prozeßparameter auch werkzeug- und regelungstechnische Maßnahmen zur Kontrolle der Umformung.
Oberflächenausbildung und tribologische Eigenschaften excimerlaserstrahlbearbeiteter Hochleistungskeramiken
Datum: 22.07.1999
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. mult. Dr. h.c. mult. Manfred Geiger, Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. mult. H. K. Tönshoff
Für die Endbearbeitung tribologisch beanspruchter Bauteiloberflächen eröffnet die Excimerlaserstrahlbearbeitung neue Wege, die über die Möglichkeiten konventioneller, spanender Verfahren hinausgehen bzw. diese ergänzen. Excimerlaserstrahlung eignet sich sowohl für eine gezielte Modifizierung der Oberflächenmikrotopographie als auch zur Herstellung geometrisch exakt definierter Mikrostrukturen. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird erstmals grundlegend und umfassend untersucht, welche Möglichkeiten die Excimer-laserstrahlbearbeitung beinhaltet, um durch eine gezielte Gestal-tung der Oberflächentopographie das Gleit- und Verschleißverhalten keramischer Bauteile zu optimieren. Dabei wird die Excimerlaserstrahlbearbeitung von Keramiken vor dem Hintergrund eines Einsatzes der hergestellten Oberflächen in tribologisch beanspruchten Systemen neu bewertet und weiterentwickelt. Die tribologischen Untersuchungen geben Aufschluß darüber, welche Oberflächentopographien und -strukturen tribologisch vorteilhaft sind und welches Potential das Strahlwerkzeug Excimerlaser zur Herstellung dieser Oberflächen besitzt.
Prozeßmodellierung und Technoloieentwicklung beim Abtragen mit CO2-Laserstrahlung
Datum: 18.03.1999
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. mult. Dr. h.c. mult. Manfred Geiger, Prof. Dr.-Ing. H. Hügel
Die Untersuchungen dieser Arbeit hatten zum Ziel, die Verfahrenseffizienz beim Laserstrahlabtragen für die Herstellung von Formen und Gesenken durch Fortschritte bei der Prozeßbeherrschung zu verbessern. Drei Strategien boten sich zur Lösung dieser Aufgabenstellung an. So waren die beiden Abtragmechanismen Oxidspanen und Schmelzabtrag jeweils separat zu qualifizieren, oder in einem zweistufigen Prozeß effizient aufeinander abzustimmen. Ausgehend von der qualitativen Modellierung der Wechselwirkungsmechanismen der Teilprozesse Oxidspanen und Schmelzabtrag wurden im Rahmen dieser Verfahrensentwicklung technologische Verbesserungen theoretisch erarbeitet und im Experiment verifiziert. Für den Schmelzabtrag erfolgte der Nachweis der Machbarkeit der geforderten technologischen Zielvorgaben unter Verwendung einer eigenentwickelten Abtragdüse sowie das Aufzeigen völlig neuer Möglichkeiten zur Effizienzsteigerung. Demnach bewirkt die resonante Anregung mittels Fokuslagenoszillation beim Schmelzabtrag neben einer deutlichen Prozeßstabilisierung die definierte und reproduzierbare Strukturierung der Werkstückoberfläche. Daraus läßt sich zum einen die Notwendigkeit weiterer wissenschaftlicher Grundlagenuntersuchungen („nichtlineare Dynamik“) und zum anderen das technologische Potential bei tribologischen Strukturierungsapplikationen ableiten.
Profilbiegen mit kinematischer Gestalterzeugung
Datum: 21.01.1999
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. mult. Dr. h.c. mult. Manfred Geiger, Prof. Dr.-Ing. M. Kleiner
Im Rahmen der Arbeit wurde eine neues Profilbiegeverfahren entwickelt, bei dem die Profile zur Formgebung mittels einer Biegerolle in eine elastische Polyurethanmatrize eingedrückt werden und somit über definierte Werkzeugrelativbewegungen zwischen der Rolle und der Matrize flexibel gebogen werden können. Durch die kinematische Gestalterzeugung und der damit verbundenen Flexibilität eignet sich die entwickelte Technologie insbesondere zur Erzeugung variabler, über der Profillänge veränderlicher Krümmungsverläufe bei kleinen bis mittleren Losgrößen. Die durchgeführten Grundlagenuntersuchungen zeigen eine starke Abhängigkeit der lokal erreichten Krümmung von der jeweiligen Eintauchtiefe, von der Querschnittsgeometrie und von den Werkstoffeigenschaften des Profils, von der momentanen Profilkontur im Bereich der Auflagefläche des Profils auf der Matrize und von der Position auf der Matrize. Erst die Kenntnis von der realen Lage der dehnungsfreien Faser im Profil schafft die Voraussetzung für eine Zuordnung zwischen Profil- und Werkzeugkoordinaten, die für eine Prozeßbeherrschung benötigt wird. Für die Berechnung der erforderlichen Werkzeugrelativbewegungen können alternativ die Methode der Finiten Elemente oder neuronale Netze eingesetzt werden. Beide Ansätze wurden realisiert, in das Planungssystem implementiert und experimentell verifiziert. Am Beispiel der Herstellung einer Rahmenstruktur aus gebogenen Profilen wurde demonstriert, wie eine neue Biegeaufgabe durch die Anwendung der flexiblen Technologie und der entwickelten Planungsmethode in kurzer Zeit realisiert werden kann.
1998
Adaptives Streckbiegen von Aluminium-Strangpreßprofilen
Datum: 22.12.1998
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. mult. Dr. h.c. mult. Manfred Geiger, Prof. Dr.-Ing. H. Hoffmann
Der Einsatz des Space-Frame-Konzepts im Karosserieleichtbau in der Großserie wird durch die starken Eigenschaftsschwankungen von Aluminiumprofilen erschwert, die bei konventionellen Biegeverfahren zu einer geringen Reproduzierbarkeit führen. In der vorgelegten Dissertation werden deshalb Grundlagen für einen adaptiven Profilbiegeprozeß entwickelt. Mit dem erarbeiteten Regelungskonzept können Profile in nur einem Umformschritt robust gebogen werden, so daß auf anschließende Richt- und Kalibrierprozesse verzichtet werden kann. Die adaptive Prozeßführung sieht vor, daß während der sogenannten Anbiegephase der Verlauf der Werkzeugreaktionskraft gegen den Verfahrweg der Profilspanneinheiten aufgezeichnet wird. Aus dieser Information kann ein optimal an die Eigenschaften des jeweiligen Profils angepaßter Wert für die axiale Zugspannung als Regelgröße ermittelt werden. Kernstück des adaptiven Umformprozesses ist ein neuronales Netz, das den Zusammenhang zwischen den Sensordaten und dem Rückfederungsverhalten des Profils abbildet. Die Lernfähigkeit des neuronalen Netzes erlaubt zudem eine kontinuierliche Verbesserung der Performance der Prozeßführung in der Serienfertigung. Untersuchungen an verschiedenen Profilquerschnitten und Biegeradien haben gezeigt, daß die Regelstrategie auf nahezu alle Biegeaufgaben übertragbar ist.
Untersuchungen zur Prozeßfolge Umformen, Bestücken und Laserstrahllöten von Mikrokontakten
Datum: 12.11.1998
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. mult. Dr. h.c. mult. Manfred Geiger, Prof. Dr.-Ing. K. Feldmann
Die Mikroverbindungstechnik innerhalb der Elektronikproduktion ist von einem seit Jahren anhaltenden Trend zur Miniaturisierung und der Forderung nach Steigerung der Prozeßsicherheit, der Produktivität und der Qualität gekennzeichnet. Bei der Verarbeitung von hochpoligen elektronischen Bauelementen mit Rastermaßen < 400 µm stoßen konventionelle Verfahren an ihre Grenzen. Um aufzeigen zu können, inwieweit das Laserstrahllöten ein Potential zur Verschiebung dieser technologischen Grenze beinhaltet, wurden mit einer im Rahmen der Arbeit aufgebauten Mikrobearbeitungsanlage system- und prozeßtechnische Untersuchungen durchgeführt. Dabei wurde das Fügeverfahren als integraler Bestandteil des gesamten Fertigungsablaufs betrachtet, um die Einflüsse der Werkstoffeigenschaften und der Prozeßparameter in ihrer teilprozeßüberschreitenden Wirkung darzustellen. Im Vordergrund stand eine Verkürzung der Prozeßzeiten sowie das erreichte Fügeergebnis beim Laserstrahllöten. Durch die Verwendung von massiven Lotdepots in Kombination mit einer kraftkorrelierten Bestückung konnten allseitig gut benetzte Lötstellen für Fügezeiten < 10 ms erreicht werden. Die untersuchte Prozeßfolge setzte sich aus den Teilprozessen Umformen der Bauelementanschlüsse, Bestücken des Bauelements auf der Leiterplatte und Fügen der Anschlüsse mit den Landeflächen der Leiterplatte zusammen.
Direktes Laserstrahlsintern von Metallpulver - Prozeßmodellierung, Systemtechnik, Eigenschaften laserstrahlgesinterter metallischer Werkstücke
Datum: 04.11.1998
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. mult. Dr. h.c. mult. Manfred Geiger, Prof. Ir. J.A.G. Kals
Das direkte Laserstrahlsintern von Metallpulvern (DMLS) ist ein Rapid Prototyping-Verfahren mit herausragender Stellung. In einem einstufigen Prozeß lassen sich Prototypen oder Prototypenwerkzeuge herstellen. Für die qualifizierte und beherrschte Anwendung muß das Verfahren in seinen Grundlagen besser verstanden werden. Hierzu wurde im Rahmen dieser Arbeit ein 3D-Prozeßmodell erarbeitet, die Einflüsse der prozeßbestimmenden Parameter auf Bauteileigenschaften laserstrahlgesinterter Werkstücke quantitativ sowie qualitativ erfaßt und eine prozeßangepaßte Systemtechnik zur Verringerung der beim Laserstrahlsintern eingebrachten Eigenspannungen entwickelt. Durch die im Rahmen dieser Arbeit ermittelten Bauteileigenschaften und deren qualitative Voraussage mittels des aufgestellten Prozeßmodells wird der Anwender in die Lage versetzt, die Eigenschaften der laserstrahlgesinterten Bauteile gezielt auf das gewünschte Anforderungsprofil abzustimmen. Dies wurde abschließend anhand von drei ausgewählten Anwendungen exemplarisch dargestellt.
Fundamentals on the miniaturization of sheet metal working processes
Datum: 09.06.1998
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. mult. Dr. h.c. mult. Manfred Geiger, Prof. Dr.-Ing. D. Schmoeckel
Die Miniaturisierung von Blechbearbeitungsprozessen folgt den Forderungen der Industrie nach Gewichtsersparnis und Flexibilität bei der Massenproduktion, insbesondere bei der Konsumelektronik. Beim Einsatz konventioneller Blechbearbeitungsverfahren für die Produktion von Bauteilen mit Abmessungen im Mikrometerbereich treten jedoch viele neue Fragestellungen auf, die vor allem aus der zunehmenden Bedeutung der Mikrostruktur und der Oberflächentopographie des Werkstückmaterials resultieren. Die Arbeit untersucht die Auswirkungen der Miniaturisierung auf die mechanischen Eigenschaften von Blechwerkstoffen. Prozeßspezifische Untersuchungen für die Verfahren Scherschneiden und Biegen wurden durchgeführt. Die Auswirkungen der Miniaturisierung auf die Fließkurve, die Anisotropie und die Duktilität wurden mit Zugversuchen ermittelt, bei Versuchen zum Scherschneiden und Biegen standen Aspekte wie Werkzeugbelastung und Arbeitsgenauigkeit im Vordergrund. Sowohl die Auswahl der Prozesse als auch die der Materialien orientierten sich an der Elektronikproduktion. Bei allen Spannungs- und Dehnungsgrößen wurde ein signifikanter Miniaturisierungseinfluß festgestellt. Diese Größen werden zusätzlich mit zunehmender Miniaturisierung immer stärker von der Probengeometrie beeinflußt. Bei Biege- und Scherschneidversuchen bestimmen die speziellen Deformationsbedingungen den Ablauf des Prozesses. Als besonders charakteristische Auswirkungen der Miniaturisierung kommen ein inhomogenes Materialverhalten und ein zunehmender Widerstand gegen Deformation zum Tragen.
1997
Prozeß- und Systemtechnik zum Laserstrahl-Mikroschweißen
Datum: 17.12.1997
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. mult. Dr. h.c. mult. Manfred Geiger, Prof. Dr.-Ing. K. Feldmann
Der zunehmende Anteil mikroelektronischer und mikromechanischer Bauteile in Produkten der Konsum- und Investitionsgüterindustrie erfordert u.a. die Verfügbarkeit geeigneter Fügeverfahren für metallische Komponenten. Das Mikroschweißen mit Laserstrahlung bietet Vorteile wie Hochtemperaturfestigkeit der Verbindungen, Bearbeitbarkeit von Strukturen mit Abmessungen <100µm sowie Verarbeitbarkeit eines großen Werkstoffspektrums. Um den hohen Qualitätsanforderungen gerecht werden zu können, müssen die gesamten Verfahrensketten optimiert werden. Im Rahmen dieser Arbeit erfolgt dies erstmals am Beispiel des Kontaktierens der Anschlüsse gehäuster elektronischer Bauelemente mit den Leiterstrukturen des Schaltungsträgers. Das Ziel besteht dabei in der Erarbeitung von system- und prozeßtechnischen Grundlagen zur kontrollierten Durchführung von Mikroschweißprozessen mit gepulster Laserstrahlung. Nach einer eingehenden, durch FE-Simulationen der Temperaturfelder und Betrachtung der Koppelung zwischen Oxidation und Absorption begründeten Analyse des Prozesses wurden neuartige Systemtechniken entwickelt. Hierzu zählen u.a. ein Modul zur kraftkorrelierten Koplanaritätsoptimierung, eine Einheit zur elektrooptischen Pulsformung, eine Drehspiegelsteuerung, eine in den Schweißkopf integrierte Rückreflexionssensorik sowie ein abbildendes Quotientenpyrometer. Technologieuntersuchungen zum Verbinden von kammförmigen Teststrukturen (Werkstoffe FeNi42 sowie CuFe2P, Raster von 0,3 bzw. 0,4mm) mit Kupferleitern auf verschiedenen Substraten der Elektronikproduktion zeigen das fertigungstechnische Potential des Verfahrens auf.
Regelung der Fokuslage beim Schweißen mit CO2-Hochleistungslasern unter Einsatz von adaptiven Optiken
Datum: 09.12.1997
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. mult. Dr. h.c. mult. Manfred Geiger, Prof. Dr. rer. nat. J. Christiansen
Das Ziel der Arbeit war die Entwicklung eines Regelungssystems zur prozeßoptimierten Nachführung der Fokuslage beim Laserstrahlschweißen und der Nachweis der Funktionsfähigkeit an einer kommerziellen Laseranlage. Mit der eingesetzten optomechanischen Komponente, der adaptiven Optik, konnten erstmals hochdynamische Veränderungen der Fokuslage axial zur Werkstückoberfläche bewirkt, die Korrelation mit dem Plasmasignal hergestellt und eine innovative Regelstrategie abgeleitet werden. Für das Regelkonzept wird das laserinduzierte Plasma mit einer Plasmadiagnostik erfaßt, als Meßgröße verwendet und in einem digitalen Signal-Prozessor-System verarbeitet, um die Regelgröße „Fokuslage“ zur Ansteuerung des Stellglieds zu berechnen. Die starken Plasmafluktuationen und der komplexe Einfluß der Prozeßparameter auf das Plasmasignal beim Laserstrahlschweißen machen den Einsatz eines neuartigen Regelprinzips, das eine zuverlässige Extraktion der Fokuslage erlaubt, notwendig. Dieses Regelprinzip basiert auf einer im Rahmen dieser Arbeit entwickelten on-line Fokuslagendetektion, das durch die hohe Dynamik des Stellglieds und die Auswertung der Modulation im Plasmasignal eine prozeßsichere Regelung gewährleistet.
Kaltmassivumformung metallischer Kleinstteile - Werkstoffverhalten, Wirkflächenreibung, Prozeßauslegung
Datum: 04.12.1997
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. mult. Dr. h.c. mult. Manfred Geiger, Prof. Dr.-Ing. E. Doege
Die Anwendung der Kaltmassivumformung zur Herstellung metallischer Kleinstteile besitzt entscheidende Vorteile gegenüber alternativen Fertigungsverfahren. Um das der aus konventionellen Umformtechnik verfügbare Wissen auf den Kleinstbereich zu übertragen, wurde der Einfluß abnehmender Werkstückgrößen auf das Werkstoffverhalten und die Wirkflächenreibung bei der Kaltmassivumformung untersucht und darauf aufbauend Hinweise für die Prozeßauslegung gegeben. Es wurden Zug-, Zylinder- und Ringstauchversuche an geometrisch ähnlichen, bis in den Kleinstbereich hinein verkleinerten Proben durchgeführt. Es zeigten sich zum Teil deutliche Miniaturisierungseinflüsse, die insbesondere auf die Größeninvarianz von Mikrostruktur sowie Oberflächentopographie zurückzuführen sind. Auf Basis dieser Ergebnisse erfolgte anschließend die Entwicklung von Ansätzen zur Beschreibung der Miniaturisierungseinflüsse beim Werkstoff- und Reibverhalten. Durch die Implementation dieser Beschreibungsansätze in die numerische Prozeßsimulation wurden Grundlagen für eine größenabhängige Simulation von Kaltmassivumformprozessen zur Verfügung gestellt. Um die Übertragbarkeit der Beschreibungsansätze auf anwendungs-relevante Umformprozesse zu verifizieren, wurde ferner der Miniaturisierungseinfluß beim Voll-Vorwärts-Fließpressen mit Hilfe unterschiedlich großer Werkzeuge untersucht. Zu diesem Zweck wurde das kleinste VVFP-Werkzeug der Welt entwickelt und eingesetzt.
Integrierte Planung und Konstruktion von Werkzeugen für die Biegebearbeitung
Datum: 21.11.1997
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. mult. Dr. h.c. mult. Manfred Geiger, Prof. Dr.-Ing. K. Feldmann
Das Ziel der Arbeit war es, durch die Berücksichtigung von Standard- und Sonderbiegewerkzeugen bei der Biegestadienplanung die bisher noch notwendigen Interaktionen des Benutzers bei der Arbeitsplanung komplexer Blechbiegeteile weiter zu reduzieren und sie weitestgehend zu automatisieren. Im Mittelpunkt der Betrachtung standen die Zuordnung der Werkzeuge und die Festlegung der Werkzeugsätze, wobei Konstruktion, Herstellung und Verwaltung mit berücksichtigt wurden. Auf der Grundlage eines wissensbasierten und selbstlernenden Biegestadienplanungssystems wurden leistungsfähige Konzepte zur Entwicklung optimaler Lösungen bei hoher Ausführungsgeschwindigkeit entwickelt. Die technologische Zuordnung der Werkzeuge zu Biegeoperationen erfolgt mit einem fuzzy-basierten Regelsystem und erlaubt somit die einfache Berücksichtigung umgangssprachlich formulierter Auswahlkriterien. Auf Seiten der Werkzeugkonstruktion wurde durch den Einsatz eines zweischichtigen Neuronalen Netzes die automatische Konstruktion von kollisionsfreien Werkzeugvarianten ermöglicht. Dabei werden anhand des profilförmigen Querschnitts des Biegeteils ein Werkzeugtyp ausgewählt und die Werkzeugparameter vorbelegt. Mit der Entwicklung eines Werkzeugsystems zur schnellen Herstellung von Sonderlösungen wurden die Arbeiten abgerundet. Durch eine geschlossene, rechnergestützte Prozeßkette wurde das Rapid Tooling von aus laserstrahlgeschnittenen Blechlamellen aufgebauten Sonderbiegewerkzeugen und damit indirekt das Rapid Prototyping komplexer Blechbiegeteile ermöglicht.
Funktionale 3D-Oberflächenkenngrößen in der Umformtechnik
Datum: 14.10.1997
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. mult. Dr. h.c. mult. Manfred Geiger, Prof. Dr.-Ing. D. Schmoeckel
Zur Beschreibung der tribologischen Eigenschaften von Oberflächen in der Umformtechnik sind zweidimensionale Oberflächenkenngrößen nur bedingt geeignet, so daß neue, funktionale Oberflächenkenngrößen entwickelt werden müssen. Die dreidimensionalen Kenngrößen, die sich aus einer phänomenologischen Betrachtung der Reibvorgänge bei Mischreibung ableiten lassen, sind im wesentlichen der Materialflächenanteil, der geschlossene und der offene Leerflächenanteil. Die für eine Beschreibung einer Oberfläche wesentlichen Kenngrößen sind das Maximum der geschlossenen Leerflächenanteile a clm und das geschlossene Leervolumen Vcl. Mit dem Ziel, an jeder beliebigen Feinblechoberfläche charakteristische und vergleichbare Kennwerte ermitteln zu können, wurde eine Meßvorschrift entwickelt, die gleichzeitig eine Bewertung der Zuverlässigkeit einer einzelnen Messung erlaubt. Ein besonderes Augenmerk wurde auf die Größe der Auswertefläche und die Formabweichung gerichtet. Versuche an unterschiedlichen Modellversuchen der Umformtechnik zeigen den Zusammenhang der Kenngrößen zu den tribologischen Eigenschaften von unterschiedlichen Oberflächen. Das Potential der neuen Kenngrößen in der industriellen Fertigung wird in zwei Versuchsreihen gezeigt. So konnte im Kaltwalzwerk an 61 km Kaltband der Verschleiß der Walzenoberfläche ebenso nachgewiesen werden, wie die Ungleichmäßigkeit der Blechoberfläche über die Breite eines Coils. In einem Preßwerk wurden Versuche mit dem Ziel durchgeführt, Grenzen der Oberflächenkenngrößen zur Spezifikation von Blechoberflächen zu definieren.
Adaptive Strahlführungen für CO2-Laseranlagen
Datum: 14.10.1997
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. mult. Dr. h.c. mult. Manfred Geiger, Prof. Dr. rer. Nat. J. Christiansen
Ziel der Arbeit war die Entwicklung von Richtlinien für die Planung adaptiver Strahlführungen für CO2-Laseranlagen, in denen Abbildungsfehler vermieden werden können. Die Anwendbarkeit der Ergebnisse soll bei der Entwicklung und Erprobung eines Bearbeitungskopfes für die Fokusnachführung bei der räumlichen Laserstrahlbearbeitung nachgewiesen werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein neuartiges Verfahrens zur Charakterisierung der Strahlausbreitung in adaptiven Strahlführ-ungen entwickelt. Die Oberflächenform reflektierender Optiken wird unter realen Betriebsbedingungen in der Strahlführung einer Laseranlage durch einen Shack-Hartmann-Sensor vermessen und dient als Ausgangspunkt einer wellenoptischen Simulationsrech-nung. Anhand von grundlegenden Untersuchungen adaptiver Strahlführungen wurden Grenzen für die Parameter adaptiver Strahlführungen festgelegt. Hierzu gehören Angaben über den maximal realisierbaren Einfallswinkel und Strahlradius des Laserstrahls am Ort einer adaptiven Optik sowie Anforderungen an die Genauigkeit der Justage der Strahlführung. Die Entwicklung eines Bearbeitungskopfes für die Fokusnachführung in einer Anlage zur räumlichen Laserstrahlbearbeitung ist ein Beispiel für die Umsetzung der aufgestellten Richtlinien. Bei einer Brennweite der Fokussieroptik von 200 mm läßt sich eine Bildweitenänderung von 18 mm erreichen. Die in dieser Arbeit vorgestellten Ergebnisse bilden weiterhin die Grundlage für die industrielle Anwendung des Strahlweglängenausgleichs in Laseranlagen mit fliegenden Optiken.
Laserstrahlumformen von Profilen
Datum: 29.09.1997
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. mult. Dr. h.c. mult. Manfred Geiger, Prof. Dr.-Ing. K. Roll
Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein werkzeugloses Verfahren zur Herstellung von Profilbiegeprototypen aufgebaut. Die Umformung erfolgt mittels laserinduzierter thermischer Spannungen, d.h. es werden keine äußeren mechanischen Kräfte eingebracht. Da es sich um ein kinematisches Profilbiegeverfahren handelt, zeichnet sich diese Technologie besonders durch ihre Produktflexibilität aus. Zur Umsetzung des Vorhabens war es zunächst erforderlich, die prozeßtechnischen Grundlagen des Laserstrahlumformens von Profilen mit Hilfe der Finite-Element-Methode zu erarbeiten und die Ergebnisse so weit wie möglich experimentell zu verifizieren. Mit Hilfe des so gewonnenen Prozeßverständnisses war es möglich, ein analytisches Prozeßmodell zu entwickeln, mit dem die zu erwartenden Formänderungen und somit die Anzahl der erforderlichen Bestrahlungen abgeschätzt werden können. Die Biegewinkel für eine Einzelbestrahlung liegen typischerweise im Bereich von 0,1° bis 0,5°. Der Gesamtbiegewinkel und die Biegeradien können durch die Anzahl der Einzelbestrahlungen und deren Versatz in Profillängsrichtung festgelegt werden. Die verfahrensspezifischen Kenntnisse wurden in Form eines Technologieprozessors rechnergestützt archiviert und repräsentiert. Der Technologieprozessor analysiert die im CAD-Modell festgelegte Bauteilgeometrie und leitet selbständig unter Berücksichtigung von Werkstoff, Maschinen- und Verfahrensparametern die NC-Programme ab. Für die Bearbeitung wurde ein CO2-Laser mit einer Ausgangsleistung von 2,2 kW eingesetzt, als Führungsmaschine diente ein 5-Achs-Portalroboter, der um eine weitere rotatorische Achse für die Werstückhandhabung erweitert wurde.
Technologieorientierte Bahnplanung für die 3D-Laserstrahlbearbeitung
Datum: 11.08.1997
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. mult. Dr. h.c. mult. Manfred Geiger, Prof. Dr.-Ing. G. Reinhart
Ziel der Arbeit war die Entwicklung eines Algorithmus zur technologieorientierten Bahnplanung für die 3D-Laserstrahl-bearbeitung. Der Algorithmus erlaubt die automatisierte offline-Erstellung von NC-/RC-Programmen für die Verfahren Laserstrahlschneiden und -schweißen. Neben einem CAD-Modell des Bauteils wird dabei ein Modell der jeweiligen Fertigungseinrichung verwendet, in welchem die Geometrie und die kinematischen Eigenschaften der Anlage abgebildet sind. Dabei können Portalanlagen mit 5 Achsen und Knickarmroboter mit 6 Achsen berücksichtigt werden. Durch Anwendung von speziell auf die 3D-Laserstrahl-bearbeitung abgestimmten Bahnplanungsstrategien können bereits auf Rechnerebene optimierte Steuerungsprogramme im Hinblick auf die Bahngeschwindigkeit und das Bewegungsverhalten der Führungsmaschine generiert werden. Die in die Bahnplanung integrierte Simulation der Führungsmaschine ermöglicht die Sicherstellung einer kollisionsfreien Bearbeitung sowie eine hinreichend genaue Abschätzung der erzielbaren Bahngeschwindigkeit. Der Einsatz des Algorithmus zur Bahnplanung führt zu einer Reduzierung der Programmierzeit sowie zu einer erhöhten Anlagenauslastung, da auf das unwirtschaftliche Teach-In-Verfahren verzichtet werden kann. Die Leistungsfähigkeit des Algorithmus wurde anhand einer Reihe von Bearbeitungsaufgaben verifiziert. Ein Beispiel dazu ist das Besäumen von Ziehteilen für den Prototypenbau.
Zerstörungsfreie Ermittlung mechanischer Eigenschaften von Feinblechen mit dem Wirbelstromverfahren
Datum: 22.07.1997
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. mult. Dr. h.c. mult. Manfred Geiger, Prof. Dr.-Ing. A. Weckenmann
Im Ziel der Arbeit war die Entwicklung eines auf dem Wirbelstromprinzip basierenden Meßsystems, das zur zerstörungsfreien Ermittlung mechanischer Eigenschaften von Stahlfeinblech eingesetzt werden kann. Es soll zur Überwachung des Werkstoffes vor der Blechbearbeitung dienen, so daß unzulässige Abweichungen von vorgegebenen Sollwerten erkannt und zur Vermeidung von Störungen des Produktionsprozesses genutzt werden können. Für den Einsatz in der fertigungsintegrierten Blechprüfung wurde eine modular aufgebaute, flexibel einsetzbare und automatisierte Vorrichtung entwickelt. Zur Auswertung der Meßdaten wurden Algorithmen auf der Basis multipler Regressionsmethoden und neuronaler Netze eingesetzt. Die erzielten Meßergebnisse zeigen, daß die Wirbelstromprüfung geeignet ist, für die Blechumformung relevante mechanische Kenngrößen zerstörungsfrei zu ermitteln. Dies wurde durch die typischen Meßabweichungen von <±5% für die Zugfestigkeit und <±10% für 0.2%-Dehngrenze nachgewiesen. Durch Optimierung der Auswertestrategien konnten Meßzeiten im Bereich von zwei Sekunden erzielt werden. Damit steht ein flexibles, kostengünstiges und präzises Meßsystem zur Verfügung, das eine rasche Kontrolle mechanischer Blecheigenschaften erlaubt und zur Steigerung der Prozeßsicherheit beitragen kann.
Meßeinrichtung zur Untersuchung der Wirkflächenreibung bei umformtechnischen Prozessen
Datum: 22.07.1997
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. mult. Dr. h.c. mult. Manfred Geiger, Prof. Dr.-Ing. habil. H. Gläser
Bei der Umformung metallischer Werkstoffe beeinflussen die Reibungsphänomene den Werkstofffluß, die Oberflächenqualität der gefertigten Teile und den Verschleiß der Werkzeuge. Während die meisten FEM Programme bereits die notwendigen Routinen zur ortsabhängigen Beschreibung der Reibung zur Verfügung stellen, fehlen auf der experimentellen Seite immer noch die Methoden und Meßeinrichtungen zur experimentellen Ermittlung der erforderlichen Eingabedaten. Die Entwicklung und Erprobung einer Meßeinrichtung zur Untersuchung der Vorgänge in der Wirkfuge zwischen dem Werkzeug und Werkstück, zusammengefaßt unter dem Begriff Wirkflächenreibung, war Aufgabe und Gegenstand dieser Forschungsarbeit. Das Kernstück der Meßeinrichtung ist ein neu entwickelter Stauchdrehversuch. Er gestattet die Untersuchung aller Einflußgrößen die auch bei komplexeren Prozessen das Reibverhalten bestimmen: die wahre Kontaktfläche, die Normalspannung, die relative Verschiebung zwischen Werkstück und Werkzeug und die Oberflächenvergrößerung. Dabei können die Normalspannung und der Gleitweg unabhängig voneinander eingestellt werden. Zur in situ Messung der wahren Kontaktfläche wurde eine Ultraschallmeßmethode entwickelt. Sie kann für die Untersuchung aller in der Umformtechnik vorkommenden Materialpaarungen eingesetzt werden und ermöglicht durch die starke Fokkusierung des Schallbündels eine hohe laterale Auflösung. Bei den Schmierstoffen ist die Anwendung jedoch auf flüssige Schmiermittel eingeschränkt.
1996
Regelung der Laserstrahlleistung und der Fokusparameter einer CO2-Hochleistungslaseranlage
Datum: 20.12.1996
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. mult. Dr. h.c. mult. Manfred Geiger, Prof. Dr. rer. nat. J. Christiansen
Ziel dieser Arbeit war der Aufbau einer Regelung für CO2-Hochleistungslaseranlagen. Innovative Sensorik- und Aktorikkomponenten wurden zu diesem Zweck zu einer umfassenden Anlagenregelung kombiniert. Der Erfassung der Laserparameter gingen Entwurf und Aufbau von Meßsystemen auf der Basis schneller thermoelektrischer Detektoren (Atomlagen-Thermosäulen) voraus. Die Integration dieser Meßsysteme in eine kommerzielle Laseranlage mit fliegender Optik und HF-angeregtem CO2-Hochleistungslaser erlaubte eine umfassende Störgrößenanalyse. Das gesamte Regelsystem wurde in zwei Teilsysteme unterteilt und getrennt optimiert. Die Regelung der Laserstrahlleistung erfolgt über einen Zweipunktregler mit den HF-Generatoren als Stellelementen. Resultat ist eine Verbesserung der Leistungskonstanz um zwei Größenordnungen bei unverõndertem Wirkungsgrad des Lasers. Die Fokusparameter werden anhand indirekter Messungen nahe der Fokussieroptik bestimmt und mit piezoelektrischen Adaptiven Optiken hochdynamisch nachgestellt. Die Anlagenregelung erfüllt durch die kompakte Ausführung, die leichte Integrierbarkeit und den Verzicht auf bewegte mechanische Komponenten die wesentlichen Anforderungen für eine Integration in kommerzielle Laseranlagen.
Fertigungsqualität beim 3D-Laserstrahlschweißen von Blechformteilen
Datum: 14.10.1996
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. mult. Dr. h.c. mult. Manfred Geiger, Prof. Dr.-Ing. H. Meerkamm
Im Rahmen dieser Arbeit wurden die erzielbare Fertigungsqualität beim 3D-Laserstrahlschweißen von Blechformteilen mit kleinen Krümmungsradien untersucht und in ausgewählten Beispielen dokumentiert sowie Hinweise zur lasergerechten Fertigung von Blechformteilen erarbeitet. Es wurden die drei wesentlichen Verbindungsarten des Laserstrahlschweißens im Karosseriebau untersucht: I-Naht am Stumpfstoß und I-Naht und Kehlnaht am Überlappstoß. Zur Bestimmung der Fertigungsqualität an Schweißverbindungen des Typs I-Naht und Kehlnaht am Überlappstoß mußten erst geeignete Bewertungsrichtlinien definiert werden. Zur Bearbeitung der Blechformteile kamen bekannte und im Rahmen der Untersuchungen neu entwickelte Strategien zur Prozeßführung beim Laserstrahlschweißen an einfachen Formelementen und an Realbauteilen aus Automobilkarosserien zum Einsatz. Die hierbei erzielten Bearbeitungsergebnisse wurden anhand der oben genannten Richtlinien hinsichtlich der erzielten Fertigungsqualität untersucht. Eine gleichbleibende Fertigungsqualität an Außen- und Innenkonturen gleichermaßen konnte unabhängig von den untersuchten Werkstücken durch die Anwendung geeigneter Prozeßführungsstrategien sichergestellt werden. Die Untersuchungen wurden an einer 5-Achsen Portalanlage mit einem 2,2kW-CO2-Laser und einem 6-Achsen Industrieroboter mit einem 1kW Nd:YAG-Laser durchgeführt.
Berührungslose Formgebung mit Laserstrahlung
Datum: 26.07.1996
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. mult. Dr. h.c. mult. Manfred Geiger, Prof. Dr.-Ing. habil. G. Kuhn
In Abhängigkeit der Bearbeitungsparameter treten beim Umformen von Blechen mit thermischen Spannungen drei unterschiedliche Mechanismen auf, die konkave und konvexe Biegungen sowie Stauchungen in der Blechebene ermöglichen. Die Entwicklung geeigneter FEM-Modelle und ihre systematische Validierung durch entsprechende Experimente verbessert das Prozeßverständnis insbesondere durch die Berechnung experimentell nicht meßbarer Größen, wie z. B. Dehnungsverteilungen. Beim Temperatur-Gradienten-Mechanismus (TGM) nutzt man den Temperaturunterschied zwischen bestrahlter und unbestrahlter Blechseite zur Erzeugung einer konkaven Biegung. Zum hochgenauen Biegen mit dem TGM wurde ein Regelkreis aufgebaut, der das inkrementelle Erzeugen beliebiger Endwinkel ermöglicht. Ein grundsätzlich anderer Biegemechanismus tritt bei hinreichend langer Bestrahlungszeit und kleinem Temperaturgradienten auf. Wenn die bestrahlte Zone groß im Verhältnis zur Blechdicke ist, führen die thermisch induzierten Druckspannungen zum Ausknicken der erwärmten Zone. Dieser Knickmechanismus ermöglicht konkave und konvexe Biegungen. Der dritte Mechanismus ermöglicht die Herstellung räumlich gekrümmter Strukturen. Hier wird das Material in der ganzen Dicke gestaucht und somit quer zur Vorschubrichtung verkürzt. Die Berechenbarkeit dieser Vorgänge durch analytische und numerische Modelle erfüllt eine wichtige Voraussetzung für den Einsatz des Laserstrahlumformens als präzises, serientaugliches Richtverfahren und zur Herstellung von Funktionsprototypen.
Laserstrahlhartlöten mit Zweistrahltechnik
Datum: 11.04.1996
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. mult. Dr. h.c. mult. Manfred Geiger, Prof. Dr.-Ing. K. Feldmann
Das Ziel der Arbeit war es, grundlegendes Wissen über das flußmittelfreie und automatisierte Laserstrahlhartlöten von Blechformteilen mit Zweistrahltechnik zu erarbeiten. Es wurde ein Hartlötsystem bestehend aus zwei Nd:YAG-Lasern, einem 6-Achsen-Gelenkarmroboter sowie einer Lotdraht und Schutzgaszuführung aufgebaut. Die entwickelte online Prozeßregelung, basierend auf der Erfassung der Blechoberflächentemperatur, ergänzte die Anlage. In den grundlegenden Untersuchungen zur Prozeßführung wurde die Anordnung der Laserstrahlen zum Verbindungsstoß sowie die Lot- und Schutzgaszuführung für die Zweistrahltechnik optimiert. Die eingehende Untersuchung der Verbindungseigenschaften insbesondere auch räumlich orientierter Nähte zeigte, daß sehr gute Verbindungsqualitäten hinsichtlich Benetzungen und Füllgrad im Spalt sowie geringer Verzug und hohe Festigkeiten erzielt werden können. Die Verwendung von zwei Laserstrahlquellen, die unabhängig voneinander in ihrer Ausgangsleistung geregelt werden können, erlaubt eine gezielte und für beide Stoßpartner separate Energieeinbringung. Dadurch lassen sich Temperaturprofile für verschiedene Stoßformen über die Fokuslagen, die Einstrahlwinkel und die Anordnung der Laserstrahlwirkflächen zum Spalt optimal einstellen. Das vorgestellte Laserstrahlhartlötverfahren schafft damit eine Basis für eine industrielle Umsetzung der räumlichen Hartlötbearbeitung von Blechformteilen.
Mikromaterialbearbeitung mit Excimerlaserstrahlung - Systemkomponenten und Verfahrensoptimierungen
Datum: 18.03.1996
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. mult. Dr. h.c. mult. Manfred Geiger, Prof. Dr. H. W. Bergmann
Das Ziel der Arbeit war es, durch grundlegende Technologieuntersuchungen und durch optimierte Systemkomponenten zu einer erhöhten Abtragsrate und zu einer verbesserten Nutzung der Pulsenergie in der Mikromaterialbearbeitung mit Excimerlaserstrahlung beizutragen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde erstmals eine diffraktive Optik als Phasenelement (Strukturgröße 20 µm) für die Materialbearbeitung mit XeCl-Excimerlaserstrahlung untersucht. Das Abtragsvolumen bzw. die bestrahlte Fläche steigt für den realisierten Ringfokus im Vergleich zu konventionellen Chrom-Quarzglasmasken um den Faktor 3 bis 4, so daß ca. 70 % der eingestrahlten Energie für die Bearbeitung am Werkstück genutzt werden können. Weiterhin läßt sich durch Modifikation der physikalischen Randbedingungen die Abtragsrate bei der Al2O3-Bearbeitung wesentlich erhöhen. Durch die Bearbeitung in Wasser, das nach starker Überhitzung explosionsartig verdampft, steigt der Materialabtrag um eine Größenordnung. Durch die deutlichen Effizienzsteigerungen (höhere Abtragsrate, reduzierte optische Verluste) steigt das Anwendungspotential für die industrielle Umsetzung der Materialbearbeitung mit Excimerlaserstrahlung in der Elektronikindustrie und Feinwerktechnik.
1995
Wissensbasierte Analyse und Klassifizierung von Blechteilen
Datum: 28.04.1995
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. mult. Dr. h.c. mult. Manfred Geiger, Prof. Dr.-Ing. H. Bley
Ziel der Arbeit war es, ein Konzept für eine zeitgemäße Klassifizierung zu erstellen, um damit Anwendungsmöglichkeiten und Potentiale derartiger Entwicklungen aufzuzeigen. Dabei wurden konventionelle Ansätze wie z.B. Formenordnungen berücksichtigt; in Verbindung mit modernen, wissensbasierten Methoden der Informatik konnte ein Prototyp für ein Klassifizierungssystem erstellt werden. Grundlage hierfür war ein umfangreicheres Blechteilespektrum. Die Methodik läßt sich jedoch auch auf andere Technologien ausweiten. Kern des Konzepts ist eine universelle Teilebeschreibung durch Formelemente und Features. Die automatisierte Feature-Analyse ermöglicht eine leistungsfähige Teileerkennung. Dabei werden sowohl die Grobgestalt – häufig ein Rechteck – als auch lokale Formelemente, z.B. Schlitze berücksichtigt. Durch die Verwendung von Algorithmen, Neuronalen Netzen und Fuzzy-Logik wird die Abweichung von einer definierten Sollform erkannt und bewertet. Als integrierendes Instrument sowohl für die Wissensrepräsentation als auch für die Verarbeitung wurde ein spezieller Typ eines Semantischen Netzes entwickelt, das sich durch seine Flexibilität und Universalität auszeichnet. Mit den erarbeiteten Grundlagen konnte die Anwendbarkeit aufgezeigt werden. Es wurde ein flexibles, universell verwendbares System für die Ähnlichteilsuche entwickelt; zudem wurde das Klassifizierungssystem zur Unterstützung von Arbeitsplanung und Kalkulation eingesetzt.
Beitrag zur automatisierten Handhabungsplanung komplexer Blechbiegeteile
Datum: 20.02.1995
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. mult. Dr. h.c. mult. Manfred Geiger, Prof. Dr.-Ing. E. v. Finckenstein
Ziel der Arbeit war es, flexible Verfahren zur automatisierten Handhabungsplanung im Fall komplexer Blechbiegeteile an Biegemaschinen zu entwickeln. Hierzu wurde auf Basis vorhandener kommerzieller Handhabungssysteme eine objektorientierte Systemanalyse der Handhabungsplanung durchgeführt. Die Analyse führte zu einem allgemeinen Systemmodell, welches eine parametrisierbare Beschreibung von Handhabungssystemen erlaubt. Dabei wurden Modelle sowohl zur Beschreibung der statischen Beziehungen zwischen den Komponenten der Handhabung als auch zur Beschreibung der dynamischen und funktionalen Wechselbeziehungen entwicklet. Das Systemmodell zeichnet sich zudem durch einen hohen Grad an Modularität und Skalierbarkeit aus, welcher eine flexible Anpassung an die verschiedenen Randbedingungen bezüglich eingesetzter Handhabungskomponenten, Werkzeugmaschinen und zu handhabendem Teilespektrum ermöglicht. Das entwickelte Modell und die zugehörigen Methoden wurden exemplarisch in einem Planungssystem für Blechbiegeteile realisiert, in dem neben der Handhabungsplanung auch eine Komponente für die Bestimmung von Abkantfolgen integriert wurde. Somit wurde mit Hilfe dieses Systems eine vollautomatisierte, flexible Fertigungsvorbereitung für das Biegen unter Berücksichtigung handhabungstechnischer Aspekte möglich.
Optische 3D-Konturerfassung und on-line Biegewinkelmessung mit dem Lichtschnittverfahren
Datum: 30.01.1995
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. mult. Dr. h.c. mult. Manfred Geiger, Prof. Dr.-Ing. W. Jüptner
Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung einer on-line Biegewinkelerfassung als Grundkomponente eines Regelkreises. Die Grundlagenuntersuchungen wurden mit einem 3D-Konturmeßsystem durchgeführt, welches größte Flexibilität durch eine Strahlführung mit einem positionsgeregelten x-y-Galvanoscanner aufweist. Aufbauend auf dem photogrammetrischen Standardverfahren der Direkten Linearen Transformation wurde eine Strategie zur vollautomatischen Kalibrierung des 3D-Konturmeßsystems entwikelt. Eine on-line Biegewinkelerfassung wird durch ein neuartiges, zum Patent angemeldetes Spezialwerkzeug mit integriertem Lichtschnittsensor möglich. Der Auswertealgorithmus wurde angepaßt und eine auch im industriellen Umfeld anwendbare Kalibrierstrategie entwikelt. Das Spezialwerkzeug erlaubt nicht nur eine Regelung des freien Biegens, sondern auch grundlegende Untersuchungen des Biegeprozesses. Mit einer direkten Regelung des Biegewinkels durch on-line Messung des Biegewinkels nach Entlastung und inkrementalen Korrekturbiegungen kann eine Fertigungsgenauigkeit von ± 0,2° erreicht werden. Dabei sind keine Probebiegungen erforderlich und jeder beliebige Biegewinkel kann auch bei Einzelstückfertigung sicher erreicht werden. Das geregelte freie Biegen erfüllt damit die wichtigsten Anforderungen industrieller Anwender an ein modernes Blechumformverfahren.
1994
Anlagen- und Prozessdiagnostik beim Schneiden mit einem gepulsten Nd:YAG-Laser
Datum: 27.07.1994
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. mult. Dr. h.c. mult. Manfred Geiger, Prof. Dr. F. O. Olsen
Ziel dieser Arbeit war es, das Prozessverständnis für das Fertigungsverfahren „Schneiden mit gepulsten Nd:YAG-Lasern“ zu erweitern. In einer ganzheitlichen Betrachtungsweise wurden dazu diagnostische Untersuchungen im gesamten Bearbeitungssystem (gepulster Nd:YAG-Laser, Strahlführung über Lichtleitfasern, Industrieroboter und x-y-Koordinatenführungsmaschine) und am Prozess durchgeführt. Die vom Prozess emittierten optischen Signale wurden mit Hilfe einer Kurzzeitkamera, eines Pyrometers, eines Spektrometers und Fotodioden mit geeigneten Filtern erfasst. Die Auswertung der Signale zeigt, dass die Wechselwirkung im Normalfall an die Laserpulsdauer gebunden ist. Unregelmäßige Verläufe bestimmter Signale sind damit für eine Prozessüberwachung nutzbar. Bei dreidimensionalen Schneidbahnen, hierzu wurde ein Musterteilvorschlag zum räumlichen Laserstrahlschneiden erarbeitet, zeigt sich, dass die erzielbare Werkstückgenauigkeit maßgeblich vom Bewegungsverhalten der Führungsmaschine bestimmt wird. Ein Einfluss der Schwerkraft auf den Prozess kann hingegen nicht festgestellt werden. Der gepulste Betrieb und die geringe mittlere Leistung des Lasers sind durch die geringe Anfälligkeit des Prozesses und damit der Bearbeitungsqualität gegenüber einem Unterschreiten der optimalen Schneidgeschwindigkeit von Vorteil bei der Bearbeitung komplexer Konturen.
Oberflächenfeinbearbeitung keramischer Werkstoffe mit XeCl-Excimerlaserstrahlung
Datum: 31.05.1994
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. mult. Dr. h.c. mult. Manfred Geiger, Prof. Dr.-Ing. H. Brand
Ziele der Arbeit sind Verfahrensgrundlagen für die Oberflächenmodifikation und die Feinstrukturierung Technischer Keramik mittels XeCl-Excimerlaserstrahlung und die Ableitung von Hinweisen für industrielle Anwendungen. Ein vielversprechendes Einsatzgebiet des Excimerlasers ist die Oberflächenmodifikation keramischer Werkstoffe. In Abhängigkeit von der Energiedichte und der Pulszahl kann die Oberfläche mit wenigen Laserpulsen aufgerauht oder geglättet werden. Die mechanischen Eigenschaften des Bauteils werden durch die Laserbearbeitung verbessert. Über der Abtragsschwelle werden mit jedem Laserpuls dünne Schichten des Werkstoffs abgetragen. Ein Projektionsverfahren bildet eine im Laserstrahl positionierte Maske stark verkleinert auf die Werkstückoberfläche ab. Hierdurch können Strukturen mit Abmessungen im Mikrometerbereich erzeugt werden. Von technologischem Interesse ist die Tatsache, dass die Abtragsraten mit ansteigender Temperatur zunehmen. Hierdurch können die Bearbeitungszeiten verringert werden. Die Untersuchungen zeigen, dass Excimerlaser das Potential zur schonenden, hochgenauen Bearbeitung keramischer Werkstoffe besitzen.
1993
Laserstrahlbohren durchflussbestimmender Durchgangslöcher
Datum: 30.11.1993
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. mult. Dr. h.c. mult. Manfred Geiger, Prof. Dr.-Ing. H. W. Bergmann
Das Ziel der Arbeit bestand in der verfahrenstechischen Weiterentwicklung des Laserstrahlbohrens von Durchgangslöchern, um insbesondere die geometrische Reproduzierbarkeit durchflussbestimmender Löcher beziehungsweise Mehrlochbilder zu verbessern. Die erreichte Fertigungsqualität der laserstrahlbearbeiteten Löcher soll keine weitere Nachbearbeitung erfordern. Ein wesentliches Forschungsergebnis ist die Reduzierung der Durchflusstoleranzen von laserstrahlgebohrten Löchern auf unter 1 % des Durchflussmittelwerts. Dies entspricht einer Reduzierung um etwa eine Größenordnung gegenüber herkömmlichen Laserstrahlbohrbearbeitungen. Dies gelingt durch das neuartige Konzept der in-process-Messung des Durchflusses des Prozessgases durch das in Bearbeitung befindliche Loch hindurch. Voraussetzung für die Durchflussmessung ist eine gasdichte Verbindung zwischen der zu bearbeitenden Stelle am Werkstück und dem Durchflussmessgerät. Für ebene, in der Regel als Blech vorliegende Werkstücke werden Spannvorrichtungen vorgeschlagen, die eine so genannte Prozessgaskammer beinhalten. Durch den Einsatz einer rechnerbasierten Regeleinrichtung lässt sich ein Loch durch gezielte Laserstrahlnachbearbeitung in seinem Durchflusswert korrigieren und einem vorab festgelegten Solldurchfluss annähern. Als Regelgröße wird der momentane Durchflusswert, als Stellgrößen alle Einstellparameter der Laseranlage, das heißt des Laseraggregats und der Positioniereinheit, genutzt. Als effektivste Regelstrategie bewährt sich diejenige mit adaptiver Fokuslagenverschiebung, bei der nach Herstellung eines Ausgangslochs mit einem ersten Laserstrahleinzelpuls die Differenz zum Solldurchfluss rechnerisch ermittelt und proportional dazu die Anhebung der Fokuslage vorgenommen wird. Die Wirksamkeit des vorgeschlagenen Bearbeitungsverfahrens wird anhand verschiedener Bearbeitungsbeispiele an Stahlblechen unterschiedlicher Dicken nachgewiesen. Dabei werden verschiedene Bearbeitungsstrategien mit variablen Lochgeometrien und -anordnungen untersucht.
Entwicklung eines benutzerorientierten Werkstattprogrammiersystems für das Laserstrahlschneiden
Datum: 30.07.1993
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. mult. Dr. h.c. mult. Manfred Geiger, Prof. Dr.-Ing. H. Bley
Auf der Basis einer Analyse der Arbeitsaufgabe „NC-Programmerstellung in einer werkstattorientierten Fertigungsorganisation“ wurde ein modulares Werkstattprogrammiersystem konzipiert, das die spezifischen Randbedingungen der flexiblen Blechteilfertigung berücksichtigt. Dabei weist das Programmiersystem eine Struktur auf, die analog zur Tätigkeitsstruktur aufgebaut ist. Unter Verwendung gebräuchlicher Modellbildungsansätze wurde ein Datenmodell entwickelt, das die komplette Arbeitsaufgabe von der Konturerstellung bis zur Optimierung des NC-Programms gleichermaßen abdeckt. Dieses Modell zeichnet sich vor allem durch seine Erweiterungsfähigkeit aus. Der Schwerpunkt der Entwicklungen für das Werkstattprogrammiersystem lag auf der Technologieplanung. Mit der Einführung von Nachbarschaftsbeziehungen zwischen Konturen wurde eine Methode vorgestellt, um den Berechnungsaufwand bei der Technologieplanung zu reduzieren. Interaktive Bearbeitungsfunktionen können auf diese Weise mit Kontrollmechanismen ausgestattet werden, ohne dass der Benutzer auf schnelle Antwortzeiten des Programmiersystems verzichten muss. Für die Simulation und die Optimierung der NC-Programme wurde ein Modul entwickelt, das unter Benutzung des gleichen Basismodells eine Koppelung von NC-Programmsimulation und Technologieplanungsfunktionen erlaubt. Mittels der Nachbarschaftsbeziehungen sind hier z.B. kritische Konturschnitte beim Aufbau des Modells automatisch zu detektieren.
Beitrag zur Oberflächenermüdung von Umformerkzeugen
Datum: 19.03.1993
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. mult. Dr. h.c. mult. Manfred Geiger, Prof. Dr.-Ing. habil. G. Kuhn, Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. K. Lange
Zu geringe Werkzeugstandmengen, ungenügende Prozeßsicherheit und Maschinenverfügbarkeiten durch unkalkulierbaren Werkzeugausfall sowie übermäßig lange Entwicklungszeiten bei der Werkzeugkonstruktion charakterisieren die Werkzeugproblematik in der Umformtechnik. Nur der konsequente Rechnereinsatz in Konstruktion und Verfahrensentwicklung kann zukünftig eine entscheidende Verbesserung der Situation bringen. Ein wesentlicher Schritt auf diesem Weg ist die Einführung der FE-Prozeßsimulation und der darauf aufbauenden Simulation des Werkzeugversagens. Eine wichtige Aufgabe der Prozeßsimulation in der Umformtechnik dabei ist es, auch das Werkzeugverhalten mit zu berücksichtigen und für den Entwickler kalkulierbar werden zu lassen. Damit öffnet sich die Möglichkeit, das Werkzeug bereits im Vorfeld der Fertigung, d.h, in der Entwurfs- und Konstruktionsphase prozessgerecht zu gestalten und zu optimieren. Durch Simulation der Betriebsbeanspruchung und der damit einhergehenden Werkzeugschädigung können Schwachstellen einer gewählten Werkzeugauslegung erkannt und mögliche Optimierungsmaßnahmen bereits am Rechnermodell erprobt und bewertet werden. Im Bereich der Kaltmassivumformung interessiert hierbei vorrangig das Ermüdungsbruchverhalten der Werkzeuge. Für eine prozessoptimierte Werkzeugauslegung gilt es vor allem, die Anrissbeständigkeit der Werkzeuge, die das weitere Bruchverhalten maßgeblich mitbestimmt, entscheidend zu verbessern. Ein wesentlicher Aspekt hierbei ist die Phase der Ermüdungsrissbildung, d.h. der Rissinitiierung, an der Werkzeugoberfläche. Die Bereitstellung der erforderlichen theoretischen Grundlagen zur Simulation der Oberflächenermüdung bzw. Rissinitiierung im Rahmen der Versagenssimulation und nachfolgenden Werkzeugoptimierung war Aufgabe und Gegenstand dieser Forschungsarbeit. Ein anfänglicher Vergleich aus der Literatur bekannter Ansätze zur Beschreibung der Oberflächenermüdung zeigt, dass die bisherigen Lösungen für die Anwendung bei Umformwerkzeugen aufgrund der dort vorherrschenden komplexen Beanspruchungsbedingungen nicht geeignet erscheinen. Ein weiterer Beitrag stellt als Ergänzung ein weiterentwickeltes energiedichtebezogenes Versagenskriterium zur Simulation der Ermüdungsrisseinleitung vor. Der direkte Vergleich von umfangreichen experimentellen und numerischen Ermüdungsuntersuchungen am Beispiel gekerbter Dreipunktbiegeproben sowie Fliesspressmatrizen demonstriert die Brauchbarkeit und den Vorteil dieses Ansatzes. Die abschließenden Anwendungsbeispiele beschreiben zusammenfassend die zukünftigen Einsatzmöglichkeiten der Versagenssimulation bei der Werkzeugoptimierung.
1992
Laserstrahlregulierung und Optikdiagnostik in der Strahlführung einer CO2-Hochleistungslaseranlage
Datum: 11.12.1992
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. mult. Dr. h.c. mult. Manfred Geiger, Prof. Dr. rer.nat J. Christiansen
Im Rahmen der Arbeit wurde die Leistungsfähigkeit neuer eigenentwickelter Sensorik- und Stelleinheiten zur Überwachung, Steuerung und Regelung der beiden Systemkomponenten Laserstrahl und Optik getestet und zur Regelung entscheidender Bearbeitungsparameter an einer CO2-Hochleistungslaseranlage eingesetzt. Das Gesamtkonzept zielt auf einen möglichst maschinennahen Einsatz und auf On-Line Fähigkeit. Die Laserstrahlregelung setzt sowohl Systeme zur Laserstrahlüberwachung als auch zur Steuerung der Laserstrahleigenschaften voraus. Mit einer Thermoelement-Sensorik, die den CO2-Hochleistungslaserstrahl im Randbereich mit Thermoelementen abtastet, sind Veränderungen der Laserstrahllage und der -divergenz mit Zeitkonstanten von wenigen Sekunden on-line erfassbar. Zur Korrektur der Laserstrahllage und des -radius wurden zwei unabhängig voneinander arbeitende optomechanische Stelleinheiten neu entwickelt. Mit diesem Regelsystem sind Abweichungen der Laserstrahlkenngrößen Strahllage und –radius vom vorher definierten Sollwert vollautomatisch nachregelbar. Der Einsalz des Gesamtsystems wurde an einer CO2-Laserstrahlschneidanlage ausführlichen Tests unterzogen. Die Überwachung des optischen Systems zielt in erster Linie auf die Erfassung der thermischen Belastung der Optiken. Der Schwerpunkt der Arbeiten lag dabei auf der Realisierung eines Messprinzips zur Optikdiagnose, das sich zum On-Line Einsatz eignet. Dieses beruht auf einem geometrisch-optischen Messverfahren, das für den Einsatz an transmissiven ZnSe-Optiken optimiert und erstmals in der Anwendung an einer CO2-Hochleistungslaseranlage getestet wurde. Mit dieser Linsensensonk wurden die wichtigsten Kenngrößen, die die Qualität und den Alterungszustand der Optik definieren, experimentell ermittelt. Die Untersuchungen wurden an Auskoppelfenstern, Strahlteilern und Fokussierlinsen durchgeführt, da diese im Betrieb besonders starken thermischen Belastungen ausgesetzt sind. Für die Auswertung werden Strahldurchrechnungsalgorithmen (Raytracing) angewandt. Im Rahmen einer theoretischen Untersuchung wurden insbesondere der Einfluss der Linsenform, des mechanischen Auflagers und der Kühlung untersucht. Diese Simulationsergebnisse liefern wertvolle Zusatzinformation zu den Messergebnissen der Linsensensonk. Aus den grundlegenden Untersuchungen an verschiedenen Optiken wurde ein Konzept für die Integration des Messverfahrens in einen Bearbeitungskopf entworfen, das die Möglichkeit der On-Line Fokuslageregelung aufzeigt.
1991
Verfahrensfolge Laserstrahlschneiden und -schweißen Prozessführung und Systemtechnik in der 3D-Laserstrahlbearbeitung von Blechformteilen
Datum: 13.12.1991
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. mult. Dr. h.c. mult. Manfred Geiger, Prof. Dr.-Ing. H.Hügel
Die Verfahrensfolge Laserstrahlschneiden und -schweißen ist eine innovative Technologie für die Herstellung von formschlüssigen Verbindungen hoher Maßgenauigkeit und Oberflächengüte. Zwei zu verschweißende Blechformteile werden zunächst durch Laserstrahlschneiden auf Fügemaß abgelängt. Beim anschließenden Verschweißen im Stumpfstoß wird durch Einsatz von Zusatzdraht eine fehlerfreie Schweißnaht mit gezielt herbeigeführter Nahtüberhöhung hergestellt. Diese dient als Modelliervolumen für die Nacharbeit. Beide Verfahrensschritte erfolgen in einer Aufspannung und in der gleichen Werkzeugmaschine. In technologischen Untersuchungen wurde eine Wissensbasis erarbeitet, die die Umsetzung der Verfahrensfolge Laserstrahlschneiden und -schweißen für industrielle Anwendungen unterstützt. Erste Teilergebnisse trugen dazu bei, dass das Verfahren bereits Anfang dieses Jahres in die Großserienfertigung von Automobi1karosserien integriert werden konnte. Verbindungsstellen im Sichtbereich der Karosserieaußenhaut, bislang von Werkern durch WIG-Schweißen gefügt, werden jetzt vollautomatisiert verschweißt. Formverbesserungs- und Schleifarbeiten zum Erzielen einer 1ackierfähigen Oberfläche sind erheblich reduziert. Neben dem rein wirtschaftlichen A s m stellt die Verfahrensfolge einen wichtigen Beitrag zur Humanisierung der Fertigung dar. Parallel zu den technologischen Arbeiten, die sich mit der optimierten Prozessführung der beiden Verfahrensschritte befassten, wurde die eingesetzte Systemtechnik untersucht. Aus den Ergebnissen konnten Konzepte für innovative Systemkomponenten abgeleitet und zumindest teilweise realisiert werden. Die Integration einer „Adaptiven Optik“ in die Strahlführung erlaubt die prozessoptimierende Fokussierung des Laserstrahls unabhängig von Störgrößen wie der Alterung des Auskoppelfensters der Strahlquelle, thermischen Linseneffekten oder sich ändernder Strahlweglängen durch ein bewegtes Strahlführungssystem. Die „Einelement-Thermoelementsensorik“ soll in Verbindung mit einem „automatisierten Strahljustagesystem“ eine Unterstützung bei Inbetriebnahme und Wartung der Werkzeugmaschine aber auch zur Inprozess-Qualitätssicherung geben.
Hon.- Prof. Dr.-Ing. Peter Hoffmann
Entwicklung einer CAD/CAM-Prozesskette für die Herstellung von Blechbiegeteilen
Datum: 13.12.1991
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. mult. Dr. h.c. mult. Manfred Geiger, Prof. Dr.-Ing. H.K. Tönshoff
Das Blechbearbeitungssystem am Lehrstuhl für Fertigungstechnologie erlaubt die flexible Fertigung komplexer Blechbiegeteile in kleinen Stückzahlen und im Teilemix. Zur Unterstützung der Fertigungsvorbereitung und Steigerung der Wirtschaftlichkeit der Anlage wurde im Rahmen der Arbeit ein CAP-System entwickelt, das sich durch einen hohen Automatisierungsgrad auszeichnet. Grundlage hierzu war die Konzeption eines integrierenden Datenmodells, das auf die Bedürfnisse der Fertigungsvorbereitung in der Blechbearbeitung abgestimmt ist. Durch ein featureorientiertes Datenmodell, in dem Blechteile durch Folienkörper repräsentiert werden, und ein Attributmanagement, das auch Toleranzinformationen aufnehmen kann, wurde die Basis für effizient arbeitende Algorithmen mit kurzen Antwortzeiten geschaffen. Wesentlicher Aspekt bei der Entwicklung der CAD/NC-Verfahrensketten war die automatisierte Verarbeitung des Technologie- und Expertenwissens. Sie führt neben der Entlastung des Planers auch zu einer Verbesserung der Fertigungsqualität und -sicherheit. Die Konzipierung und Entwicklung der intelligenten Module der Verfahrensketten, der Technologieprozessor Laserstrahlschneiden und die automatisierte Biegestadienplanung werden deshalb näher beschrieben. Dabei wird insbesondere auf die Integration von Technologiedaten und der fertigungsspezifischen Informationen sowie auf die hierzu erforderlichen Schnittstellen zu Datenbasen und Planer eingegangen.
Untersuchungen zur Verfahrensfolge von Laserstrahlschneiden und –schweißen in der Karosseriefertigung
Datum: 31.07.1991
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. mult. Dr. h.c. mult. Manfred Geiger, Prof. Dr.-Ing. H. W. Bergmann
Schweißungen von I-Nähten in oberflächensensiblen Bereichen der Außenhaut von Fahrzeugkarosserien mit herkömmlichen Schmelzschweißverfahren führen durch die hohe Wärmebelastung der Fügeteile zu kostenintensivem manuellem Nacharbeitungsaufwand. Als eine mögliche Alternative stellt jedoch das Laserstrahlschweißen dieser Nähte außerordentlich hohe Anforderungen an die Fügegeometrie des Stumpfstoßes, welche z.B. von dreidimensionalen konventionell schergeschnittenen Blechformteilen aufgrund von Fertigungstoleranzen derzeit nicht erfüllt werden können. Unter bestimmten Voraussetzungen kann hingegen über das Laserstrahlschneiden der zum Laserstrahlschweißen erforderliche Fügestoß geschaffen werden. Dazu wurde in der vorliegenden Arbeit die Verfahrensfolge von Laserstrahlschneiden und -schweißen im Hinblick auf eine mögliche Anwendung zur Fertigung der Außenhaut von Rohkarosserien untersucht. Ziel der durchgeführten Untersuchungen war es, Kenngrößen zur Arbeitsgenauigkeit und Prozessführung beider Lasermaterialbearbeitungsverfahren zu gewinnen und daraus eine Technologie zu entwickeln, die es ermöglicht, räumlich geformte Fügeteile aus dünnen Feinblechen bei hohem Qualitätsstandard mit definierter aufhärtungsarmer Nahtüberhöhung und guter Reproduzierbarkeit miteinander zu verbinden. Für das Besäumen der Fügeteile wurde unter verschiedenen Möglichkeiten das sog. Offsetschnitt-Verfahren ausgewählt, d.h. die Fügeteile werden zeitlich nacheinander unter einem Einstrahlungswinkel von 90° besäumt. Im Mittelpunkt der Untersuchungen zum Laserstrahlschweißen stand die Gewinnung einer aufhärtungsarmen Gestaltungszugabe, die entweder in Form einer Wurzel- oder Decklagenüberhöhung erzeugt werden kann. Die in dieser Arbeit entwickelte Verfahrenstechnologie wurde bereits in die Praxis umgesetzt.
C02-Laserstrahlschneiden von kurzglasverstärkten Verbundwerkstoffen
Datum: 21.07.1991
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. mult. Dr. h.c. mult. Manfred Geiger, Prof. Dr.-Ing. G. W. Ehrenstein
Im Rahmen dieser Arbeit wurden der Schneidprozess, die Vorgänge in der Schnittfuge sowie die erzielbare Bearbeitungsqualität beim Laserstrahlschneiden von kurzglasverstärkten Verbundwerkstoffen eingehend untersucht. Der Schwerpunkt lag bei umfangreichen technologischen Schneidversuchen im Hinblick auf das Erzielen optimaler Bearbeitungsqualität. Dabei wurden die Einflüsse maßgeblicher Prozessparameter auf die Feingestaltabweichung der Schnittfläche, die Schnittfugengeometrie, sowie die Maß- und Formabweichung ausgewählter Prüfgeometrien bestimmt. Aus diesen Ergebnissen wurden Kennfelder für die erzielbare Bearbeitungsqualität erstellt, die in ihrer Tendenz allgemeingültig sind und sich qualitativ auf andere CO2-Laserstrahlwerkzeugmaschinen übertragen lassen. Das so gewonnene grundlegende Verständnis über die Veränderung der Bearbeitungsqualität bei gleichzeitiger Variation mehrerer Prozessparameter ermöglicht das rasche Abschätzen der Grenzen des Schneidprozesses sowie das schnelle Auffinden optimaler Schneidparameterbereiche. Für das Laserstrahlschneiden von kurzglasverstärkten Verbundwerkstoffen wurde ein analytisches Abtragsmodell entwickelt, mit dessen Hilfe sich das Bearbeitungsergebnis auf eine Genauigkeit von ca. 6% vorausberechnen lässt.
Untersuchungen zum Biegeumformen mit elastischer Matrize
Datum: 23.04.1991
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. mult. Dr. h.c. mult. Manfred Geiger, Prof. Dr.-Ing. habil. G. Kuhn
In der Arbeit wurde der Kenntnisstand des Systems Biegeumformen mit elastischer Matrize erweitert. Im experimentellen Teil wurden für einen U-förmigen Werkstückquerschnitt der Stempelkraft-Stempelweg-Verlauf, die erreichbare Maß- und Formgenauigkeit sowie das Verformungsverhalten und der Verschleiß der Elastomer-Matrizen untersucht. Die Ergebnisse der Untersuchungen zeigen, dass der durch die elastische Rückfederung des Blechs bedingte Winkelabbildefehler wenig, die Formgenauigkeit des Werkstücks hingegen durch eine günstige Prozess- und Matrizenauslegung erheblich gesteigert werden kann. Zur Bestimmung der Formgenauigkeit wurde ein rechnergesteuertes Konturmess- und Auswertesystem erstellt. Zur Aufnahme der verformten Matrizen und zur Berechnung der Matrizenverzerrungen wurde eine im Rahmen der Arbeit entwickelte Einrichtung auf der Basis der digitalen Bildverarbeitung eingesetzt. Der Umformprozess wurde mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode erstmals simuliert. Zur Bestimmung der Materialeigenschaften der Elastomer-Matrize waren Werkstoffprüfversuche zu entwickeln und durchzuführen. Die Prozesssimulation kann alle wesentlichen Merkmale des realen Prozesses nachbilden, einschließlich des Rückzugs des Stempels und der elastischen Rückfederung des Blechs. Bezüglich des Kraft-Weg-Verlaufs wurde eine brauchbare und bezüglich des Biegewinkel-Weg-Verlaufs eine sehr gute Übereinstimmung zwischen Rechnung und Versuch hergestellt.
Material- und Datenfluss in einer flexiblen Blechbearbeitungszelle
Datum: 10.01.1991
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. mult. Dr. h.c. mult. Manfred Geiger, Prof. Dr.-Ing. J. Schmitt
Zur automatischen Herstellung einbaufertiger, abgekanteter Blechteile von komplexer Gestalt wurde eine flexible Blechbearbeitungszelle aufgebaut. Der gewünschte Einsatzbereich dieser Zelle ist in der Null- und Kleinserienfertigung. Sie besteht aus einer Laserstrahlschneidanlage, auf der die Konturschnitte ausgeführt werden und einem Blechbiegezentrum zur Fertigbearbeitung. Kernpunkt der Arbeit war die Konzeption und der Aufbau des Materialflusssystems. In den Materialfluss ist daher ein Bildverarbeitungssystem integriert, das die Lage der ebenen Blechteile detektiert und die Positionsdaten an die Biegemaschine übermittelt. An Hand dieser Daten kann das Handhabungssystem der Biegemaschine das Teil gezielt greifen. Da auf Grund der geringen Losgrößen das ansonsten übliche Anlernen von Teilen nicht sinnvoll ist, wurde eine Schnittstelle für CAD Modelle und ein eigenes Bildverarbeitungssystem realisiert. Versorgt wird diese Schnittstelle von einem Programm, das CAD-Daten analysiert und für die Bildverarbeitung relevante Daten extrahiert. Des Weiteren wurde eine Zellenrechnersoftware erstellt, die einen neuen Ansatz zur immer wieder geforderten Modularisierung solcher Softwarepakete bringt. Mit Hilfe dieser Software ist es möglich, Maschinenkontrollprogramme lediglich mit Hilfe einer Automatentafel und einer Reihe von Funktionen zu erstellen, die die Aktionen und Ausgaben des jeweiligen Prozesses beinhalten. Eine Zellenrechnersoftware auf dieser Basis ist wesentlich leichter zu erstellen, zu pflegen und zu dokumentieren als mit der üblichen Vorgehensweise.
1990
Untersuchung zur Anlagen- und Prozessdiagnostik für das Schneiden mit CO2-Hochleistungslasern
Datum: 29.10.1990
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. mult. Dr. h.c. mult. Manfred Geiger, Prof. Dr. rer.nat J. Christiansen
In der vorliegenden Arbeit werden erstmals systematisch die wesentlichen Messgrößen der Anlagen- und Prozessdiagnostik beim CO2-Laserstrahlschneiden im Zusammenhang dargestellt und im Hinblick auf technologische Qualitätskriterien diskutiert. Dabei waren vor allem die Eigenschaften des Laserstrahls und des Schneidgasstrahls sowie die Erfassung der Werkstücktemperatur Gegenstand der durchgeführten Experimente. Dazu wurden mit Hilfe diverser selbstentwickelter und kommerziell verfügbarer Diagnoseeinrichtungen die Eigenschaften einer konventionellen Laserwerkzeugmaschine exemplarisch untersucht. Gleichzeitig wurden technologische Untersuchungen zum Laserstrahlschneiden von Metallwerkstoffen durchgeführt, die eine Beurteilung der Auswirkungen der einzelnen Anlagen- und Prozesskenngrößen auf die erzielbare Bearbeitungsqualität erlaubten. Damit wurden wichtige Voraussetzungen für die künftige Realisierung von online Überwachungs- und Regelungssystemen für den Anlagenzustand und Prozessverlauf beim Laserstrahlschneiden geschaffen.
Pulvermetallurgische Verarbeitung eines übereutektoiden verschleißfesten Stahls
Datum: 30.05.1990
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. mult. Dr. h.c. mult. Manfred Geiger, Prof. Dr. Mughrabi
Bei der pulvermetallurgischen Herstellung von Massenformteilen stellen die Werkstoffkosten einen wesentlichen Faktor für die Gesamtkosten eines Produkts dar. In dieser Arbeit wurde daher ein kostengünstiger Werkstoff gewählt, der durch einen systematisch optimierten Herstellungsprozess so verarbeitet wurde, dass das sich ergebende Gefüge das geforderte Eigenschaftsprofil aufweist. Zu diesen Eigenschaften gehörten Forderungen an die Zug- und Druckfestigkeit, den Verschleißwiderstand und die Arbeitsgenauigkeit. Für die Untersuchungen wurde eine Fertigungslinie für die pu1vermetallurgische Produktion verschiedener Probekörper, darunter auch PKW-Nocken als Musterbauteil, aufgebaut. Für die Verschleißprüfung wurden verschiedene Prüfstände entwickelt, mit denen im Sinne einer Verschleißprüfkette die Prüfzeiten um 99% gegenüber dem Bauteilversuch gekürzt werden konnten. Durch Anpassung der Gründichte, des Temperatur-Zeit-Profils und der Sinteratmosphäre an die Eigenheiten eines übereutektoiden Stahls wird bei einer Hochtemperatursinterung in nur 20 min Sinterzeit die theoretische Dichte bei gleichzeitig sehr homogenem Gefüge erreicht. Dieses Gefüge führt zu den geforderten Bauteileigenschaften. So liegt die Druckfestigkeit bei über 2,4 GPa und der Verschleißwiderstand im Nockenversuch über dem des oberflächenumgeschmolzenen Gusses.
1989
Beitrag zur Beurteilung des Bruchverhaltens von Hartmetall-Fließpreßmatritzen
Datum: 20.07.1989
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. mult. Dr. h.c. mult. Manfred Geiger, Prof. Dr.-Ing. H. W. Bergmann
In der Arbeit wurden handelsübliche Hartstoffe auf Wolframkarbid-Basis auf ihr Bruchverhalten hin untersucht und Aufschlüsse über den Ablauf des Werkzeugbruchs bei Fließpressmatrizen gewonnen. Die mechanische Beanspruchung wurde mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode berechnet. Die Rechnungen zeigten im Schultereinlaufradius eine Spannungsspitze mit Zug-Druck-Schub-Beanspruchung. Bei einem angenommenen Anriss wurde das Risswachstum berechnet.
Der Vergleich von statischer und zyklischer Biegebruchfestigkeit zeigte, dass von der statischen nicht auf die Wechselfestigkeit geschlossen werden kann. Bruchversuche mit überlagerten Zug- und Druckspannungen ergaben, dass bei den praxisüblichen Druckspannungswerten bis ca. 2.000 N/mm2 für die betrachteten Werkstoffe die Normalspannungshypothese angesetzt werden kann.
Bruchauslösend waren Gefügefehler unter der Probenoberfläche, es kam nicht zur Bildung von Oberflächenrissen. Eine Werkstoffoptimierung sollte daher die Verringerung der Zahl der Gefügefehler anstreben.
Die Ergebnisse der Arbeit zeigten, dass ein „Leben mit dem Riss“ möglich ist, wenn dieser auf relativ kurzer Distanz auf eine Druckspannungszone stößt. Die praxisüblichen Werkzeugbelastungen liegen im groben Streubereich der Bruchfestigkeiten dieser Werkstoffe. Zur Auslegung von Fließpreßmatritzen sollten daher statistische Aussagen von Bruchversuchen, auch mit Unterstützung von Finite-Elemente-Rechnungen, einbezogen werden.
Untersuchungen zur Bearbeitungsqualität im Fertigungssystem Laserstrahlschneiden
Datum: 17.03.1989
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. mult. Dr. h.c. mult. Manfred Geiger, Prof. Dr.-Ing. H. W. Bergmann
Mit den Untersuchungen konnten der Erkenntnisstand im bezug auf qualitätsbestimmende Einflußgrößen beim Laserstrahlschneiden von Feinblechwerkstoffen erweitert, Voraussetzungen für eine optimale Prozeßführung geklärt sowie Möglichkeiten zu deren Realisierung aufgezeigt werden. Hierbei sind erstmals die wesentlichen Wechselwirkungen im Fertigungssystem Laserstrahlschneiden im Zusammenhang berücksichtigt worden. Dies gelang mit Hilfe eines erstellten Laserstrahl- und Prozeßdiagnosesystems, das auch ermöglichte, lokale Schnittflächenmerkmale mit momentanen Prozeßparametern zu korrelieren. Zur Berücksichtigung unterschiedlicher Geometrieelemente wurde ein Prüfwerkstück entwickelt, anhand dessen u.a. nachgewiesen wurde, dass die erreichbare Bearbeitungsgenauigkeit beim Laserstrahlschneiden das Herstellen von Fertigteilen ermöglicht.