Forschungsrichtung Formgebungsverfahren

Forschungsthemen im Bereich "Formgebungsverfahren"

Die Formgebung im teilflüssigen Materialzustand und im Besonderen das Thixo-Schmieden bezeichnen die Formgebung von metallischen Werkstoffen zwischen der Solidus- und der Liquiduslinie der eingesetzten Legierungen. In Abhängigkeit von der Geometrie und der Komplexität der zu fertigenden Bauteile wird hierbei ein Flüssigphasenanteil zwischen 20 % für einfachere und 60 % für komplexe Bauteilgeometrien eingestellt. Für die Einstellung dieser Phasenanteile stehen dabei, beispielsweise für Al-Si-Legierungen, lediglich Temperaturfenster von etwa 12 Kelvin zur Verfügung. Dies setzt für die Erwärmung des Rohmaterials ein umfassendes Fachwissen in der Elektrotechnik bezüglich Schwingkreiserregertechnik und bezüglich des Formgebungsprozesses voraus.

Neben der Verarbeitung solcher thixotropen Legierungen ermöglicht das dargestellte Fertigungsverfahren zudem die anspruchsvolle Formgebung schwer gießbarer Knetlegierungen und besitzt damit einen deutlichen Vorteil gegenüber dem konventionellen Druckgussverfahren. Kürzere Taktzeiten, weniger Poren und Lunker sowie verbesserte mechanische Eigenschaften stellen weitere Vorteile gegenüber dem Druckgießen dar. Verglichen mit konventionellen Schmiedeverfahren zeichnet sich die Semi-Solid-Formgebung durch geringere Umformkräftekräfte, reduzierten Werkzeugverschleiß und weniger Nachbearbeitungsschritte aus.

 

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Schwer umformbare, hochschmelzende und hochfeste Metallwerkstoffe stellen eine große Herausforderung für die industrielle Fertigung dar. Aktuelle Projekte des IFU befassen sich in diesem Zusammenhang mit der Entwicklung neuartiger Prozessrouten sowie innovativer Werkzeugkonzepte für die Formgebung im teilflüssigen Zustand. Die entsprechenden Forschungsarbeiten befassen sich unter anderem mit der Ermittlung optimaler Erwärmungsparameter für schwer umformbare, hochfeste Werkstoffe und der damit einhergehenden Einstellung eines definierten, homogenen Fest-/Flüssigphasenanteils. Insgesamt wird eine Erhöhung der Prozesssicherheit durch eine vereinfachte Prozesstechnik in Verbindung mit einer frühzeitigen simulativen Auslegung angestrebt. Des Weiteren sollen durch die Verringerung des Materialverlustes, die Reduktion der Prozessschritte und die Wiederverwertung von Sekundärwerkstoffen die Wirtschaftlichkeit des Formgebungsverfahrens erhöht und die Energiebilanz verbessert werden.

Das Institut für Umformtechnik befasst sich in diesem Forschungsbereich mit der Fertigung hybrider Bauteile in Near-net-shape-Qualität mittels der Formgebung im teilflüssigen Materialzustand. Im Zuge dessen werden nicht nur Grundlagenuntersuchungen zur Erwärmung hybrider Halbzeuge durchgeführt, sondern auch Simulationen und experimentelle Untersuchungen zum Formgebungsverhalten derartiger Werkstoffe/Werkstoffkombinationen aufgebaut. Dabei kommen nicht nur Verstärkungskomponente zum Einsatz, bei denen es sich um unterschiedliche Faserwerkstoffe oder höherfeste Metallinlays handeln kann, sondern auch SiC- oder Al2O3-Partikel, die bereits bei der Herstellung des zu verarbeitenden Rohmaterials eingebracht werden. Der Charakterisierung der Materialgrenzflächen im fertigen Bauteil und den Wirkmechanismen des Werkstoffzusammenhalts wird hierbei besondere Aufmerksamkeit gewidmet. Zielsetzungen sind hierbei langfristig die Herstellung von Verbund- und Hybridbauteilen mit form- und stoffschlüssigen Verbindungen zwischen den eingesetzten Werkstoffen sowie die gleichzeitige Formgebung unterschiedlicher Metallwerkstoffe im teilflüssigen Zustand und deren Auslegung mittels CFD-Modellierung.

In diesem Forschungsbereich befasst sich das Institut mit neuartigen Verfahren zum Verbinden von Metall- und Faserwerkstoffen. Basierend auf der Formgebung im teilflüssigen Materialzustand werden hierbei Prozesse entwickelt, die eine werkstoffgerechte Kombination der verwendeten Werkstoffe ermöglichen und die Nachteile konventioneller Fertigungsverfahren beseitigen. Die dabei untersuchten Herstellungsrouten basieren auf der Infiltration der Faser(bündel-)zwischenräume durch eine teilflüssige Aluminiummatrix, wodurch eine feste Verbindung zwischen den artfremden Materialen entsteht.

Aktuelle Forschungsarbeiten fokussieren nicht nur die Herstellung faserverstärkter Metallstrukturen, sondern auch die Entwicklung eines Fügeprozesses zur Verbindung von Faser- und Aluminiumstrukturen. Dies umfasst neben experimentellen Untersuchungen auch die numerische Modellierung der Prozesskette, bestehend aus Materialerwärmung und Umformvorgang.

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Dr.-Ing.

Kim Rouven Riedmüller

Abteilungsleiter Formgebung / Abteilungsleiter Umform- und Schneidverfahren