HighPa-Schock - Erhöhung der Reproduzierbarkeit des Rückfederungsverhaltens dünner Bleche durch das Einbringen von hohen Druckeigenspannungen mittels Laserschock

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Frank Vollertsen
• Fachliche Zuordnung: Ur- und Umformtechnik, Additive Fertigungsverfahren
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 399930874

Umformverfahren, insbesondere das Biegen, kommen vielfach bei der Herstellung metallischer Kleinteile zum Einsatz. Derartige metallische Kleinteile werden in einer Stückzahl von mehreren hundert Millionen pro Jahr produziert. Selbst Ausschussraten, die im unteren einstelligen Prozentbereich liegen, führen demnach zu enormen Kosten. Daher muss es das Ziel sein, durch robuste Fertigungsprozesse enge Toleranzfenster erreichbar zu machen. Bei der Verwendung von Blechen, die in einem Dickenbereich zwischen 100 µm… 1.0 mm liegen, sind lokal variierende Eigenspannungszustände die Hauptursache für das Auftreten von Schwankungen der Geometrie des Umformerzeugnisses, sodass der erzeugte Biegewinkel nicht reproduzierbar ist. Daraus wird im Stand der Forschung der Schluss gezogen, dass vor allem schwankende Eigenspannungen dem Umformprozess abträglich sind. Es gibt jedoch Möglichkeiten, den Eigenspannungszustand einzustellen, indem beispielsweise Druckeigenspannungen eingebracht werden, die betragsmäßig sehr viel größer sind, als die Streuung der Eigenspannungen, die im Lieferzustand des Halbzeugs vorhanden sind. Dies kann durch unterschiedliche Verfahren erfolgen, wobei Druckeigenspannungen bis zu -350 N/mm² erzeugt werden können. Eigene Vorarbeiten zeigen, dass lokal durch Laserschock präparierte Werkstücke ein anderes Biegeverhalten aufweisen, als der Werkstoff im Lieferzustand. Damit wird deutlich, dass eine der Biegeoperation vorgelagerte lokale Laserschockbehandlung einen Einfluss auf das Biegeverhalten des Halbzeugs besitzt. Jedoch ist der konkrete Wirkungsmechanismus noch nicht verstanden, sodass das Verfahren aktuell weder beherrscht noch industriell gewinnbringend eingesetzt werden kann. Diesem langfristigen Ziel dient dieser Projektantrag.In der ersten Phase des Forschungsvorhabens soll untersucht werden, ob durch Laserschockbehandlung ein reproduzierbarer Eigenspannungszustand in Blechen eingestellt werden kann. Um dies zu erarbeiten, muss zunächst der Eigenspannungszustand von kommerziell verfügbaren Blechen aus austenitischem Edelstahl 1.4301 im Lieferzustand derart charakterisiert werden, dass Größe und Verteilung der vorhandenen Eigenspannungen bekannt sind. Anschließend soll an spannungsarm geglühten Blechen hinreichend statistisch abgesichert untersucht werden, welcher räumliche Spannungszustand im Blech durch einen definierten Laserschockpuls erzeugt wird. Dies geschieht in Abhängigkeit zu variierender Pulsparameter. Diese Kenntnisse werden dadurch erweitert, dass der Einfluss der Anzahl der Laserpulse an einem Ort des Bleches auf den Spannungszustand bestimmt wird, um zu prüfen, ob ein Maximalwert zu erreichender Eigenspannung in Abhängigkeit der Pulsparameter vorliegt. Schlussendlich soll es möglich sein, einen homogenen, flächigen Spannungszustand zu erzeugen. Hierbei soll auch die Tiefe der eingebrachten Eigenspannungen betrachtet werden, um zu prüfen, welche Grenzen hinsichtlich der Einsetzbarkeit des Verfahrens vorliegen

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen