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EFB-Forschungsbericht Nr. 285

Untersuchungen zur Optimierung von Galvanoschalenwerkzeugen

EFB285.jpg

Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Bernd-Arno Behrens, M.Sc. Murat Demir, Institut für Umformtechnik und Umformmaschinen, Leibniz Universität Hannover - Prof. Dr.-Ing. habil. Werner Hufenbach, Dipl.-Ing. Jörn Jaschinski, Dipl.-Ing. Robert Gottwald, Institut für Leichtbau und Kunststofftechnik, Technische Universität Dresden

84 Seiten (sw 62, teils farbige Abb., 11 Tab.)

ISBN: 978-3-86776-319-6

Preis (Digital) EUR 58,00

Preis (Print) EUR 65,00

Zusammenfassung

Innerhalb des Forschungsvorhabens wurden systematische Untersuchungen zur Optimierung der Galvanoschalentechnik für die Blechumformung durchgeführt.

Galvanoschalenwerkzeuge bestehen aus einer verschleißfesten Werkzeugaktivfläche (Nickel oder Nickellegierung) und einem Werkzeughinterbau aus einem polymeren Material (Kunststoff). Die Fertigungszeit für Nickelschalenwerkzeuge betrug im vorangegangenen Projekt Galvano I bedingt durch den galvanischen Abscheideprozess je nach gewünschter Schalendicke und -geometrie vier bis sieben Wochen. Die Herstellzeit der Nickelschale wurde im Rahmen des Forschungsvorhabens mit Hilfe der

NVD-Technologie auf ca. 35 Stunden reduziert.

Das Forschungsvorhaben beinhaltete als wesentliche Aufgabenschwerpunkte:

  • Numerische Abbildung von Galvanoschalenwerkzeugen sowie deren Verhalten im Umformprozess
  • Optimierung von Galvanoschalenwerkzeugen
  • Vergleich von mittels Galvanik und NVD-Verfahren hergestellten Galvanoschalen
  • Numerische und experimentelle Untersuchungen von Änderungsmöglichkeiten an Galvanoschalen
  • Praxisumsetzung der gewonnenen Ergebnisse

Die Werkzeugtechnologie sowie das Werkzeugverhalten im Umformprozess wurden mittels Finite-Elemente-Methode abgebildet. Die Optimierung des Werkzeugaufbaus – vor allem in Bezug auf die Beanspruchung von Kunststoff und Nickelschale – erfolgte durch umfangreiche Variantenrechnungen. Die gewonnenen Erkenntnisse wurden auf ein ausgewähltes Demonstratorwerkzeug übertragen. Kennwerte wie Festigkeiten oder Reibkoeffizienten stellten sich in der numerischen Untersuchung für den zu betrachtenden Bereich der Eigenschaften als wenig sensitiv heraus.

Durch angepasste Prüftechniken wurden mittels Galvanik und NVD-Verfahren hergestellte Nickelschalen vergleichend untersucht und ihre Eignungsprofile als absolut gleichwertig beurteilt. Für die Umsetzung und Verifikation der gewonnenen theoretischen Erkenntnisse wurde das ausgewählte Demonstratorwerkzeug mit auf Basis des NVD-Verfahrens hergestellter Nickelschale gefertigt und erprobt. Über 1000 Tiefziehzyklen mit dem als Modellwerkstoff ausgewählten hochfesten Blechwerkstoff DP600+Z haben die umformtechnische Verarbeitung von Feinblechen unter erschwerten Bedingungen simuliert.

Ergänzende numerische und experimentelle Untersuchungen von Änderungsmöglichkeiten an Nickelschalenwerkzeugen führten zu sehr guten Ergebnissen. Am Modellwerkzeug wurde durch mechanisches Abtragen der Ziehradius vergrößert und durch weitere Tiefziehversuche die Flexibilität dieser Technologie aufgezeigt. Nach Abschluss sämtlicher Versuchsreihen wurde das Werkzeug demontiert und es zeigten sich keinerlei Verschleiß- oder Beschädigungsspuren sowohl am Kunststoffhinterbau als auch an der NVD-Nickelschale. Das Potential für eine Industrielle Anwendung liegt somit vor und ein Einsatz im Teilebereich von 50.000 bis 150.000 Teilen ist gerechtfertigt.

Das Forschungsvorhaben „Untersuchungen zur Optimierung von Galvanoschalenwerkzeugen“ wurde unter der Fördernummer AiF 14591 BG 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. 285 erschienen und ist bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.

Summary

Within this research project, systematic tests were carried out regarding the improvement of galvano shell tools for sheet metal forming. Galvano shell tools consist of a wear resistant contact surface (made of nickel or nickel alloy) and a rear tool section made of a polymeric material (plastic).

The manufacturing time for galvano shell tools is mainly determined by the galvanic precipitation process. The average time needed within the previous galvano project (Galvano I) for manufacturing the galvano shell was four to seven weeks, depending on the shell thickness and geometry. The manufacturing time for nickel shell tools was reduced to approx. 35 hours using NVD-technology (Nickel Vapour Deposition).

The research project focused on the following tasks:

  • Numerical modelling of galvano shell tools and investigation of the tool behaviour during the forming process
  • Optimization of galvano shells
  • Comparison of the shell tools manufactured within the galvanic and NVD-procedure
  • Numerical and experimental investigation of the open-door design of galvano shells
  • Application of the acquired knowledge for a practically relevant process

Both the tooling technology and the tool forming behaviour have been analysed using the finite element analyses (FEA). Extensive loading case scenario calculations for the plastic and nickel shells have been used within the optimization process. The findings were used for modelling a demonstrator tool which has been additionally numerically analysed. The numerical investigations revealed that characteristic properties like strength or friction coefficients have only little impact on the tooling performance.

Adapted verification techniques have been used to compare the shells manufactured by the galvanic process with the ones manufactured by the NVD-process. No remarkable difference regarding their property profile has been identified.

For the implementation and verification of the theoretical gained knowledge a nickel shell based demonstrator tool has been fabricated by the NVD-process and tested. More than 1000 deep-drawing cycles using the high strength steel DP600+Z demonstrated the performance of the tool under industry-oriented conditions.

Additional numerical and experimental investigations regarding the modification possibilities of Nickel shell tools showed excellent results. The flexibility of this technology has been shown by increasing the drawing-radius of the model tool by milling and carrying out further deep drawing experiments. The tool was disassembled after completing the test series and neither the polymer support nor the NVD Nickel shell showed any evidence of abrasions or damages. A high potential for industrial applications has been evaluated especially for a quantity of 50.000 to 150.00 parts.

Inhalt

1 Einleitung
1.1 Stand der Wissenschaft und Technik
1.2 Zielsetzung und Inhalt des Forschungsvorhabens
2 Werkstoffcharakterisierung
2.1 Untersuchung verschiedener Kunststoffe für den Werkzeughinterbau
2.1.1 Statische Untersuchungen
2.1.2 Dynamische Untersuchungen
2.2 Untersuchung des chemisch abgeschiedenen Nickelwerkstoffs
2.2.1 Zugversuche
2.2.2 Stauchversuche
2.2.3 Mikrohärteprüfung
2.2.4 Streifenziehversuche
2.3 Klebfestigkeit Nickel - Kunststoff
3 Numerische Untersuchung von Nickelschalenwerkzeugen
3.1 Numerische Analyse an Prinzipmodellen
3.1.1 Modellbildung
3.1.2 Variantenanalyse des Werkzeugtyps
3.1.3 Variantenanalyse des Interfaces Nickelschale-Kunststoffhinterbau
3.1.4 Variantenanalyse der Nickelschalendicke
3.1.5 Relativbewegung zwischen Kunststoffhinterbau und aufgelegter Nickelschale
3.2 Demonstratorwerkzeug
3.2.1 Modellbildung
3.2.2 Beanspruchung des Demonstratorwerkzeugs
3.2.3 Einfluss des Ziehringradius
3.2.4 Begleitende Untersuchungen zur Praxisumsetzung
3.3 Variantenanalyse zur Hafthilfenkonstruktion
3.3.1 Modellbildung
3.3.2 Ergebnisse
4 Vergleich von mittels Galvanik und NVD-Verfahren hergestellten Nickelschalen
5 Praxisumsetzung der gewonnenen Ergebnisse
6 Numerische und experimentelle Untersuchungen von Reparatur- und Änderungsmöglichkeiten an Nickelschalenwerkzeugen
6.1 Reparatur- und Änderungsmöglichkeiten am Kunststoffhinterbau
6.2 Reparatur- und Änderungsmöglichkeiten an der Nickelschale
6.2.1 Klebtechnologie
6.2.2 Thermische Fügeverfahren
6.2.3 Verkleinerung des Ziehringradius
6.2.4 Vergrößerung des Ziehringradius
6.2.5 Praktische Umsetzung: Vergrößerung des Ziehringadius
6.2.6 Wirtschaftlichkeitsbetrachtung
7 Zusammenfassung und Ausblick
8 Literatur