3D-Biegen von Profilen mit Spannungsüberlagerungen
Final Report Abstract
Räumlich gebogene Profilbauteile stellen ein wichtiges Strukturelement für verschiedene Industriezweige dar, vor allem für verkehrstechnische Anwendungen aus Leichtbau- und Aerodynamikgründen. Der Fokus dieses Projektes lag daher in der Entwicklung eines Biegeverfahrens zur Herstellung derartiger Bauteile aus Profilen mit symmetrischen und unsymmetrischen Querschnitten. Dabei sollte die Biegekontur bei diesem Verfahren kinematisch bestimmt werden, also unabhängig von einer Werkzeugkontur sein. Bei der Entwicklung dieses Verfahrens wurde das Prinzip der Spannungsüberlagerung zur Unterstützung des 3D-Biegeprozesses gewählt, dadurch konnte eine Reduktion der Biegekräfte, die Kompensation der Auffederung des Biegeradius nach Entlastung und der Ausgleich der Torsion beim Biegen unsymmetrischer Profilquerschnitte erzielt werden. Zur Untersuchung dieses Verfahrensprinzips wurde der Fokus während der ersten Förderperiode auf zwei wesentliche Arbeitspakete gelegt. Zuerst erfolgten grundlegende Untersuchungen an einer bestehenden Versuchsvorrichtung, die auch schon bei den Voruntersuchungen Verwendung fand. Diese gaben Aufschluss über Optimierungsmöglichkeiten des Verfahrensablaufs, was in einer zielgerichteten Verbesserung des Konzeptes resultierte. Das überarbeitete Konzept wurde mithilfe der Erfahrungen aus den Voruntersuchungen und unter Ausnutzung einer konstruktionssystematischen Herangehensweise nach VDI 2221 entwickelt. Anschließend wurden diese Ergebnisse auf dem bestehenden Versuchsstand validiert und mithilfe von FEM-Rechnungen untersucht. Anschließend erfolgte die bereits im Arbeitsplan beschriebene Konstruktion und Entwicklung einer Versuchsvorrichtung zum verbesserten 3D-Rollenbiegen von Profilen, welche unter der Maßgabe einer großen Bandbreite an Versuchen und einer guten Automatisierbarkeit konzipiert wurde. Weiterhin wurde parallel zur mechanischen und antriebstechnischen Konstruktion des Versuchsstandes ein Steuerungskonzept entwickelt, welches aus Flexibilitätsgründen auf einem leistungsfähigen Mess-PC basiert. Das Verfahrenskonzept wurde im Zuge dieser Arbeiten durch die TU Dortmund national und international zum Patent angemeldet. In der zweiten Förderperiode wurde nun mit dem neuen Versuchsstand die Verarbeitung verschiedener Profilquerschnitte vertiefend untersucht, um somit Wissen über die Wirkungsweise der mit der neuen Maschine gezielt umsetzbaren Spannungsüberlagerung zum Wechsel der Biegeebene und dem 3D-Biegen von Profilen zu erlangen. Diese Untersuchungen erfolgten mit dem Ziel einer umfassenden Verfahrensanalyse und einer grundlegenden Prozessplanung, um ausgehend von einer geforderten Biegekontur die Koordinaten für die Maschinensteuerung zur Erzielung der korrekten Biegekontur zu berechnen. Dabei wurde die Tauglichkeit analytischer und Finite-Elemente-basierender Berechnungen mit den Versuchsreihen verglichen. Parallel wurde das Steuerungskonzept weiter an die neuen Erweiterungen der Maschine angepasst. Zusammenfassend war das Ziel der zweiten Förderperiode, fundierte Kenntnisse über ein hochflexibles Biegeverfahren für Profile zur Fertigung von Leichtbaustrukturen zu erhalten und parallel ein neues Maschinenkonzept für einen späteren Wissensstransfer zu entwickeln. Das Patent zum TSS-Biegeverfahren, das im Zuge des Projektes entstanden ist, konnte an ein mittelständisches Unternehmen auslizensiert werden. Der Lizenznehmer plant die Entwicklung eines Prototyps, daher ist ein Transferprojekt geplant. Ferner wurden unabhängig von diesem Projekt in kleineren Studien für verschiedene Unternehmen das Verfahren und die Projektergebnisse an industriell relevanten Profilbiegeteilen erfolgreich erprobt. Dabei wurden unter anderem Profile aus dem Bereich Nutzfahrzeugkabinen und Polymer-Metall-Verbundprofile aus dem Automobilbereich erfolgreich und mit hoher Präzision auf die geforderten 3D-Konturen gebogen werden. Somit stehen bereits potenzielle Anwender der Forschungsergebnisse des Projektes zur Verfügung. Zurzeit wird das im Rahmen der Forschungsarbeiten entstandene Verfahren im Bereich der vermehrt in Leichtbauanwendungen eingesetzten hochfesten Stahlwerkstoffe untersucht. Dabei werden unter anderem zur Plastifizierung dieser schwer umformbaren Werkstoffe induktive Erwärmungseinrichungen im Rahmen des Projektes Protubend, gefördert durch den Research Found for Coal and Steel, untersucht.
Publications
- Three-Dimensional-Bending of Profiles by Stress Superposition. 8th ESAFORM Conference on Material Forming, 27. – 29. April 2005 in Cluj-Napoca, Rumänien, S. 245-248
Chatti, S.; Hermes, M.; Kleiner, M.
- Three-Dimensional-Bending of Profiles by Stress Superposition. Advanced Methods in Material Forming, Springer Verlag, (2006), S. 101-118
Chatti, S., Hermes, M., Kleiner, M.
- Innovative Machine Concept for Three-Dimensional Bending of Profiles Using Stress Superposition. In: Proceedings of “Le 1er Congrès Des Innovations Mécaniques (CIM08)”, 28-29 April 2008 in Sousse, Tunisia, S. 45-55
Hermes, M.; Chatti, S.; Tekkaya, A. E.
- Innovative Werkzeug- und Verfahrensentwicklung am IUL. Dortmunder Rohr- und Profilbiegekolloquium DORP 2007, CD mit Vorträgen, IUL Eigenverlag 2008, ISBN 3-9809535-2-1
Hermes M., Tekkaya A. E.
- Three-Dimensional-Bending of Profiles with Stress Superposition. International Journal of Material Forming, 2008
Hermes, M.; Chatti, S.; Tekkaya, A. E.
(See online at https://doi.org/10.1007/s12289-008-0009-0) - New Incremental Methods for Springback Compensation by Stress Superposition. 12th International ESA-FORM 2009, Universität Twente, Niederlande, 27-29. April 2009
Chatti, S.; Hermes, M.; Weinrich, A.; Ben-Khalifa, N.; Tekkaya, A. E.
- The new TSS bending process: 3D bending of profiles with arbitrary cross-sections. CIRP Annals - Manufacturing Technology, 59 (2010) 1, pp. 315–318
Chatti, S.; Hermes, M.: Tekkaya, A.E.; Kleiner, M.
- Innovative Machine Concepts for 3D Bending of Tubes and Profiles. SheMet 2011, 14th International conference on sheet metal, 18-20 Apr 2011
Hermes, M.; Staupendahl, D.; Becker, C.; Tekkaya, A. E.
