Incremental Cold Forming of Thermoplastics
Final Report Abstract
Die inkrementelle Blechumformung (IBU) ist ein Verfahren zur flexiblen Herstellung dreidimensionaler Blechhohlkörper nahezu beliebiger Geometrie. Die IBU zeichnet sich durch eine schnelle Werkstückverfügbarkeit bei geringen Maschinen- und Werkzeugkosten aus und ist besonders für kleine Losgrößen wirtschaftlich sinnvoll. Einer der wesentlichen Nachteile des Verfahrens ist die geringe Fertigungsgenauigkeit, die sich aufgrund der hohen Rückfederung bei der Kaltumformung von thermoplastischen Werkstoffen besonders ausgeprägt zeigt. Das Ziel dieser Arbeit lag in der Analyse der Einflussfaktoren auf die Fertigungsgenauigkeit und in der Strategieentwicklung zur Steigerung der Fertigungsgenauigkeit, um einen wirtschaftlichen Einsatz des Verfahrens zu ermöglichen. Es konnte gezeigt werden, dass die analytische Abschätzung des Kraftbedarfs bei der inkrementellen Umformung auch für thermoplastische Werkstoffe valide Ergebnisse liefert. Dies ermöglicht eine einfache Möglichkeit zur Abschätzung der maximalen Werkzeugkraft bei der Prozessauslegung. Anhand von experimentellen und numerischen Untersuchungen konnte das Beulverhalten unterschiedlicher thermoplastischer Werkstoffe (Polyvinylchlorid (PVC), Polyethylen (PE), Polykarbonat (PC)) charakterisiert werden. Zudem konnte ein analytischer Zusammenhang zwischen der Ausprägung der Werkstückausbeulung, dem Elastizitätsmodul des verwendeten Werkstoffs und der initialen Plattenstärke ermittelt werden. In weitergehenden Arbeiten wurde der Einfluss der Prozessparameter Werkzeugradius RWz und der initialen Plattenstärke t0 sowohl auf die Ausbeulung als auch auf die resultierende Fertigungsgenauigkeit analysiert. Eine zunehmende Plattenstärke und eine Reduzierung des Werkzeugradius haben einen signifikanten Einfluss auf die Fertigungsgenauigkeit und verbessern diese um bis zu 28 %. Eine weitere Annäherung an die Soll-Geometrie kann durch eine Anpassung der Werkzeugbahn erfolgen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde das Verfahren des Überformen erfolgreich angewandt, durch das sich die Fertigungsgenauigkeit im Vergleich zu einer Referenzgeometrie um 65% steigern ließ. Die Verwendung einer Stützplatte während des Fertigungsprozesses bietet das Potential besonders im Bereich der Bauteilzarge eine Verbesserung der Fertigungsgenauigkeit thermoplastischer Bauteile zu erzielen. Zur Fertigung von Bauteilen mit steiler Werkstückzarge (Ψ > 65°) konnte ein mehrstufiges Umformverfahren etabliert werden, das Bauteile mit Zargenwinkel Ψ = 90° zulässt und Defekte im Bodenbereich des Werkstücks, wie Aufwölbungen, deutlich reduziert. Die Maßnahmen zur Steigerung der Fertigungsgenauigkeit konnten anhand eine Demonstrators mit großen Freiflächen und steilen Zargenwinkeln erfolgreich angewandt werden.
Publications
- Plastic flow and failure in single point incremental forming of PVC sheets. In: eXPRESS Polymer Letters Vol. 8 (5), S. 301–311
Alkas Yonan, S., Silva, M. B., Martins, P. A. F., Tekkaya, A. E.
(See online at https://doi.org/10.3144/expresspolymlett.2014.34) - 2017. Deformation Characteristics of Thermoplastics in Single Point Incremental Forming. In: AIP Conference Proceedings 1896, Dublin, Ireland
Maaß, F., Gies, S., Tekkaya, A.E.
(See online at https://dx.doi.org/10.1063/1.5008050)
