Erforschung grundlegender Zusammenhänge und Ermittlung von Prozessgrenzen beim Massivumformen von verzahnten Mikrobauteilen aus Blechhalbzeugen

• Antragstellerin: Professorin Dr.-Ing. Marion Merklein
• Fachliche Zuordnung: Ur- und Umformtechnik, Additive Fertigungsverfahren
• Förderung: Förderung seit 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 421783424

In zahlreichen Branchen besteht ein Trend zur Miniaturisierung technischer Systeme. Dieser Trend zeichnet sich durch die Minimierung geometrischer Abmessungen bei gleichzeitiger Steigerung der Funktionalität und Qualität aus. Zu diesen Produkten zählen miniaturisierte Antriebssysteme mit verzahnten Mikrobauteilen. Jährlich werden mehr als 10 Milliarden verzahnte Bauteile im Modulbereich m < 0,3 mm hergestellt. Angesichts des steigenden Bedarfs an Mikrozahnrädern ist die Erforschung von Fertigungsverfahren, die eine wirtschaftliche und präzise Fertigung von Mikrozahnrädern aus Metall ermöglichen, erforderlich. Verfahren der Kaltmassivumformung bieten sowohl technologische, als auch wirtschaftliche und ökologische Vorteile im Vergleich zu anderen Herstellungsverfahren. Zum derzeitigen Stand der Technik ist die Herstellung von Mikrozahnrädern durch Verfahren der Kaltmassivumformung für Module von m < 0,2 mm jedoch aufgrund hoher Werkzeugbeanspruchungen, auftretender Größeneffekte und Handhabungsproblematiken nicht möglich. Das Ziel der zweiten Projektphase besteht in der grundlagenwissenschaftlichen Analyse einer Prozesskette zur Herstellung von Mikrozahnrädern mit einem Modul von 0,1 mm. Dies umfasst die Untersuchung von funktionalen Wechselwirkungen einzelner Prozessschritte sowie der fertigungsbedingten Eigenschaften auf das Einsatzverhalten der Mikrozahnräder. Aufbauend auf den bisherigen Erkenntnissen bezüglich der dreistufigen Prozesskette wird die Prozesskette durch eine zusätzliche VFP-Stufe sowie durch die Extrusion eines Napfes als Zahnradaufnahme erweitert. Das Ziel der Prozesserweiterung durch ein mehrstufiges VFP ist die Identifikation von Effekten und Wechselwirkungen zwischen den Einflussgrößen Stempeldurchmesser und Eindringtiefe, um die Auswirkungen auf den Stofffluss und die Homogenität der Formänderung zu analysieren. Das erarbeitete Prozessverständnis wird im Anschluss genutzt, um die Zapfeneigenschaften durch eine gezielte Stoffflusssteuerung für eine nachfolgende Ausformung der Aufnahme einzustellen sowie die in der ersten Phase als kritisch identifizierten Prozesskräfte zu reduzieren. Ein weiteres Teilziel besteht darin, ein Prozessverständnis für mehrstufige Mikroumformprozessketten durch die Integration der Napfausformung sowie durch das abschließende Trennen vom Blechband zu erarbeiten. Hierfür wird eine geeignete Umformstrategie für die Integration einer Napfextrusion entwickelt und Wechselwirkungen zwischen den Umformstufen identifiziert. Zudem werden die Formgebungsmöglichkeiten der Prozesskette und das Bauteilspektrum wesentlich erweitert. Dabei gilt es, das Einsatzverhalten der fließgepressten Mikrozahnräder auf Grundlage der Analyse der Lauffähigkeit in einem praxisnahen Laborversuch auf einem Getriebeprüfstand zu bewerten. Abschließend erfolgt die Ermittlung funktionaler Zusammenhänge und die Bewertung der Erkenntnisse zur Ableitung eines Prozessfensters sowie zur Entwicklung eines umfassenden Prozessverständnisses.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen