Forschungsprojekte

Entwicklung eines innovativen Anlagen- und Werkzeugsystems für die thermisch unterstützte und wirkmedienbasierte Metallformung am Beispiel des superplastischen Umformens

Fördermittelgeber: BMWi / Projektträger: VDI/VDE

Laufzeit: 01/2017 - 03/2019

Fördermittelgeber / Projektträger

Ausgangssituation & Zielstellung

 

In dem gemeinsam mit der Partnerfirma SLG Ingenieurtechnik GmbH durchgeführten Forschungsprojektwurde das Ziel verfolgt, einenverbesserten Zugang zu den technologisch vielversprechenden thermisch unterstützten Umformverfahren, wie beispielsweise der superplastischen Umformung, zu eröffnen. Im Fokus standen dabei die Anlagen- und Werkzeugtechnik, deren hohe Realisierungskosten bisher ein wesentliches Hemmnis beim Einsatz der superplastischen Umformung gewesen sind. Für die
komplexe Anlagentechnik wurde ein bekanntes Konzept (siehe Quellenverweise) vervollkommnet, in dem alle Kernkomponenten wie Vakuum- und Prozessgaskammer, die Kühleinrichtung, das Werkzeugsystem, die thermische Entkopplung, die Heizsysteme sowie die mechanischen Schnittstellen in ein parametrisierbares Systemmodell
integriert wurden. Der modulare Aufbau der Anlage und die Nutzung des parametrisierbaren Systemmodells als Entwicklungswerkzeug ermöglichten es, auch applikationsspezifische Zusatzfunktionen mit nur mäßigem Entwicklungs- und Fertigungsaufwand darzustellen.
Für eine Vielzahl von Systemkomponenten wurden analytische oder simulationsbasierte Dimensionierungs- und Optimierungswerkzeuge geschaffen und erfolgreich  angewandt.

 

Ergebnisse

 

Die Vakuum- und Prozessgaskammer, in der die superplastische Umformung durchgeführt wird, ist sowohl für Vakuum- und Niederdruckschutzgasbetrieb als auch für erhöhten Arbeitsdruck im unteren Kammersegment ausgelegt. Die superplastische Umformung findet etwa bei der halben Schmelztemperatur des umzuformenden
Werkstückes statt und erfordert eine räumlich und zeitlich sehr präzise Temperaturführung. Vor diesem Hintergrund wurde das Evakuieren des Arbeitsraumes mit nachfolgendem Niederdruckschutzgasbetrieb favorisiert. Hierbei wird das System zunächst in einem ersten Schritt mittels einer zweistufigen Vakuumpumpe auf einen Absolutdruck von 0,01 mbar gebracht. Der Sauerstoff, welcher unter den gegebenen Temperaturen von bis zu 650 °C eine unzulässige Oxidation von Werkzeug- und
Werkstückoberflächen verursachen würde, wird dabei weitestgehend entfernt. Im zweiten Schritt wird Schutzgas, vorzugsweise Stickstoff oder Argon, eingelassen, bis ein Absolutdruck von etwa fünf bis zehn Millibar erreicht ist. Der ungewollte Wärmetransport durch Konvektion aus dem Werkzeugsystem heraus ist bei diesem
Druck noch sehr begrenzt, während in engen Spalten (<0,1 mm) bereits ein guter Wärmeaustausch gegeben ist. Auf diese Weise wird das durchwärmte Werkzeugsystem einerseits global durch den niedrigen Gasdruck thermisch gut isoliert. Andererseits kann das auf dem Werkzeugsystem aufliegende Werkstück durch den guten Wärmetransport im engen Spalt zwischen diesem und der Werkstückauflage zügig und homogen durchwärmt werden. Insgesamt ergeben sich hierbei sehr günstige Verhältnisse für die exakte Temperaturregelung bei gleichzeitig moderater Heizleistung. Darüber hinaus wird der Verbrauch an Schutzgas gegenüber dem klassischen Spülen mit Überdruck um etwa zwei Zehnerpotenzen reduziert. 

Besonders anspruchsvoll bei der Realisierung von Werkzeugsystemen für hohe Arbeitstemperaturen ist stets die Wahl geeigneter Konstruktionswerkstoffe. Dabei sind nicht nur deren materialspezifische Eigenschaften, wie Warmfestigkeit, Wärmeleitung und thermische Ausdehnung
eingehend zu berücksichtigen, sondern auch entsprechende Technologien und Werkzeuge für deren Bearbeitung zu qualifizieren. Darüber hinaus kann die limitierte Verfügbarkeit solcher Werkstoffe Schwierigkeiten bereiten. Für die zu realisierende Werkzeugtechnik wurde der hochwarmfeste Stahl X6 Ni Cr Ti Mo V B 25-15 -2 gewählt, 
welcher sowohl hinsichtlich seiner Parameter bei hohen Temperaturen, als auch im Hinblick auf Verfügbarkeit und Preis überzeugen konnte. Die spanende Bearbeitung dieses Werkstoffes stellte allerdings sehr hohe Ansprüche an die technologischen Fähigkeiten. Die im Hause SLG-Ingenieurtechnik GmbH dazu durchgeführten
technologischen Untersuchungen und Bearbeitungsversuche verliefen nach anfänglichen Schwierigkeiten sehr erfolgreich. Sämtliche Komponenten für das im Projekt hergestellte Werkzeugsystem konnten zeichnungsgerecht aus dem genannten hochwarmfesten Stahl und auf Basis der im Rahmen der Entwicklungsarbeit gefundenen Technologie prozesssicher und mit Erfolg gefertigt werden.

Im Ergebnis des Projektes sind das ICM e.V. und sein Partner SLG-Ingenieurtechnik GmbH qualifiziert, kundenspezifische Anlagen- und Werkzeugtechnik für die thermisch unterstützte Metallformung entwickeln und anbieten zu können.

 

Quellenverweise

  • Schubert, A.; Edelmann, J.; Burkhardt, T.: „Structuring of borosilicate glass by high-temperature micro-forming“. Microsyst Technol 12, 790–795 (2006).  doi.org/10.1007/s00542-005-0074-y
  • Lehnicke, S.; Löffelbein, B.; Zimmer, O.; Füting, M.; Burkhardt, T.; Grimme, D.; Gärtner, C.; Piltz, S.:„Fertigung von Mikrokomponenten aus Glas“, ZWF Zeitschrift für wirtschaftlichen Fabrikbetrieb
  • May, Band 97, Nr. 5 : S. 238-243. www.hanser-elibrary.com/doi/pdf/10.3139/104.100537

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