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Umformtechnik

Umformen von Magnesiumblechen im Doppelpack

| Autor/ Redakteur: Marion Merklein und andere /

Magnesium und seine Legierungen rücken aufgrund der für den Werkstoff typischen hohen spezifischen Festigkeits- und Steifigkeitswerte als Leichtbauwerkstoffe wieder zunehmend in den Fokus der Öffentlichkeit. Gerade für den Fahrzeugbau und das Transportwesen allgemein stellen Magnesiumblechwerkstoffe eine interessante Alternative zu anderen Leichtbauwerkstoffen dar.

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Bild 1: Prüfstand zur Aufnahme von temperaturabhängigen Fließortkurven.
Bild 1: Prüfstand zur Aufnahme von temperaturabhängigen Fließortkurven.
( Archiv: Vogel Business Media )

Die ursprünglich nur sehr begrenzte Umformbarkeit von Magnesium bei Raumtemperatur hat sich sowohl durch legierungstechnische als auch fertigungstechnische Maßnahmen erheblich verbessert, zudem kann durch eine Prozessführung bei erhöhter Temperatur und die Ausnutzung zusätzlicher, thermisch aktivierbarer Gleitsysteme die Umformbarkeit entscheidend verbessert werden. Um Magnesium als Blechhalbzeug jedoch für umformtechnische Fertigungsprozesse besser nutzbar zu machen, muss das Verhalten des Werkstoffes bekannt und mathematisch beschreibbar sein, damit eine simulative Prozessauslegung mit qualitativ hochwertigen Werkstoffkennwerten ermöglicht wird.

Am Lehrstuhl für Fertigungstechnologie (LFT) in Erlangen wurden daher in den letzten Jahren systemtechnische Voraussetzungen geschaffen, um die für simulative Untersuchungen benötigte Fließortkurve, Fließkurve und Grenzformänderungskurve in Abhängigkeit von der Temperatur bestimmen zu können. Mit Hilfe der aufgenommenen Werkstoffkenndaten wurde, unter anderem, ein wirkmedienbasierter Umformprozess zur Herstellung einer doppelschaligen Hohlstruktur numerisch abgebildet. Die dabei gewonnenen Erkenntnisse flossen anschließend in die Auslegung des Werkzeugs sowie der Prozessführung ein und wurden schließlich experimentell validiert.

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Für die experimentelle Ermittlung von Fließorten bei ein- und zweiachsigen Zugbeanspruchungen wurde am LFT ein Prüfstand entwickelt, mit dem die Aufnahme der Fließortkurve bei erhöhten Temperaturen bis 400 °C möglich ist. Zu diesem Zweck wird ein 210-W-Diodenlaser eingesetzt, um den Blechwerkstoff in der Umformzone lokal zu erwärmen. Im Gegensatz zu existierenden Prüfständen erfolgt bei dem genannten keine aktive Kraftaufbringung in der Blechebene; die zweiachsigen Spannungszustände resultieren aus Reaktionskräften, die durch einen Streckzieh-vorgang mit einer Stempelbewegung senkrecht zur Blechebene hervorgerufen werden.

Damit wird der sehr hohe regelungstechnische Aufwand der gleichmäßigen Krafteinleitung vermieden; die Realisierung variabler Spannungszustände für die Ermittlung verschiedener Fließorte erfolgt durch die Variation der Kreuzzugprobengeometrie. Bild 1 gibt einen Überblick über die Versuchsanlage.

Mittels eines kombinierten Aufbaus aus Kraftmessdose und Foliensensoren werden die für die Umformung relevanten Prozesskräfte anteilig in und senkrecht zur Walzrichtung bestimmt. Die in der Umformzone auftretenden Dehnungen sowie die Blechdicke werden unter Verwendung eines optischen Messsystems über die gesamte Umformzone und Versuchsdauer erfasst, so dass alle für die Berechnung der Spannungskomponenten notwendigen Kennwerte als ausschließlich experimentell ermittelte Daten zur Verfügung stehen.

Nach Erreichen eines beliebigen Punktes der Fließortkurve unter dem dabei vorliegenden Spannungszustand kommt es zu einer temperatur- und dehnratenabhängigen Zunahme der Fließspannung bei weiterer plastischer Formänderung. Dieses Verhalten wird von der so genannten Fließkurve quantitativ ausgedrückt. Die experimentelle Bestimmung kann in Abhängigkeit des prozessrelevanten Spannungszustandes im einachsigen Zugversuch oder im hydraulischen Tiefungsversuch, der durch einen zweiachsigen Spannungszustand charakterisiert ist, erfolgen.

Im erstgenannten Fall werden die Proben elektrisch durch Widerstandserwärmung auf Versuchstemperatur gebracht, im hydraulischen Tiefungsversuch hingegen durch ein temperiertes Wirkmedium. Als wesentlicher Vorteil beider Methoden ist die sehr kurze Aufheizzeit von knapp einer Minute zu nennen.

Zur Beurteilung der Versagenswahrscheinlichkeit werden in der Simulation von Blechumformprozessen Grenzformänderungskurven eingesetzt, die die maximal von einem Werkstoff ertragbaren Formänderungszustände beschreiben. Durch die Konstruktion und den Aufbau eines Warmblechprüfstandes, in dem die Werkzeugelemente durch Heizpatronen bis auf Temperaturen von maximal 650 °C beheizt werden, können die benötigten Werkstoffkenndaten in Abhängigkeit von der Temperatur aufgenommen werden. Bild 2 zeigt die charakteristische Verteilung der auftretenden Hauptformänderung an einer Versuchsprobe.

Bei denen für Magnesiumbleche interessanten Prozesstemperaturen weisen jene im Vergleich zur Raumtemperatur deutlich verbesserte Formgebungsmöglichkeiten auf, was sich unter anderem in Hauptformänderungen von über 0,5 für die Bedingung der ebenen Dehnung ausdrückt.

Bei der umformtechnischen Herstellung von flächigen Leichtbaustrukturen mit Temperaturunterstützung wird am LFT neben dem klassischen Tiefziehen mit starren Werkzeugelementen auch die wirkmedienbasierte Umformung eingesetzt. Das druckbeaufschlagte flüssige Medium bewirkt dabei die Ausformung des Bleches in die formgebende Werkzeugmatrize hinein.

In Bild 3 wird die Anwendung dieses Prinzips bei der so genannten Doppelblech-Umformung verdeutlicht, bei der die beiden Bleche eines zweischaligen Bauteils gemeinsam in einem Werkzeug umgeformt werden. Ein konventioneller Tiefziehprozess erfordert außer den beiden Formwerkzeugen zusätzlich je einen weiteren Formstempel sowie einen Niederhalter zum Klemmen der Blechränder.

Zwischen dem Formstempel und Formwerkzeug liegend wird jedes der beiden Bleche einzeln, entsprechend der Pressenbewegung, tiefgezogen. Bei der wirkmedienbasierten Doppelblech-Umformung erfolgt die Ausformung der Bleche hingegen durch ein druckbeaufschlagtes Medium, woraus sich auch der Begriff des Innenhochdruck-Umformens ableiten lässt. Die Integration in ein gemeinsames Werkzeug führt dabei zu einer deutlichen Verringerung der Werkzeugkosten, was insbesondere bei geringen Stückzahlen von großer Bedeutung ist.

In Kooperation mit der Audi AG sowie den mittelständischen Unternehmen Schuler Hydroforming und Dego Hydraulik wurde das Verfahrensprinzip der Doppelblech-Umformung zur Herstellung eines zweischaligen Demonstratorbauteils (Bild 4) untersucht. Die Geometrie wurde in Anlehnung an ein knotenförmiges Element gewählt und mit umformtechnisch anspruchsvollen Formelementen versehen, die im Allgemeinen eine Herausforderung darstellen.

Durch eine geeignete Anbaukonstruktion an die Sollgeometrie des Bauteils wird die-se in die Geometrie der Werkzeugmatrizen überführt. Die aus der zuvor durchgeführten Werkstoffcharakterisierung resultierenden Erkenntnisse finden anschließend Eingang in die numerische Umformsimulation. In Bild 5 unten ist beispielhaft die in der Simulation vorhergesagte Ausformung anhand des Restabstandes zur Werkzeugkontur für einen bestimmten Innendruck dargestellt. Der Vergleich mit der realen Bauteilgeometrie (Bild 5, oben) ermöglicht dabei eine Beurteilung der durchgeführten simulativen Untersuchungen.

Priv.-Doz. Dr.-Ing. Marion Merklein ist Dozentin am Lehrstuhl für Fertigungstechnik (LFT) der Universität Erlangen in Erlangen, Dipl.-Ing. Wolfgang Hußnätter und Dipl.-Ing. Joachim Hecht sind wissenschaftliche Mitarbeiter am selben Institut. Kontakt: Dr.-Ing. Marion Merklein, Tel. (0 91 31) 8 52 79 61. m.merklein@lft.uni-erlangen.de

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