Passives Presshärten von Rohren mittels granularer Medien

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. A. Erman Tekkaya
• Fachliche Zuordnung: Ur- und Umformtechnik, Additive Fertigungsverfahren ; Metallurgische, thermische und thermomechanische Behandlung von Werkstoffen
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 427196185

Zur Herstellung von Profilbauteilen mit einer unbegrenzten Länge soll das Warmumformen mit granularen Medien durch ein passives Wirkprinzip erforscht werden. Ein üblicher Prozess zum Umformen von Profilen ist die Innenhochdruckumformung (IHU). Problematisch ist die Kompressibilität des gasförmigen Druckmediums, sodass hohe Umformdrücke mit einem hohen Gefahrenpotential einhergehen und aufgrund der Druckaufbauzeit die Taktrate limitieren.Eine Alternative stellen granulare Medien dar, die durch eine hohe Druckfestigkeit sowie Temperaturstabilität den Presshärteprozess von Stahlrohren ermöglichen. Bei der aktiven IHU mit granularen Medien wird die Umformkraft durch einen axialen Stempeleinschub in das Rohrende generiert und über das Granulat auf das Bauteil übertragen. Die Granulatsäule verhält sich aufgrund der inneren Reibung allerdings nicht hydrostatisch. Dieses Merkmal führt zur Begrenzung der fertigbaren Rohrlänge, der erzielbaren Expansion und Ausformbarkeit von kleinen Radien. Um diese Einschränkungen aufzuheben und die Anwendbarkeit zu erreichen, soll das passive IHU mit granularen Medien erforscht werden. Bei diesem Wirkprinzip wird die Umformkraft durch das Schließen des Umformgesenks generiert. Durch den seitlichen Druckaufbau wird nicht nur die Begrenzung der Rohrlänge aufgehoben, sondern auch die darstellbaren Dehnungspfade und formbaren Profile werden um die Kompression des Rohrquerschnitts erweitert. Zur Erreichung des Projektziels ist der Einfluss von den Parametern wie u. a. den geometrischen Verhältnissen, der Kinematik, der Granulatbefüllung und Temperierung zu erforschen. Darauf aufbauend soll die Druck- und Temperaturverteilung hergeleitet werden, die die Dehnungen und mechanischen Eigenschaften bestimmen. Entsprechend sollen Prozessgrenzen und ein Arbeitsbereich ermittelt werden. In dem Vorhaben sind die Eigenschaften der Keramikkugeln und des Quarzsandes als Umformmedien, des 22MnB5 als Rohrwerkstoff und deren Interaktion zu charakterisieren. Mithilfe dieser Kenntnis ist der Prozess auszulegen und die Produkteigenschaften zu untersuchen. Einzusetzen sind neben der numerischen Simulation ein analytisches Modell, das die Druck- und Temperaturverteilung in dem Granulat und dem Rohrbauteil annähernd abbilden soll. Die theoretische Betrachtung umfasst ferner die Entwicklung der Mikrostruktur, sodass je nach Prozessführung Bauteile unterschiedlicher Festigkeit gefertigt werden. Zur Validierung werden in einem Experiment unterschiedliche Varianten wie das zweidimensionale Umformen ohne Granulatfluss in Axialrichtung oder das Umformen mit induziertem Axialfluss zur Herstellung von Profilen mit gradierter Querschnittsfläche eingesetzt. Darüber hinaus soll die Werkzeugtechnik in Bezug auf die Temperierung des Rohrbauteils durch eine Widerstandserhitzung entwickelt werden, sodass der Aufheizvorgang erst nach der Granulatbefüllung und dem Einlegen in das Werkzeug zur Darstellung einer maximalen effektiven Abkühlrate erfolgt.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortliche: Dr.-Ing. Soeren Gies; Dr.-Ing. Christian Löbbe