25. MAI 2016

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Prozesssichere Herstellung von FQZ-Wabenstrukturen durch Hydroforming


Science

Lange war es – nach einem anfänglichen Hype um die Jahrtausendwende – still um die Innenhochdruckumformung, das Hydroforming, geworden. Die Suche nach Leichtbauweisen macht das Verfahren wieder interessant.

Die Bedeutung des Leichtbaus als Konstruktionsprinzip hat in den letzten Jahren vor allem im Automobilbau stetig zugenommen. Zum einen erzwangen politische und gesellschaftliche Diskussionen zum Klima- und Umweltschutz die Fahrzeugbauer immer stärker in einen Wettbewerb um neue Antriebstechnologien. Zum anderen bedingen die Batterien für Elektroautos sowie stetige Verbesserungen von Komfort und Sicherheit eine ständige Zunahme des Fahrzeuggewichts, die mit Leichtbautechnologien zu kompensieren ist. Neben dem Ziel, das Gewicht der Konstruktion zu minimieren, muss jedoch darauf geachtet werden, weder die Funktionen noch die Sicherheit oder Langlebigkeit der Komponenten zu beeinträchtigen. Seit Ende der 80er-Jahre bieten ›strukturierte Bleche‹ einen Lösungsansatz für den Leichtbau.

Strukturierte Bleche

Strukturierte Bleche sind durch das Einbringen von Nebenformelementen versteifte Glattbleche. Nebenformelemente sind stofflich-geometrische Einheiten wie zum Beispiel Sicken, Rippen oder Waben, die in einer Wirkbeziehung mit dem Blech stehen und diese präzisieren [Hop02, Ste05].

Die Anordnung der Nebenformelemente kann regelmäßig und/oder unregelmäßig sowie symmetrisch oder asymmetrisch zur Blechmitte erfolgen. Ferner bestimmt die Anordnung der Nebenformelemente die Festigkeitseigenschaften des Bleches. Das Strukturieren von Blechen führt zu einer höheren Steifigkeit und bewirkt, dass die Bauteileigenschaften verbessert und vor allem die eingesetzte Blechdicke verringert werden können [Ste05].

Die sich daraus ergebenen Vorteile, die auf dem Einbringen von Nebenformelementen in das Blech beruhen, sind:
-optische Effekte
-Wärmeübertragung
-akustische Effekte
-Werkstoffeinsparung und Formsteifigkeit

Da die Struktur rein umformtechnisch und ohne zusätzlichen Materialaufwand ins Ausgangsblech eingebracht wird, kann die Blechdicke reduziert und eine Gewichtseinsparung bis 50 Prozent erreicht werden [Hop02].

Herstellung strukturierter Bleche

Abhängig vom Strukturierungsverfahren sind verschiedene Strukturarten mit jeweils spezifischen Eigenschaften in die Bleche integrierbar. Zu den typischen Strukturierungstechniken zählen Walzen, Prägen und Hydroforming [Hop02]. Die Herstellung der strukturierten Bleche durch Hydroforming hat ein großes Potenzial. Das Wirkprinzip vom Hydroforming basiert auf der Druckausbreitung in homogenen Flüssigkeiten. Durch den statischen Druck des Wirkmediums erfolgt die Krafteinleitung in das Werkstück normal zu dessen Oberfläche, wodurch der Umformvorgang ausgelöst wird [Neu07]. Klassifizieren lässt sich Hydroforming unter anderem nach dem Kontakt des Wirkmediums mit dem Werkstück. Im Gegensatz zum direkten wird bei einem indirekten Wirkmedienkontakt eine elastische Membran am Niederhalter genutzt, die das Medium vom Werkstück trennt. Dadurch wird ein Auslaufen von Flüssigkeit verhindert, und somit ist keine nachträgliche Reinigung und Trocknung der Werkzeuge und Werkstücke erforderlich [Alt09]. Dieses Verfahren wird an der BTU Cottbus zum Strukturieren der Bleche eingesetzt und weiterentwickelt. Im Laufe des Forschungsvorhabens wurde eine Versuchsanlage konzipiert, die die Herstellung strukturierter Bleche mittels Hydroforming in der Größe 585 mm x 585 mm ermöglicht.

Untersuchung der Prozesssicherheit

Ziel der Untersuchung ist es, eine prozesssichere Herstellung strukturierter Feinbleche per Hydroforming zu entwickeln und reproduzierbare Strukturhöhen bei gleichen Drücken zu gewährleisten.
Nach dem Strukturierungsvorgang wurden aus den umgeformten Blechen jeweils fünf Proben herausgeschnitten. Die Kontur der Wabenstruktur jeder Probe wurde mit dem Rauheits- und Konturmessgerät Hommel-Etamic T8000 von Jenoptik vermessen.

Die Messung zeigte erwartungsgemäß, dass sich mit steigendem Druck die Strukturhöhe der Waben erhöht. So ergab sich bei der Auswertung der Messdaten für die SW 33 bei einer Blechdicke von t = 0,5 mm und einem Umformdruck von 50 bar eine durchschnittliche Strukturhöhe von 2,94 mm. Weiter wird deutlich, dass die Abweichungen von der durchschnittlichen Strukturhöhe sehr gering sind. Die Abweichungen liegen in einem Toleranzbereich von ± 5 Prozent der durchschnittlichen Strukturhöhe. Als Höchstwert für die Abweichung ergaben sich 2,98 mm, also weniger als 5Prozent Toleranzabweichung von der durchschnittlichen Strukturhöhe. Der Mindestwert von 2,90 mm liegt ebenfalls unter der 5-Prozent-Toleranzabweichung.

Stefan Olbrich, Bernd Viehweger, Thomas Schölzke; Lehrstuhl Konstruktion und Fertigung, BTU Cottbus

www.kuf.tu-cottbus.de

Literaturverzeichnis

[Alt09]Altan, T.: Increasing diaphragm hydroforming productivity with rapid prototyping, in: Stamping Journal, 2009, S. 12 – 13.
[Hop02]Hoppe, M.: Umformverhalten strukturierter Feinbleche, Diss., Cottbus, 2002.
[Lan08]Lang, L., Li, H., Zhou, X., Danckert, J., Ghen, Y.: The innovative developments in sheet hydroforming, in: Materials Science Forum, 2008, Vol. 575-578, S. 589-594.
[Neu07]Neugebauer, R. (Hrsg.): Hydro-Umformung, Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg 2007.
[Ste05]Sterzing, A.: Bewertung von Leichtbaupotenzial und Einsatzfähigkeit wölbstrukturierter Feinbleche, Diss., Chemnitz, 2005.

Danksagung

Die vorgestellten Arbeiten wurden vom Ministerium für Wissenschaft, Forschung und Kultur (MWKF) des Landes Brandenburg im Rahmen der Internationalen Graduiertenschule der Brandenburgischen Technischen Universität Cottbus (BTU) unterstützt.

www.kuf.tu-cottbus.de

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