Entwicklung von formgebenden Werkzeugen aus hydraulisch gebundenen Werkstoffen für die wirkmedienbasierte Blechumformung
Mechanik
Ur- und Umformtechnik, Additive Fertigungsverfahren
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Ziel des Forschungsvorhabens war die Entwicklung und Erforschung von formgebenden Umformwerkzeugen aus hydraulisch gebundenen Werkstoffen für die wirkmedienbasierte Blechumformung. Für diesen Anwendungsbereich konnte eine stahlfaserbewehrte Feinkornbetonmatrix gefunden werden, welche mechanische Eigenschaften aufweist, die den Beanspruchungen aus dem Umformverfahren im Bereich des linear-elastischen Materialverhaltens widersteht. Durch eine gezielte Wärmenachbehandlung konnte weiterhin erreicht werden, dass der Beton 48 Stunden nach der Betonage nahezu seine Endfestigkeit aufweist und wesentliche Schwindvorgänge abgeschlossen sind, was einen frühen Einsatzzeitpunkt nach der Herstellung der Werkzeugmatrize erlaubt. Bei der Durchführung von Umformprozessen mit einem prototypischen Umformwerkzeug und verschiedenen Umformdrücken (Wirkmediendrücken) wurden Ergebnisse erzielt, die hinsichtlich der Qualität den Abformungen mit einer Stahlmatrize entsprechen. Rundheitsmessungen von Blechen und der Matrize belegen außerdem eine gute Formtreue und Dauerstandfestigkeit der Betonmatrize sowie eine hohe Konturgenauigkeit der geformten Bleche. Aufgrund des hohen Reibwertes zwischen der Betonmatrize und des zu formenden Bauteils ergibt sich jedoch während des Umformprozesses ein verminderter Stofffluss im Blech gegenüber der Verwendung einer konventionellen Matrize. Durch den Einsatz von Zwischenschichten, wie z. B. einer Ziehfolie wird der Stofffluss signifikant verbessert bzw. durch die Beschichtung der Betonierform wird eine Betonoberfläche erzeugt, mit der bei Blechziehversuchen ein Reibwert auf einem Niveau unterhalb eines Blech-Blech-Systems erzielt wurde, wobei hier noch die Anwendbarkeit der Methode bei komplexen Oberflächengeometrien nachzuweisen ist. Zur Nutzung der bekannten festigkeitssteigernden Wirkung von dreiaxialen Druckspannungszuständen im Beton wurden Versuche mit verschiedenen Umschnürungssystemen durchgeführt. Dabei zeigte sich, dass nur ein aktives Aufbringen eines Querdrucks signifikante Verbesserungen hinsichtlich der Beanspruchbarkeit des Betons erzielt. Die Nutzung dieses Effektes bei Umformwerkzeugen wurde an Umformversuchen mit einem Betonwerkzeug mit Umschnürungssystem gezeigt, bei denen deutlich höhere Wirkmediendrücke im Vergleich zum Werkzeug ohne Umschnürung aufgebracht werden konnten. Weiter konnte die Eignung des verwendeten Betonwerkstoffs für die Anwendung bei großformatigen Werkzeugmatrizen mit komplexen Bauteilgeometrien gezeigt werden, mit denen erfolgreich Bleche mit einer Wannengeometrie geformt wurden. Zur Erweiterung der Einsatzmöglichkeiten von Betonwerkzeugen wurden Untersuchungen mit Betonmatrizen bei der Innenhochdruckumformung durchgeführt. Auch bei diesem Verfahren wurden sehr gute Umformergebnisse erzielt, wobei jedoch in den Randbereichen, in denen die Betonmatrize mit dem Nachschiebestempel in Kontakt stand, lokale Materialschädigungen auftraten, die jedoch die konturgebende Form nicht beeinflussten. Aus den Umformversuchen und numerischen Simulationen mit der Annahme eines linearelastischen Materialverhaltens des Betons wurde abgeleitet, dass mehraxiale Spannungszustände mit wenigstens einer Zugspannungskomponente das Betonmatrizenversagen definieren. Um dementsprechend vorab die Matrizengeometrie zu optimieren bzw. einen maximalen Wirkmediendruck festlegen zu können, wurden systematisch derartige Spannungsverhältnisse an würfelförmigen Prüfkörpern untersucht. Aus den Ergebnissen der mehraxialen Belastungsversuche wurde eine Festigkeitsgrenzfläche für ein Gebrauchslastniveau (Elastizitätsgrenze) bestimmt, welche die obere Grenze der Materialbeanspruchung definiert. Für eine verbesserte Simulation von wirkmedienbasierten Umformprozessen mit Betonmatrizen muss eine Implementierung der entwickelten Grenzfläche in den entsprechenden Programmcode erfolgen, wodurch das Potential von Betonwerkstoffen zur Herstellung von Werkzeugmatrizen noch effizienter nutzbar gemacht wird.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Development of ultra high performance concrete dies for sheet metal hydroforming. Production Engineering – Research and Development 2 (2008) 2, S. 201-208
Kleiner, M.; Curbach, M.; Tekkaya, E. A.; Ritter, R.; Speck, K.; Trompeter, M.
- High Performance Concrete under Biaxial and Triaxial Loads. ASCE Journal of Engineering Mechanics 135 (2009) 11, S. 1274-1280
Hampel, T.; Speck, K.; Scheerer, S.; Ritter, R.; Curbach, M.
- Hochdruckblechumformung großflächiger Blechformteile. Dissertation, Technische Universität Dortmund, Dortmund, 2009
Trompeter, M.
- Material Behavior of an Ultra-High-Performance Concrete Forming Die for Sheet Metal Hydroforming. ACI Materials Journal 106 (2009) 6, S. 515-522
Ritter, R.; Curbach, M.; Trompeter, M.; Tekkaya, A. E.
- Dehnungsmessung mit unterschiedlichen Messverfahren bei einaxialer Zug- und Druckbeanspruchung von kurzfaserbewehrtem Ultrahochleistungsbeton. In: Curbach, M.; Opitz, H.; Scheerer, S.; Hampel, T. (Hrsg.): 6. Symposium "Experimentelle Untersuchungen von Baukonstruktionen", 9.11.2011, Dresden, Schriftenreihe Konstruktiver Ingenieurbau Dresden (kid), Heft 24, IMB- Eigenverlag, 2011, S. 57-68
Ritter, R.; Curbach, M.
- Strain Measurement of Steel Fiber-Reinforced Concrete under Multiaxial Loads with Fiber Bragg Grating. ACI Materials Journal 110 (2013) 1, S. 57-66.
Ritter, R.; Curbach, M.
- Verformungsverhalten und Grenzflächen von Ultrahochleistungsbeton unter mehraxialer Beanspruchung = Deformation Behaviour and Hypersurfaces of Ultra High Performance Concrete under Multiaxial Loading. Dissertation, Technische Universität Dresden, Dresden. Online Qucosa 2014. X, 280 S.
Ritter, R.
