SFB 708: 3D-Surface Engineering für Werkzeugsysteme der Blechformteilefertigung - Erzeugung, Modellierung, Bearbeitung
Informatik, System- und Elektrotechnik
Maschinenbau und Produktionstechnik
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die Herstellung hochfester Karosserieteile und Strukturelemente aus Blech für die Automobil- und Luftfahrtindustrie mittels umformtechnischer Fertigungsverfahren erfordert den Einsatz von besonders leistungsfähigen Werkzeugsystemen. In der Mittel- und Großserienfertigung kommen vielfach großflächige und geometrisch komplexe Werkzeuge zum Einsatz. Diese müssen nicht nur in der Lage sein, eine dauerhaft hohe Abbildungsgenauigkeit bei den Blechformteilen zu erzielen, sondern müssen auch bei der Umformung hochfester Blechwerkstoffe eine größtmögliche Standzeit gewährleisten. Die Entwicklung und Fertigung von Umformwerkzeugen ist ein äußerst zeit- und kostenintensiver Prozess. Ein fortschreitender Werkzeugverschleiß hat nicht nur Qualitätsverluste bei den Blechformteilen zur Folge, sondern kann im schlimmsten Fall auch zu einem verschleißbedingten Ausfall der Werkzeuge und Maschinen führen. Neben dem Austausch der Werkzeuge verursacht vor allem die Nacharbeit fehlerhaft geformter Blechteile z.T. erhebliche Kosten. Vor diesem Hintergrund kommt der optimalen Auslegung von Umformwerkzeugen, insbesondere hinsichtlich ihrer Verschleißbeständigkeit und Abbildungsgenauigkeit, eine besondere Bedeutung zu. Um der genannten Problemstellung entgegenzutreten, hat der Sonderforschungsbereich (SFB) 708 eine neuartige, innovative Fertigungsmethodik zur wirtschaftlichen und ressourcenschonenden Herstellung hochverschleißfester Oberflächen für komplexe Umformwerkzeuge entwickelt. Der Fokus lag dabei auf der Erforschung neuartiger werkstoff- und prozesstechnologischer Konzepte im Bereich des thermischen Spritzens, um hartstoffhaltige Verschleißschutzschichten mit hoher Oberflächengüte konturnah und mit kontrolliertem Wärmeeintrag auf die Oberfläche von Umformwerkzeugen aufzutragen. Wichtige Forschungsschwerpunkte bildeten zum einen eine effiziente offline Bahnplanung und Prozessführung beim Beschichten mittels Industrierobotern. Zum anderen wurde die Nachbearbeitung der Schichtoberfläche, das tribologische Verhalten der beschichteten Werkzeuge im realen Umformprozess sowie die Bauteilqualität und Rückfederung der Bleche nach der Umformung untersucht. Die Besonderheit der neu entwickelten Fertigungsmethode des 3D-Surface-Engineerings im SFB 708 lag in der durchgängigen Simulation und virtuellen Modellierung der Fertigungsschritte. Diese diente dazu, die hier eingesetzten Fertigungsverfahren (Fräsen, Beschichten, Walzen und Schleifen) zu einer Prozesskette zu verbinden und zu optimieren sowie eine simulationsbasierte Validierung des Umformens mit dem resultierenden Werkzeug durchzuführen. Übergeordnetes Ziel der neuen simulationsgestützten Fertigungskette im SFB 708 war die iterationsarme Herstellung eines hochwertigen und besonders verschleißfesten Werkzeugs für die Umformung hochfester Blechwerkstoffe bei gleichzeitiger Reduktion von Trial-and-Error-Versuchen in der Entwicklungsphase. Dieser Ansatz implizierte eine Vielzahl von anspruchsvollen Forschungsfragestellungen bzw. Herausforderungen in Werkstofftechnik, Fertigung, Umformung, mathematischen Modellierung, Simulation und Optimierung aber auch hinsichtlich effizienter Algorithmen und Datenstrukturen. Diese Fragestellungen waren Gegenstand der Arbeiten in den Teilprojekten des SFB und konnten durch die interdisziplinäre Zusammenarbeit zwischen Ingenieur- und Methodenwissenschaftlern aus den Bereichen Maschinenbau, Mathematik, Informatik und Statistik an der Technischen Universität Dortmund erfolgreich gelöst werden. In der ersten Projektphase wurden zunächst die werkstofftechnischen bzw. prozesstechnologischen Grundlagen und Modellierungsansätze zur Herstellung und Beschichtung von Umformwerkzeugen, zur Prozessführung und Nachbearbeitung der Schichten sowie zum Umform- und Rückfederungsverhalten hochfester Bleche erarbeitet. Schwerpunkte der zweiten Projektphase bildeten die Übertragung der Ergebnisse auf die Beschichtung und Bearbeitung komplexerer Bauteile, sowie die Analyse fertigungstechnologischer Einflussfaktoren und Störgrößen. Mit Hilfe der Simulations- und Modellierungsverfahren sowie mit der Kenntnis relevanter Prozessgrößen und Materialkennwerte aus den experimentellen Studien wurde eine umfassende Anpassung und Optimierung der einzelnen Fertigungsprozesse vorgenommen. Auf diese Weise konnte die Herstellung, Beschichtung und Nachbearbeitung eines realen Umformwerkzeugs im Rahmen der Fertigungskette des SFB 708 erfolgreich umgesetzt werden. In anschließenden Einsatzversuchen wurde das tribologische Verhalten des beschichteten Werkzeugs im Umformprozess analysiert. Dabei konnte die Eignung bzw. das Potenzial des im SFB gewählten Ansatzes erfolgreich nachgewiesen werden. Zu den Zielen der Abschlussfinanzierung zählten die Finalisierung der Methode des 3D-Surface-Engineering und ihre Anwendung auf reale 3D-Umformwerkzeuge mit freigeformter Geometrie. Dies umfasste die Applikation endkonturnaher, feinstrukturierter Schichten unter Berücksichtigung der Wärmeeintragsproblematik, die Online-Prozessüberwachung und Schichtcharakterisierung, die Nachbearbeitung und das Surface Finish der beschichteten Werkzeugoberfläche. Die vollständige Abbildung und Optimierung der Fertigungskette erfolgte durch Kopplung der Fertigungs- und Analyseverfahren mit der Modellierung. Dies ermöglichte ebenso, einen praktikablen und umfassenden Transfer der Ergebnisse in die industrielle Praxis vorzunehmen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Gurris, M.; Kuzmin, D; Turek, S.
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Tillmann, W.; Abdulgader, M.
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