Abteilung Ur- und Umformtechnik (U²T)

Überblick zu den Lehr-, Forschungs-, und Arbeitsgebieten

Der zentrale wissenschaftliche Schwerpunkt der Abteilung U2T liegt in der grundlegenden Entwicklung und Kombination neuer Fertigungsverfahren, Prozessketten sowie Mess- und Berechnungsmethoden zur eigenschaftsorientierten Fertigung von Bauteilen und Baugruppen. Die Beschreibung und Analyse der Umformprozesse und der daraus resultierenden Bauteileigenschaften erfolgt dabei durch experimentelle und numerische Prozessanalysen.

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Die Schwerpunkte der Forschungsarbeiten der Arbeitsgruppe umfassen:

Prozess- und Werkzeugentwicklung Blechumformung

• Die Prozess- und Werkzeugentwicklung im Bereich der Blechumformung hinsichtlich einer Erweiterung der Formgebungsgrenzen sowie einer Einstellung optimaler Eigenschaften im Betrieb durch die gezielte Nutzung von Instabilitäten, thermischer Prozessführung und Verfahrensintegration sowie der Verwendung von hybriden Werkstoffverbunden.

Verfahrensentwicklung Massivumformung

• Die Verfahrensentwicklung im Bereich der Massivumformung hinsichtlich der Verfahrensintegration von Umform-Füge-Verbindungen konventioneller und hybrider Werkstoffe sowie der gezielten Einstellung von (Halbzeug-)Eigenschaften.

Eigenschaftscharakterisierung und komplementäre Modellierungs- und Messtechnik

• Die Eigenschaftscharakterisierung und komplementäre Modellierungs- und Messtechnik mit dem Fokus auf die Verbesserung der Abbildungsgenauigkeit numerischer Prozessauslegung. Dies wird durch die Entwicklung effizienter Methoden zur Charakterisierung, Parameteridentifikation und Modellierung komplexen Fließverhaltens ermöglicht.

Teilprojekt:

Smart Design - Effizienter zu Prototypen (Bauteil und Prozess)

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Projektträger:

• SAB Sächsische AufbauBank (EFRE)

Beschreibung

Die Technischen Universitäten Dresden, Freiberg und Chemnitz bündeln gemeinsam mit dem Fraunhofer IWU standortübergreifend ihre Kompetenzen im neuen Clusternetzwerk „Sächsische Allianz für MAterial- und RessourcenEffiziente TechnOlogie“ - AMARETO. Das Forschungsvorhaben verfolgt eine effiziente Entwicklung innovativer Leichtbaukomponenten und –produkte durch gezielte Verknüpfung zwischen effizientem Werkstoffdesign, beanspruchungsgerechter Werkstoffsystem- und Bauteilgestaltung und optimierten Produktionstechnologien für die Maschinenbau-, Automobil- und Luftfahrtindustrie. Dabei kommen multifunktionale Mehrkomponentenwerkstoffe (Faserverbund-Metall-Mischbauweise) zur Anwendung, deren Einsatz sich im Bereich des Systemleichtbaus als besonders zukunftsträchtig erwiesen hat.

Während in Freiberg mit dem effizienten Werkstoffdesign (smart material) und in Chemnitz der Bereich der effizienten Produktfertigung (smart production) beschäftigt wird, erforscht man am Standort Dresden den Bereich der effizienten Prototypherstellung (smart design). Innerhalb dieses Komplexes wird an der Professur für Formgebende Fertigungsverfahren mit der Untersuchung der Metallumformung die erste Stufe des mehrstufigen Musterprozesses betrachtet. Es werden Vorschläge zur Auslegung des metallischen Grundkörpers erarbeitet und in enger Zusammenarbeit mit den beteiligten Instituten abgestimmt. Schlussendlich soll eine Methodik entwickelt werden, welche die Schnittstelle zwischen Werkstoff und Produktion bildet und durch kleine und mittelständische Unternehmen für effiziente Entwicklungsprozesse genutzt werden kann.

Projektpartner

• ILK, IFKM, ITM (Standort Dresden)

• TU Bergakademie Freiberg, TU Chemnitz, IWU Chemnitz

Informationsblatt

Forschungsergebnisberichte

Eigene Literatur / Veröffentlichungen zum Projekt

Ansprechpartner

© TU Dresden, FF, Uwe Teicher

research associate

Name

Dipl.-Ing. (FH) Alexander Wolf

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Professur Formgebende Fertigungsverfahren

Professur Formgebende Fertigungsverfahren

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Zeuner-Bau, room 413 George-Bähr-Straße 3c

01069 Dresden

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Projektträger:

• AiF/IGF 19447BG über EFB(16/215)

Beschreibung

Bei Umform- und Trennprozessen, bei denen gewalzte Bänder oder Bleche eingesetzt werden, spielt die Planheit des Halbzeuges eine wesentliche Rolle. Durch die beim Aufwickelprozess der Halbzeuge induzierten Spannungen kann es beim Abwickeln der Coils zur Weiterverarbeitung zu Abweichungen der Planheit kommen. Da Abweichungen in der Planheit zu Störungen im Prozess führen können, die durch anisotrope Eigenschaften beeinflusst werden, werden die Bänder oder Bleche in der Regel plangerichtet. Aufgrund der beim Richten auftretenden Wechselbiegungen und der damit einhergehenden Verfestigung reduziert sich das Formänderungsvermögen des Materials für den Folgeprozess.

Im Rahmen des Projekts wird ein halbanalytisches Modell entwickelt, welches basierend auf den Halbzeugeigenschaften vor dem Richten und der Prozessführung, die resultierenden Halbzeugeigenschaften nach dem Richten abbilden kann. Dazu sollen dreidimensionale, anisotrope Stoffgesetze zum Einsatz kommen, die neben den anisotropen Eigenschaften in Breitenrichtung insbesondere die Richtungsabhängigkeit in Dickenrichtung berücksichtigen. Das Modell soll weiterhin dazu dienen, notwendige Prozessgrößen bei gegebenen Ausgangsgrößen vorzuschlagen, um das erforderliche Prozessfenster für den Folgeprozess gezielt einstellen zu können.

Das Ziel des Projekts liegt darin, mithilfe eines prozessstufenübergreifenden Ansatzes die relevanten Ursache-Wirkungs-Beziehungen beim Planrichten zu analysieren, die zur Beschreibung der Prozessgrenzen für die Weiterverarbeitung des gewalzten Halbzeugs von Interesse sind.

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Projektpartner

• Institut für Werkstoffkunde (Leibniz Universität Hannover)

Informationsblatt

Forschungsergebnisberichte

Eigene Literatur / Veröffentlichungen zum Projekt

Ansprechpartner

Projektträger:

• DFG

Laufzeit

• 11/2016 - 10/2018

Beschreibung

Bei konventionellen Umformprozessen kann in guter Näherung von quasistatischen Verhältnissen ausgegangen werden und die numerische Prozessoptimierung kann als Stand der Technik bewertet werden. Auf dem Gebiet der Identifikation und Bereitstellung verlässlicher Werkstoffparameter besteht jedoch nach wie vor ein großer Forschungsbedarf [Mag00, Her08, Joh85, Lee06, Mey05]. Bei Fertigungstechnologien mit hohen Umformgeschwindigkeiten, die im Zentrum des aktuellen Vorhabens stehen, treten lokal Umformgeschwindigkeiten > 102 s−1 auf. Hier hängt das plastische Fließ- und Versagensverhalten vieler Werkstoffe zusätzlich zu den von quasistatischen Bedingungen bekannten Einflussgrößen wie Temperatur und Dehnung, stark von der Belastungsgeschwindigkeit ab. Umformwärme, sowie eine umformgeschwindigkeitsabhängige Verfestigung können nicht länger vernachlässigt werden. Ziel dieses Projektes ist es, das Fließverhalten und insbesondere die Versagensparameter bei hohen Umformgeschwindigkeiten im Bereich von 101-105 s-1 für die Aluminiumknetlegierung AlMg3 und den niedriglegierten Stahlwerkstoffen DC04 zu charakterisieren und für die numerische Simulation bereit zu stellen. Dabei werden werkstoffmechanische Erkenntnisse gewonnen, die eine wissensbasierte Optimierung von Verfahrensschritten durch bessere Simulation von Hochgeschwindigkeitsumform-, -trenn- und -fügeprozessen ermöglichen.

Projektpartner

• Fraunhofer Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik – IWU Chemnitz

Informationsblatt

Forschungsergebnisberichte

Eigene Literatur / Veröffentlichungen zum Projekt

• Tulke, M., Scheffler, Ch., Psyk, V., Landgrebe, D. Brosius, A.:
  Principle and setup for characterization of material parameters for high speed forming and cutting, ESAFORM 2017 – 20th International ESAFORM Conference on Material Forming, Conf. Proc. (2017)

Ansprechpartner

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Projektträger:

• BMWi / ZIM ZF4006607US5

Beschreibung

Hinsichtlich der angestrebten Minderung des CO2-Ausstoßes nimmt die Bedeutung des Leichtbaus immer mehr zu. So weisen Getriebebauteile, die größtenteils spanend aus Stahl hergestellt werden, ein großes Potenzial hinsichtlich Leichtbauanforderungen auf. Als Ansatz dient hier der Einsatz von Verbundwerkstoffen für rotationssymmetrische Getriebebauteile, welche mit Hilfe des Kaltringwalzens umformtechnisch gefügt werden sollen. Neben der Möglichkeit mittels Kaltringwalzens hybride Ringe herzustellen, stellt das Kaltringwalzen hinsichtlich der erzielbaren Festigkeiten und Fertigungskosten eine hochinteressante Alternative zur spanenden Bearbeitung dar. Insbesondere ist angestrebt, hybride Antriebsbauteile herzustellen, deren unterschiedliche Werkstoffeigenschaften zusätzlich zur Gewichtseinsparung einsatzspezifische Vorteile bringen. So soll die anwendungsangepasste Werkstoffauswahl zu einer verbesserten Tragfähigkeit und erhöhter Lebensdauer bei Gleitlagern führen.

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Projektpartner

• Dr. Schiller Walz- und Werkzeugtechnik GmbH

Informationsblatt

Forschungsergebnisberichte

Eigene Literatur / Veröffentlichungen zum Projekt

• Küsters, N., Schomäcker, M., Brosius, A.:
  Herstellung kraftschlüssiger Messing-Stahl Verbindungen durch Verbundkaltringwalzen – Verfahrensprinzip und Einflussfaktoren; SFU 2017 – Werkstoffe und Komponenten im Fahrzeugbau; Freiberg: ACATRAIN e.V. (2017

Ansprechpartner

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Head of the working group for primary and forming technology

Name

Dipl.-Ing. Christina Guilleaume

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Professur Formgebende Fertigungsverfahren

Professur Formgebende Fertigungsverfahren

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Projektträger:

• AiF / IGF 18143 BG über EFB (10/115)

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Beschreibung

Ziel des Forschungsvorhabens ist die Verbesserung der Abbildungsgenauigkeit der numerischen Simulation bei gleichzeitiger Steigerung der Effektivität der Werkstoffcharakterisierung. Durch eine bauteilspezifische Auswahl der Prüfmethoden, die Nutzung von zusätzlichen Informationen aus Standardversuchen (z.B. kontinuierlicher r-Wert-Verlauf) sowie die werkstoffspezifische Modellierung von Fließ- und Folgefließortkurven (z.B. maßgeschneiderte Wahl des Fließortexponenten, d.h. des m-Wertes) wird ein erhöhte Vorhersagequalität der numerische Blechumformsimulation sowie eine zusätzliche Zeit- und Kostenreduktion bei der Kennwertermittlung erreicht.

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Arbeitspunkte:

• Prozessorientierte Auswahl zu berücksichtigender Experimente (Zug-, Scherzug-, hydraulischer Tiefungsversuch)
• Entwicklung einer halbanalytischen Methode zur inversen Identifikation von Fließortkurvenparametern inkl. der Berücksichtigung anisotroper Verfestigung
• Entwicklung eines Materialmodells mit Fließortkurvenentwicklung zur Berücksichtigung des r-Wert-Verlaufs
• Überprüfung der Vorgehensweise an einem Kreuznapf sowie an einem Serienbauteil

Projektpartner 

• LFT Erlangen

Informationsblatt

Forschungsergebnisberichte

Eigene Literatur / Veröffentlichungen zum Projekt

• Küsters, N.; Brosius, A.:
  Semi-analytical parameter identification on scattered experimental data; 9^th Forming Technology Forum 2016 - Advanced Methods in Material Testing for Sheet Metal Forming (2016)

• Küsters, N.; Brosius, A.:
  Semi-analytic parameter identification for complex yield functions; Numiform 2016 - 12^th International Conference on Numerical Methods in Industrial Forming Processes / MATEC Web of Conferences 80 (2016); doi: 10.1051/matecconf/20168010002

• Küsters, N., Brosius, A., Schomäcker, M.:
  A new approach for the visioplastic stress analysis for material characterisation; 5^th International Conference on Accuracy in Forming Technology ICAFT 2015 and 22^nd Saxon Conference on Forming Technology SFU 2015 - Conf. Proc.; ISBN: 978-3-95735-029-9

Ansprechpartner

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Professur Formgebende Fertigungsverfahren

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Projektträger:

• DFG über SPP 2013 „Gezielte Nutzung umformtechnisch induzierter Eigenspannungen in metallischen Bauteilen“

Beschreibung

Im Mittelpunkt des Forschungsprojekts steht die gezielte Einstellung von schwingfestigkeitssteigernden Eigenspannungszuständen mittels des Querwalzens von hybriden Verbindungen. Insbesondere in der ersten Projektphase wird dazu ein grundlegendes Verständnis der Material-Prozess-Eigenschaftsbeziehungen erarbeitet. Dazu sind eine kombinierte experimentelle und numerische Analyse des Ausgangszustandes der verwendeten Halbzeuge, des Umformprozesses, der dadurch induzierten Eigenspannungen und deren Auswirkungen auf die Schwingfestigkeit geplant. Um allgemeingültige, auf andere Umformprozesse übertragbare Aussagen zu erhalten, erfolgt dabei eine Fokussierung auf den Walzprozess.

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Teilziele des Projekts sind:

• Werkstoffmechanische Charakterisierung und Untersuchung des Ausgangszustandes der Halbzeuge

• Entwicklung effizienter numerischer Modelle zur Simulation der Eigenspannungsentstehung im Umformprozess

• Separation der schwingfestigkeitssteigernden Wirkung der durch den Umformprozess induzierten Eigenspannungen, Werkstoff- und Oberflächenveränderungen

• Entwicklung numerischer Modelle zur Simulation der Anrissentstehung, der Eigenspannungsrelaxation und des Rissfortschritts unter zyklischer Beanspruchung

Projektpartner 

• IFKM, TU Dresden

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Professur Formgebende Fertigungsverfahren

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• IGF-Vorhaben-Nr: 18637 BR, Forschungskuratorium Textil e.V.

Beschreibung

Für die Fertigung komplexer Bauteile aus Metallblech und faserverstärktem Kunststoff mit verarbeitungs- und beanspruchungsgerechter textiler Verstärkungsstruktur werden innovative, kostengünstige und prozesssichere Fertigungsverfahren benötigt, die jedoch den Einsatz aufwendiger Werkzeugtechnologie erfordern. Im Serieneinsatz hat die zugehörige, einstufige Prozesskette Kostenvorteile gegenüber anderen mehrstufigen Verfahren. Für diese ist im Vorfeld eine sichere Prozessauslegung notwendig, die jedoch aufgrund der Komplexität nur numerisch möglich ist. Ziel des Forschungsprojektes ist daher die Identifikation und Erweiterung der Verfahrensgrenzen für den kombinierten Textil-Blech-Umformvorgang. Im Hinblick auf die angestrebten komplexen Bauteilgeometrien mit daraus resultierenden analytisch nicht lösbaren, ineinandergreifenden Zusammenhängen ist dafür eine simulationsgestützte Prozessanalyse notwendig. Voraussetzung für eine Finite-Elemente-Simulation des gemeinsamen Umformprozesses ist die Qualifizierung der Versagensmodellierung beider Materialdomänen, Blech und hybridgarnbasiertes Verstärkungstextil, um anschließend ein gemeinsames Versagensmodell zu erstellen und damit die Verfahrensgrenzen zu definieren. Grundvoraussetzung zur Durchführung realitätsnaher Finite-Elemente-Simulationen ist die Bereitstellung von genauen Kennwerten zur Parametrierung der verwendeten Modelle. Mit den gewonnenen Erkenntnissen zur Beschreibung der Verfahrensgrenzen werden in technologischen Untersuchungen durch gezielte Einstellung der textilen Struktur das Formänderungsvermögen verbessert und so die Verfahrenssgrenzen erweitert. Diese Veränderun­gen werden wiederum im Rahmen einer Sensitivitätsanalyse, bezogen auf die Formänderungsgrenzen, versuchstechnisch sowie simulativ bewertet. Die entwickelte Methodik zur simulationsgestützten Prozessanalyse und der gezielten Beeinflussung der Verfahrensgrenzen wird abschließend in der Herstellung von komplexen Demonstratorbauteilen abgebildet.

Projektpartner 

• Institut für Textilmaschinen und Textile Hochleistungswerkstofftechnik (ITM), TU Dresden
• Institut für Fertigungstechnik, Professur Formgebende Fertigungsverfahren (IF), TU Dresden
• Institut für Werkzeugmaschinen und Steuerungstechnik (IWM), TU Dresden

Informationsblatt

Forschungsergebnisberichte

Eigene Literatur / Veröffentlichungen zum Projekt

Ansprechpartner

Projektträger:

• DFG Deutsche Forschungsgesellschaft

Laufzeit

• 1/2014 - 1/2020

Beschreibung

Der Verlust der tribologischen Funktionen infolge des Verzichts auf Schmierstoffe beim Trockenumformen soll in diesem Projekt durch eine gezielte Prozess- und Werkzeugentwicklung kompensiert werden. Hierzu wird ein integrativer Ansatz gewählt, der die Kombination von Makro- und Mikrostrukturierung mit einer entsprechenden Beschichtung der Werkzeuge beinhaltet. Durch die Kombination der dabei erzielten Effekte wird die Reibung zwischen Blech und Werkzeug reduziert und somit ein Schmierstoffeinsatz unnötig. Die relevanten Ursache-Wirkungsbeziehungen werden mithilfe analytischer Ansätze, FE-Berechnungen und experimenteller Untersuchungen analysiert und somit für eine industrielle Anwendung nutzbar gemacht.

Die bisherigen Untersuchungen zeigen, dass durch Werkzeugbeschichtung und Schichtfunktionalisierung der Reibwert sowie der Verschleiß deutlich reduziert werden können. So konnte die Reibung zwischen Blech (DC04) und Werkzeug (1.2379) mithilfe der tetraedrischen wasserstofffreien amorphen Kohlenstoffschicht (ta-C) bis zu 20% im Vergleich mit geschmiertem Werkzeug reduziert werden. Darüber hinaus, durch Mikrostrukturierung der Schicht mit „Direct laser interference patterning“ (DLIP-Technologie) kann den Verschleiß bis zu 90% reduziert werden.

Die durchgeführten Forschungsarbeiten zeigen, dass ein Tiefziehprozess mittels makro- und mikrostrukturierter Werkzeuge ohne die Verwendung eines Schmiermittels bei gleich bleibender Prozessfenstergröße erfolgreich durchgeführt werden kann. Das Ziel des Projekts besteht somit in der Weiterentwicklung und Optimierung der praxisrelevanten Methode für die Minimierung der Reibkräfte und des Verschleißes beim Tiefziehen bei einer deutlichen Vergrößerung des bislang nutzbaren Prozessfensters.

© TU Dresden, IF, FF, Mousavi

Projektpartner

• Professur für Laserbasierte Methoden der großflächigen Oberflächenstruktu­rierung

  (TU Dresden)

• Professur für Laser- und Oberflächentechnik (TU Dresden)

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