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Warmumformung

Die Umformung mit Schallwellen verfolgen

| Autor/ Redakteur: Manuel Maikranz-Valentin und andere / Annedore Munde

Für die Produktion massiver Stahlbauteile mit funktional abgestuften Bauteileigenschaften bieten thermo-mechanisch gekoppelte Prozesse ein hohes Innovationspotenzial. Am Lehrstuhl für Umformtechnik der Universität Kassel wurden in Zusammenarbeit mit der Gfai Tech GmbH optimierte Prüfkonzepte entwickelt, die die Qualität der Fertigung sicherstellen.

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Kombinierte thermo-mechanische Massivumformung einer Flanschwelle mit lokaler Einstellung der mechanisch-technischen Eigenschaften. Bild: Lehrstuhl für Umformtechnik
Kombinierte thermo-mechanische Massivumformung einer Flanschwelle mit lokaler Einstellung der mechanisch-technischen Eigenschaften. Bild: Lehrstuhl für Umformtechnik
( Archiv: Vogel Business Media )

Der Aspekt einer Kopplung der zugrunde liegenden physikalischen Mechanismen innerhalb eines thermo-mechanischen Prozessschrittes führt zu überaus wirtschaftlichen Fertigungsszenarien. Ohne die Verfügbarkeit neuartiger, zerstörungsfreier Prüfkonzepte lässt sich die Qualität solcher Fertigungsprozesse und der daraus hervorgehenden Produkte nicht gewährleisten. Dabei steht nicht nur die Frage im Vordergrund, wie man überhaupt der Forderung nach verlässlichen ortsbezogenen Eigenschaftsaussagen mit entsprechend hoher Auflösung Folge leisten kann.

Echtzeitfähiges Messprinzip mit geeigneter Prüftechnik gefordert

Ausgangspunkt der Betrachtung ist die Forderung nach einem echtzeitfähigen und damit in den laufenden Fertigungsprozess integrierbaren Messprinzip mit geeigneter Prüftechnik. Zu diesem Zweck wurde das Messprinzip der „akustischen Kamera“ adaptiert, das über eine Lokalisierung von Schallwellen auf Basis des Delay-und-Sum-Beamforming im Zeitbereich Informationen zu den lokalen akustischen Schwingungseigenschaften eines angeregten Bauteils liefert. Über eine neu entwickelte analytische Datenaufbereitung ist man nun in der Lage, Aussagen zu der im Querschnitt befindlichen Mikrostruktur an jedem Ort des Prüflings zu treffen.

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Eine erhebliche Verbesserung der Effektivität und Flexibilität kann bei bestehenden Massivumformverfahren durch neue zeit- und ortsvariable thermo-mechanisch gekoppelte Prozessstrategien erzielt werden. Ein definiertes Temperaturprofil führt während der Formgebung zu einer lokal angepassten Eigenschaftsverteilung. Diese Strategie geht einher mit einem Übergang von einer freien zu einer zunehmend werkzeuggebundenen Formgebung sowie von einem durch freie Konvektion hin zu einem durch zunehmende Wärmeleitung bestimmten Wärmetransportmechanismus [1].

Wahl der Prozesstemperatur bestimmt das Gefüge

Das traditionelle Verständnis einer thermo-mechanischen Prozessführung geht in den allermeisten Fällen von einer simultanen Formgebung und Wärmebehandlung des gesamten Werkstücks aus. Die Wahl der Prozesstemperatur bestimmt hierbei, ob ein umwandlungsgehärtetes, ein mehrphasiges, ein rekristallisiertes oder ein kaltverfestigtes Gefüge bestehen wird. Dagegen steuert bei der orts- und zeitvariablen Prozessführung das Temperaturprofil sowohl den Werkstofffluss und damit letztlich die Geometrieausbildung als auch dabei auftretende mikrostrukturelle Phänomene.

Der je nach lokaler Temperatur- und Dehnungsverteilung erreichbare fließende Übergang vielfältiger Mikrostrukturen ist dabei sicherlich charakteristisch für die unter diesen Bedingungen hergestellten Werkstücke. Zonen, deren maximale Temperatur die Austenitisierungstemperatur Ac3 überschreitet, entwickeln abhängig von den Abkühlgeschwindigkeiten lokal stark unterschiedliche Gefügestrukturen.

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