Extrusion of hollow profiles with tailored wall thicknesses
Primary Shaping and Reshaping Technology, Additive Manufacturing
Final Report Abstract
Das Projekt beschäftigte sich mit Untersuchungen zum Strangpressen von Leichtmetallhohlprofilen, die eine in Profilrichtung variable Wanddicke aufwiesen. Dabei wurden zunächst nahtlose Rund- und Vierkantrohre mittels des indirekten Strangpressens über Dorn hergestellt. Die Variation der Wandstärke wurde durch eine abgestufte Dornspitze realisiert, die am vorderen Ende einen geringen Querschnitt aufwies als im hinteren Bereich. Durch axiale Bewegung des Dorns und damit der Dornspitze wurde der formgebende Spalt zwischen Dornspitze und Presskanal variiert. Dabei wurden Variationen sowohl kontinuierlich (während des Pressprozesses), als auch diskontinuierlich (bei kurzer Prozessunterbrechung) erzeugt. Hierbei wurden in den Wanddickenübergangsbereichen oftmals Oberflächeneinschnürungen festgestellt. Numerische Untersuchungen zum Materialfluss ergaben, dass dieser stets nach innen gerichtet ist. Im Übergangsbereich konnte demnach durch den Dorn kein geeigneter Widerstand dagegen gewährleistet werden, sodass der Rohraußendurchmesser in Folge des einfließenden des Materials nicht mehr durch den Matrizenführungskanal vorgegeben wird, sondern geringer ausfiel und folglich zu den beobachteten Oberflächeneinschnürungen führte. Die Analyse der Mikrostruktur von Rohren aus EN AW-6060 ergab zum einen, dass diese bei Verwendung höherer Stempelgeschwindigkeiten von vSt=3,3mm/s stets zu vollständig rekristallisierten Gefügen führte. Am Beispiel eines abgeschreckten Pressrests konnte gezeigt werden, dass die Rekristallisation erst nach der eigentlichen Umformung einsetzte (statische Rekristallisation). Bei der geringsten Stempelgeschwindigkeit von vSt=0,8mm/s hingegen lag ein Gefüge mit in Pressrichtung langgestreckten Körnern vor. Innerhalb dieser Körner wurden Subkörner vorgefunden. In den meisten Fällen betrug die Höhe der langgestreckten Körner nur etwa 2-4 Subkorndurchmesser. Des Weiteren wurden in EBSD-Analysen eine Vielzahl an Körnern mit Großwinkelkorngrenzen in Größe der Subkörner gefunden. Beides deutet auf die Entstehung durch den Mechanismus der geometrisch dynamischen Rekristallisation hin. Die mechanischen Materialeigenschaften wurden in Flachzugversuchen ermittelt. Dabei führten Erhöhungen der Prozessparameter Stempelgeschwindigkeit, Bolzeneinsatztemperatur und Pressverhältnis zu gesteigerten Dehngrenzen und Zugfestigkeiten. Dies konnte mit Hilfe von TEM-Analysen der Ausscheidungsdichte und -größe begründet werden. Bei hohen TB, vSt und R war die Ausscheidungsdichte hoch und die mittlere Ausscheidungslänge gering, sodass eine gute und effektive Hinderung der Versetzungsbewegung gegeben. Demgegenüber führte eine Absenkung dieser Parameter zu einer Verringerung der Ausscheidungsdichte und einer höheren mittleren Länge der Ausscheidungen und somit zu einer weniger effektiven Hinderung der Versetzungsbewegung. In Dreipunktbiegeversuchen an Rohrabschnitten mit gleichen Probenlänge, die aus demselben Rohr entnommen wurden, jedoch unterschiedliche Längen des verstärkten Rohrbereichs aufwiesen, konnte gezeigt werden, dass alle Proben, die einen Verstärkungsbereich aufwiesen die gleiche maximale Versuchskraft ertrugen bevor das Versagen einsetzte. Damit wurde gezeigt, dass die Länge des dickwandigen Profilbereichs und damit das Profilgewicht signifikant reduziert werden konnte, ohne dass dies zu einer Absenkung der Lastkapazität führte. Schließlich wurde ein neuartiges Kammerwerkzeug und ein darin integrierter Mechanismus entwickelt, die es ermöglichten die Wanddicke eines nahtbehafteten Hohlprofils über die Profillänge zu variieren. Der Mechanismus basiert auf der Integration von Verschiebeelementen, die letztlich ein Aufspreitzen bzw. ein Zusammenfahren von im Werkzeug integrierten Keilen herbeiführen, wodurch die Profilwanddicke variiert werden kann. Die Patentierung des Werkzeugs befindet sich derzeit noch in Vorbereitung.
Publications
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Extrusion of aluminum tubes with axially graded wall thickness and mechanical characteriszation, Procedia CIRP 18, (2014), 3-8
M. Negendank, S. Müller, W. Reimers
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Finite element analysis of material flow and characterization of tube dimensions of indirectly extruded tailored aluminum tubes, Advanced Materials Research 922, (2014), 531-536
M. Negendank, S. Müller, W. Reimers
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Microstructural characterization of indirectly extruded EN AW-6060 square tubes with axial variable wall thickness, Key Engineering Materials 651653, (2015), 1585-1591
M. Negendank, U. A. Taparli, S. Müller, W. Reimers
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Microstructural evolution of indirectly extruded seamless 6xxx aluminum tubes with axial variable wall thickness, Journal of Materials Processing Technology 230, (2016), 187-197
M. Negendank, U. A. Taparli, S. Gall, S. Müller, W. Reimers
