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EFB-Forschungsbericht Nr. 176

Umformen durch Einsatz von Gasgeneratoren

efb176

Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. habil. Reimund Neugebauer, Dipl.-Ing. Lutz Klose, Dipl.-Ing.(FH) Albrecht Müller, Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik Chemnitz, Prof. Dr.-Ing. Peter Eyerer, Dr. rer. nat. Hans Ebeling, Dipl.-Ing. Jochen Neutz, Institut für Chemische Technologie Pfinztal

79 Seiten (Sw 61 Abb.)

ISBN: 978-3-86776-144-4

Preis (Digital) EUR 40,00

Preis (Print) EUR 44,90

Zusammenfassung

Im durchgeführten Gemeinschaftsforschungsprojekt der Fraunhofer Institute für Chemische Technologie (ICT) und für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik (IWU) wurden, aufbauend auf grundlegende chemische Entwicklungen, die Potentiale und Möglichkeiten untersucht, Gaswolken aus Feststoffenergieträgern als Umformmedium für die Bearbeitung von Blechwerkstoffen zu nutzen. Als Referenzverfahren dienten dabei insbesondere das Hydroforming aber auch die Verfahren der Hochgeschwindigkeitsumformung.

Neben dem Anspruch ein technisch umsetzbares Fertigungskonzept zu entwickeln, sollten weiterhin erreichbare Effekte bei der Erweiterung der umformtechnischen Grenzen herausgearbeitet werden. Als umzuformende Werkstoffe wurden Aluminium (AIMg3), Stahl (DC04) und Edelstahl (X5CrNi18.1 0) in unterschiedlichen Blechdicken von s0 = 0,6 bis 2 mm untersucht.

Die eingesetzten sogenannten Gasgeneratoren sind bekannt aus Anwendungen der PKW-Sicherheitstechnik und erzeugen dort innerhalb sehr kleiner Zeiteinheiten Gasvolumina, die als Aufprallpolster (z.B. im Airbag) genutzt werden. Dieser Grundidee folgend wurden zunächst nach einem theoretischen Anforderungsbild aus der Umformtechnik Gasgeneratorformulierungen ausgewählt, modifiziert und für eine technische Anwendung beim Tiefziehen und Schneiden nutzbar gemacht. ln diese Untersuchungen wurden drei chemische Zusammensetzungen einbezogen mit den Serienbezeichnungen MG0401 01, MG039801 und JA2.

Mit diesen in Pelletform vorliegenden Stoffen wurden erste Untersuchungen zur gezielten Auslegung im ballistischen Labor des ICT in Pfinztal durchgeführt. Die Charakterisierung von Anzünd- und Abbrandverhalten sowie der Reaktionsprodukte lieferte Parameter zur Optimierung der Generatormischungen für einen Umformprozeß in geschlossenen Werkzeugen.Ein entsprechendes pressenungebundenes Werkzeugkonzept für napfförmige Musterteile wurde im IWU Chemnitz entwickelt, konstruiert und gebaut. Integriert waren Aktivteile zum Tiefziehen und Schneiden.

Die besten Ergebnisse wurden mit der Gasgeneratorformulierung MG039801 erzielt. Das erreichbare Druckmaximum lag bei 450 bar (werkzeugbedingt) und die Prozeßzeit bei ca. 0,1 sec.Außerdem war wenig Restproduktbildung (Schlacke und Ruß) festzustellen.

Erste konkrete technologische Effekte brachten Untersuchungen zum Scherschneiden mit AIMg3 und DC04. Für ausgewählte Blechdicken konnten im Druckbereich bis 200 bar Schneidgeschwindigkeiten im Hochgeschwindigkeitsbereich sowie werkstoffunabhängige Gratfreiheit am Gitter beim Lochen eines Streifens festgestellt werden.
Danach erfolgte die Beantragung für Zulassung und Transport des Gasgenerators MG039801 bei der BUNDESANSTALT FÜR MATERIALFORSCHUNG UND -PRÜFUNG (BAM), um Versuche auch außerhalb des ballistischen Labors des ICT durchführen zu können.

Parallel zu den praktischen Untersuchungen wurde die Kinematik des Gasgenerator-Umformens mit dem FE-Tool PAM - STAMP und der Option ..“Fluid Cell" entlang mittels approximierter Druckaufbaukurven aus Realversuchen im ICT simuliert. Dabei konnte eine sehr gute Abbildung aller Experimente anhand von Blechdickenverläufen und Abformgeometrien nachgewiesen werden.
Mit einem neuen Werkzeug mit pressengebundener Zuhaltung wurden die experimentellen Untersuchungen in einer IHU-Anlage mit 15 000 kN Schließkraft im Versuchsfeld des IWU Chemnitz weitergeführt. Innerhalb dieser Versuchsreihen wurden Abhängigkeiten der Ladungsmengen zu den sich einstellenden Druck -Zeit- Verläufen und dem Umformergebnis ermittelt.
Es wurde festgestellt, daß die Ladungsmenge der wichtigste Parameter zur Prozeßeinstellung ist.

Die Versuche haben gezeigt, daß das Umformen mit Gasgeneratortechnik ein reproduzierbares, von den Formänderungen her mindestens dem Hydroforming entsprechendes Verfahren darstellt. Es werden jedoch wesentlich schnellere Befüllzeiten und extrem kürzere Druckaufbauzeiten erreicht.

Das Forschungsvorhaben „Umformen durch Einsatz von Gasgeneratoren“ wurde unter der Fördernummer AiF. 12082B von der EFB e.V finanziert und betreut und über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AIF e.V) mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie (BMWI) gefördert. Der Abschlussbericht ist als EFB-Forschungsbericht Nr. 176 erschienen und ist bei der EFB-Geschäftsstelle erhältlich.   

Inhalt

0 Verzeichnis der Kurzzeichen
1 Wissenschaftliche Problemstellung
1.1 Ausgangssituation
1.2 Allgemeine Grundlagen
1.3 Einsatzgebiete von Gasgeneratoren
1.4 Variationen der Eigenschaften über die chemische Konsistenz
1.5 Umformtechnisches Potential von Gasgeneratortechnik
1.6 Anpassung an umwelt- und produktionstechnische Erfordernisse
1.7 Eigene Vorarbeiten am ICT
1.8 Eigene Vorarbeiten am IWU
2 Projektstruktur und Arbeitsschritte
2.1 Theoretische Betrachtung der umformtechnologischen Erfordernisse
2.2 Werkstückwerkstoffe und Entwicklung der Werkzeugkonzeption
2.3 Experimentelle Grundlagenuntersuchungen
2.4 Umformtechnische Untersuchungen
3 Theoretische Betrachtungen
3.1 Umformtechnische Anforderungen
3.2 Entwicklung und Anpassung der Gasgeneratoren
3.3 Charakterisierung der chemischen Formulierung
3.4 Charakterisierung des innerballistischen Verhaltens
3.5 Präzisierung des Versuchsprogrammes
3.5.1 Ausrüstungen und Parameter
3.5.2 Vorgehensweise
3.6 Werkzeugkonstruktion mit pressenungebundener Zuhaltung
3.6.1 Anforderung für die Konstruktion
3.6.2 Konstruktionsbeschreibung
4 Experimentelle Untersuchungen
4.1 Eignung unterschiedlicher Gasgeneratortypen
4.2 Einfluß der verwendeten Ladungsmengen auf den Umformprozeß
4.3 Kalibrierwirkung der Gaswolke beim Tiefziehen
4.4 Verfahrensuntersuchungen zum Schneiden im geschlossenen Schnitt
5 Theoretische Untersuchungen des Umformens mit Gasgeneratoren
5.1 Grundlagen der FEM-Simulation
5.2 Simulierte Werkstoffe und Kennwerte
5.3 Simulationsergebnisse
6 Gasgenerator-Umformen mit pressenabhängiger Zuhaltung des Werkzeuges
6.1 Konstruktionsprinzip des Umformwerkzeuges
6.2 Experimentelle Untersuchungen in der lnnenhochdruckumformanlage
7 Tribologie
8 Zusammenfassung
9 Ausblick
10 Literaturverzeichnis
11 Verzeichnis der Anlagen