Generativ hergestelllte Werkzeuge mit lokaler Innenkühlung zur Erweiterung der Prozessgrenzen beim Strangpressen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Beim Strangpressen von Aluminiumlegierungen können mit zunehmender Pressgeschwindigkeit und der damit verbundenen Erhöhung der Werkstücktemperatur Oberflächenfehler wie Heißrisse und grobes Korngefüge entstehen. Der Arbeitsbereich wird hierdurch eingeschränkt. Die lokale Werkzeuginnenkühlung bietet ein großes Potenzial zur Steigerung der Produktivität beim Aluminium-Strangpressen. Mit steigender Geometriekomplexität des zu fertigenden Strangpressprofils bzw. -werkzeugs ist das Einbringen von der Werkzeugkontur folgenden, oberflächennahen Kühlkanälen mittels konventioneller Fertigungsverfahren nicht möglich. Der Einsatz von Rapid-Tooling-Verfahren stellt einen vielversprechenden Ansatz zur Überwindung dieser Problematik dar, ist jedoch im Bereich der Warmmassivumformung noch nicht umfassend untersucht. Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist die Entwicklung neuartiger Strangpresswerkzeuge mit oberflächennahen Kühlkanälen, die mittels Rapid-Tooling-Verfahren hergestellt werden, und die Untersuchung ihres Einsatzverhaltens, insbesondere im Hinblick auf die Steigerung der Pressgeschwindigkeit. Als additive Fertigungsverfahren kamen das Schicht-Laminat-Verfahren, bei dem Werkzeugelemente aus Blechlamellen geschichtet werden, und das selektive Laserschmelzen, bei dem geometrisch komplexe Strukturen aus Stahlpulver aufgebaut werden, zum Einsatz. Unterstützt durch numerische und analytische Methoden wurden die Werkzeuge ausgelegt und die Einflussparameter bei der neuartigen Werkzeugkühlung grundlegend untersucht. Neben Gestaltungshinweisen für die Konstruktion und den Aufbau der Werkzeuge wurde die Messtechnik zur Erfassung der lokalen Werkzeugtemperatur im Bereich der schwer zugänglichen Führungsflächen entwickelt. Für die Analyse der Auslegung der Kühlung bzw. zur Abschätzung der Werkstücktemperatur bei gegebenen Parametern wurde ein analytisches Modell zur Beschreibung des Wärmehaushalts unter Einsatz der Werkzeugkühlung erarbeitet. Über den Einsatz der lokalen Werkzeugkühlung beim Strangpressen ist eine deutliche Steigerung der Produktionsgeschwindigkeit möglich. Durch die Lokalisierung der Kühlung auf den Bereich nahe der Umformzone steigt die Presskraft dabei sowohl im Vergleich zu Referenzpressungen ohne Werkzeugkühlung als auch im Vergleich zum Pressen mit niedriger vorerwärmten Blöcken nur unterproportional an. Zur Überwindung von Kostennachteilen bei der Werkzeugfertigung wurde ein hybrides Werkzeugkonzept entwickelt, bei dem der großvolumige, jedoch geometrisch einfache Werkzeugbereich, wie die Werkzeugbrücke, konventionell gefertigt wird, und ein geometrisch komplexer, kleinvolumiger Bereich, wie die Dornspitze, durch selektives Laserschmelzen aufgetragen wird. Gleichzeitig wurde eine isolierte Kühlmedienzufuhr über die Werkzeugbrücken bis zu den Kühlkanälen an den Führungsflächen realisiert, wodurch eine Vorerwärmung des Kühlmediums in den Werkzeugbrücken verhindert wird. Mittels Warmzugversuchen wurde die Verbundfestigkeit für unterschiedliche Werkstoffkombinationen hybrider Proben aus Warmarbeitsstählen untersucht, wobei sich die Verbundfestigkeit durchweg als gut herausgestellt hat. Das entwickelte hybride Dornwerkzeug mit isolierter Kühlmedienzufuhr ermöglicht es nun, die Kühlwirkung auf den Dorn bzw. den Ort der größten Wärmeentstehung zu beschränken. Hierdurch wurden die technologischen Voraussetzungen für einen örtlich begrenzten Wärmeentzug über den Dorn geschaffen. Die experimentellen Ergebnisse zeigen auch, dass aufgedruckte Werkzeugbereiche den hohen mechanischen und thermischen Belastungen, wie sie beim Aluminium-Strangpressen vorliegen, standhalten.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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2012. Rapid Laminated Hot Extrusion Dies with Integrated Cooling Channels. Steel Research International, Special Issue Metal Forming 2012, Krakow/Poland, S. 503-506
Hölker, R.; Jäger, A.; Tekkaya, A. E.
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2013. Controlling Heat Balance in Hot Aluminum Extrusion by Additive Manufactured Extrusion Dies with Conformal Cooling Channels. International Journal of Precision Engineering and Manufacturing, Vol. 14 (8), S. 1487-1493
Hölker, R.; Jäger, A.; Ben Khalifa, N.; Tekkaya, A. E.
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2014. Additiv hergestellte Strangpresswerkzeuge - Produktivitätssteigerung durch den Einsatz von konturnaher Innenkühlung. wt Werkstattstechnik online, Jahrgang 104, Heft 10, S. 679-685
Hölker, R.; Haase, M.; Ben Khalifa, N.; Tekkaya, A. E.
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2014. Increased Productivity in Hot Aluminum Extrusion by Using Extrusion Dies with Inner Cooling Channels Manufactured by Rapid Tooling. 17th International Esaform Conference, Espoo/Finnland, Key Engineering Materials, Vol. 611-612, S. 981-988
Hölker, R.; Haase, M.; Ben Khalifa, N.; Tekkaya, A. E.
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2015. Advancements in the manufacturing of dies for hot aluminum extrusion with conformal cooling channels. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, Vol. 83, S. 1209-1220
Hölker, R.; Tekkaya, A. E.
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2015. Hot extrusion dies with conformal cooling channels produced by additive manufacturing. Materials Today: Proceedings, Aluminium 2000 and International Conference on Extrusion and Benchmark (ICEB), Florence/Italy, S. 4838-4846
Hölker, R.; Haase, M.; Ben Khalifa, N.; Tekkaya, A. E.
