Projektbeschreibung

Projektdauer: 01.08.14 - 31.07.17

Problemstellung

Eine modulare Produktgestaltung erfordert flexible und kostengünstige Umform- und Fügetechnologien am Ende der Prozesskette. Verstemmprozesse, die dem Fügen durch Umformen zuzuordnen sind, erfüllen diese Anforderungen und werden heute bereits zum Aufbau verschiedenster Produkte im Millionenstückzahlbereich erfolgreich eingesetzt. Die Einsatzmöglichkeiten von Verstemmprozessen werden jedoch durch die für die Umformung benötigten hohen Prozesskräfte und die erforderliche gute Umformbarkeit des zu bearbeitenden Werkstoffes begrenzt. Eine vielversprechende Möglichkeit, diese Limitierungen zu überwinden, besteht im Einsatz einer Ultraschallüberlagerung.

Projektziel

Ziel des Forschungsprojekts war die Entwicklung eines neuartigen hybriden Fertigungsverfahrens zum ultraschallunterstützten Umformen und Verstemmen von Bauteilen aus Werkstoffen, die sich bislang schlecht oder nicht umformen lassen. Hierbei standen vor allem hochfeste Stahlwerkstoffe sowie Aluminium-Gusswerkstoffe im Mittelpunkt. Neben der Erweiterung des Werkstoffspektrums sollten auch die Prozesskräfte und damit die Bauteilbelastung während des Fügens durch Umformen mittels Ultraschallüberlagerung gesenkt werden. Die Vorteile der Ultraschallüberlagerung bei Verstemm- und Umformprozessen ermöglichen es, bisherige Grenzen der umformenden Fertigungsverfahren zu überwinden, Prozessketten effektiver zu gestalten und neue Produkte mit verbesserten Funktionen herzustellen. Weiterhin sind signifikante Kosteneinsparungen durch Materialeinsparung sowie den Ersatz bisher eingesetzter kostenintensiver Formgebungs- und Fügeverfahren wie z. B.: Fräsen oder Laserschweißen möglich.

Vorgehensweise

Im Projekt wurden die werkstofftechnischen Zusammenhänge untersucht und daraus Werkstoffmodelle für die numerische Simulation des ultraschallunterstützten Umformprozesses abgeleitet. Weiterführend wurde ein Simulationsmodell zur Bauteilauslegung und Prozessoptimierung sowie die prozessspezifische System- und Messtechnik entwickelt. Neben der Verfahrensentwicklung an vereinfachten Probekörpern wurden sowohl das neuartige Fertigungsverfahren als auch die entwickelte Systemtechnik an Demonstrator-Bauteilen aus dem Automobilbereich erprobt und bewertet.

Ergebnisse

Durch die Überlagerung mit Ultraschall ergab sich sowohl beim reinen Umformen als aucu beim Verstemmen eine deutliche Reduktion der Prozesskräfte. Zudem gelang die Identifikation eines Prozessfensters, bei dem sogenanntes Hämmern einsetzt, welches zui einer Kraftreduktion von bis zu 80% führt. Die wissenschaftlichen Theorien zur Erklärung der Kraftreduktion wurden untersucht und die wesentlichen Beiträge jeweils für einen Umformprozess und für das Verstemmen identifiziert. Die gewonnenen Erkenntnisse konnten abschließend erfolgreich auf zwei zu Beginn des Projekts definierte Demonstratoren übertragen werden. Dabei wurden die Prozesskräfte bei gleichbleibender oder verbesserter Performance der Fügestelle signifikant verringert.