Innenhochdruck-Umformen von Blechen unter Anwendung von magnetorheologischen Flüssigkeiten als kombiniertes Wirk- und Dichtmedium
Final Report Abstract
Im Rahmen dieses Forschungsprojekts wurde sowohl die grundsätzliche Anwendbarkeit als auch das bisher noch ungenutzte Potential der Fluidklasse der magnetorheologischen Flüssigkeiten für eine Anwendung als kombiniertes Wirk- und Dichtmedium in der Innenhochdruck-Umformung untersucht. Um die dafür notwendigen Experimente umsetzen zu können, war die Konstruktion und Fertigung von drei Prüfständen erforderlich. Bei Versuchen, die anfangs mit dem am Institut vorhandenen Prüfstand geplant und durchgeführt wurden, konnten Erkenntnisse in Bezug auf das grundsätzliche Verhalten und die Handhabbarkeit der verwendeten Suspension gesammelt werden. Diese sowohl negativen als auch positiven Erfahrungen hatten einen erheblichen Einfluss auf die Auslegung der weiteren Prüfstände und waren für die technische Realisierung der Prozesskinematik von großer Bedeutung. Um das Wirkmedium zu charakterisieren, war die Betrachtung des Fluidverhaltens unter verschiedenen Parametern und Randbedingungen notwendig. Im Verlauf der Versuchsreihen wurde das Leckageverhalten der ausgewählten Flüssigkeit unter diversen Innendrücken und Flanschflächenpressungen ermittelt. Aus diesen Ergebnissen konnten die Dichtgrenzen für unterschiedliche Magnetfelder abgeleitet werden. Es zeigte sich eine signifikante Erhöhung der Dichtgrenzen für magnetorheologische Flüssigkeiten bei Aktivierung des magnetorheologischen Effekts. Dadurch ist eine Erweiterung des Prozessfensters im Sinne einer robusten Prozessführung möglich, weshalb sich für dieses Verfahren neue Bauteilspektren erschließen, die bis zu diesem Zeitpunkt nicht abgedeckt werden konnten. Außerdem wurde die numerische Simulation anhand der Experimente mit konstantem Leckagequerschnitt verifiziert. Das hierbei entwickelte Materialmodell kann auf andere Programme, die auf der Methode der finiten Elemente basieren, übertragen werden. Um die Rechenzeit zu verkürzen, bietet sich die Verwendung von impliziten Solvern an. Diese Möglichkeit besteht in Abaqus aufgrund der gekoppelten Euler-Lagrange-Betrachtung nicht. Eine Auslegung des Magnetfeldes und der damit verbundenen magnetischen Flussdichte und deren Richtung ist realisierbar und konnte am Beispiel des Dicht- und Umformprüfstands aufgezeigt werden. Auch die vorherige Auslegung von Umformoperationen hinsichtlich der Machbarkeit und der erforderlichen Prozessparameter wurde exemplarisch dargestellt. Die Resultate weisen eine sehr gute Übereinstimmung mit den Realprozessen auf. Bei der abschließenden Verifikation der bis zu diesem Zeitpunkt im Projekt erarbeiteten Ergebnisse durch die Umformung eines Demonstratorbauteils unter verschiedenen Randbedingungen zeigen sich prozess- und bauteilrelevante Vorteile im Vergleich zu konventionellen Medien. So konnte eine Reduktion der Flanschflächenpressungen erreicht werden, ohne Leckagen im Flanschbereich in Kauf nehmen zu müssen, was sich positiv auf den Blecheinzug auswirkt. Die Fragestellung, welche Reibzahlen bei den Umformprozessen mit magnetorheologischer Flüssigkeit insbesondere unter magnetischen Feldern vorherrschen, konnte nicht abschließend geklärt werden und war auch nicht Gegenstand des Projekts. Es sind in diesem Zusammenhang weitere Experimente notwendig, um die Wechselwirkung zwischen magnetischer Flussdichte und Reibzahl feststellen können. Zudem ist das Potential von magnetorheologischen Flüssigkeiten noch nicht ausgeschöpft. Es ist zu prüfen, inwieweit die bisherigen Ergebnisse auf die Umformung von maßgeschneiderten Halbzeugen mit Dickensprüngen anwendbar und übertragbar sind. Durch die bereits nachgewiesene Reduzierung von Leckagen bei distanziertem Niederhalter können Niederhalter mit Stufensprung zukünftig zumindest teilweise entfallen, was die Flexibilität dieses Verfahrens bestätigt und nochmals erhöht.
Publications
- Characterization of a magnetorheological fluid and simulative design of a magnetic field with respect to its suitability for hydroforming. In: Warsaw University of Technology, Faculty of Production Engineering (Hrsg.): Proceedings of the 5th International Conference on Advances in Production Engineering, (2010), Radom: Publishing and Printing House of the Institute for Sustainable Technologies, S. 409-417
Rösel, S.; Merklein, M.
- Characterization of a Magnetorheological Fluid with Respect to its Suitability for Hydroforming. In: University of Brescia (Hrsg.): International Journal of Material Forming, 3(2010), Paris: Springer, S. 283-286
Rösel, S.; Merklein, M.
- Enhancing Forming Limits by Using a Magnetorheological Fluid as Active Fluid Medium for Hydroforming. In: Gerhard Hirt, A. Erman Tekkaya (Hrsg.): Steel research international: Special Edition: 10th International Conference on Technology of Plasticity, (2011), Weinheim: Wiley-VCH Verlag GmbH&Co. KGaA., S. 453-458
Rösel, S.; Merklein, M.
- Flow behaviour of magnetorheological fluids, considering the challenge of sealing in blank hydroforming in the flange area with rectangular leakage area cross-sections. In: Key Engineering Materials, 473(2011), Switzerland: Trans Tech Publications, S. 121-129
Rösel, S.; Merklein, M.
