Christian Heinrich Löbbe gen. Brüggemann

Temperaturunterstütztes Biegen und Wärmebehandeln in mehrstufigen Werkzeugen

Der Schlüssel zur Herstellung von hochfesten und komplex geformten Blechbauteilen ist die kombinierte Umformung und Wärmebehandlung. Die Untersuchung dient zur Entwicklung der mehrstufigen Folgeverbund- und Transfer-Werkzeug-Technologien durch eine in-situ thermische Behandlung. Für den kompakten Werkzeugaufbau wird das einstufige induktive Erhitzen und die mehrstufige Wärmeabfuhr entwickelt. Weiterhin werden die Mechanismen beim Biegen erforscht und durch eine Modellierung abgebildet. Beim Freibiegen ist neben dem Rückfedern das Überbiegen ein unabhängiger Effekt, mit dem das Biegeergebnis kontrolliert wird. Beim Gesenkbiegen führt die Wärmekontraktion zur Spannungsüberlagerung, die eine Kalibrierung des Biegeteils ermöglicht. Zur Wärmebehandlung von Stählen werden die Austenitisierung und das Abschrecken analysiert und modelliert. Zur Kontrolle der Zugfestigkeit ist neben der Korngröße die Kohlenstoffbeladung eine zentrale Stellgröße. In Fallstudien wird schließlich die Anwendung zur Fertigung von Bauteilen mit einer definierten Geometrie und Festigkeit veranschaulicht.

Soeren Gies

Thermische Spulenverluste bei der elektromagnetischen Blechumformung

Die Etablierung elektromagnetischer Umformverfahren im industriellen Umfeld erfordert eine hohe und berechenbare Werkzeugstandzeit. Diese wird insbesondere im Dauerbetrieb nicht nur durch mechanische, sondern auch durch thermische Belastungen beeinflusst. Ursächlich für die Spulenerwärmung sind die Stromwärmeverluste in der Werkzeugspule. Mit einem Anteil von bis zu 50% stellt diese Komponente den dominanten Verlustmechanismus in der Energiewandlungskette dar. Aufgrund dieser Bedeutung für die Spulenbelastung und die Prozesseffizienz stehen die Verluste in der Werkzeugspule im Fokus dieser Arbeit. Das Ziel umfasst die physikalische Beschreibung der Spulenverluste und die Entwicklung technologischer Ansätze zur Verlustreduzierung.
Durch die analytischen Berechnungsmodelle für die Stromwärmeverluste in der Werkzeugspule wird der Einfluss von Geometrie-, Werkstoff- und Prozessparametern aufgezeigt. Die wesentliche Erweiterung zum gegenwärtigen Stand der Kenntnisse ergibt sich aus der Berücksichtigung zeitabhängiger Effekte. Hierzu zählen neben dem transienten Entladestrom auch die fortschreitende Erwärmung der Spule während der Entladung sowie die veränderliche Spaltweite zwischen Spule und Werkstück infolge der Umformung.
Der Einsatz hybrider Druckleiter und die Entwicklung eines rekuperationsfähigen Pulsgeneratorkonzeptes erfolgen mit dem Ziel reduzierter Spulenverluste. Durch den hybriden Leiteraufbau aus Stahl und Kupfer soll die Stromdichteverteilung im Leiterquerschnitt beeinflusst werden. Die Entwicklung eines neuartigen Pulsgeneratorkonzeptes zielt hingegen auf die Beeinflussung des zeitlichen Entladestromverlaufes ab. Durch einen modifizierten Schwingkreisaufbau soll die Entladung auf eine einzelne Stromhalbwelle reduziert werden.

Isik Kerim

Modelling and characterization of damage and fracture in sheet-bulk metal forming

Sheet-bulk metal forming differs from the conventional sheet forming processes, in the application of the bulk forming operations on the sheet material. Although the initial workpiece is a sheet blank, occurrence of the three-dimensional stress/strain states requires a revise of the basic assumptions and available material models for the conventional sheet forming processes.
In this study, necessary material characterization techniques for the available damage models are developed to predict damage and fracture during sheet-bulk forming processes. Two damage models, namely Gurson's porous plasticity and Lemaitre's continuum damage model, are investigated. A direct material characterization methodology for Gurson model and an inverse parameter identification methodology for Lemaitre model are introduced. The characterization tests are enriched by adding the shear cutting test to identify through-thickness shear behavior and shear related model parameters. A new fracture criterion, which is originated from the experimental observations related to normal and shear fracture, is introduced. The simplified structure of this criterion allows a rapid characterization for the material parameters.
The models' predictive performances are compared for three sheet-bulk forming processes, namely local indentation, local ploughing and sheet upsetting. The results show the impact of the modelling capability for the void decrease under compressive stress states on the prediction performance. The predictions with Gurson model, which provides the void content reduction under compression, are closer to the experimental observations compared to the other models. The newly introduced fracture criterion provides fair results considering the reduced effort for the parameter identification. 

Stefan Ossenkemper

Verbundfließpressen in konventionellen Fließpresswerkzeugen

Im Rahmen dieser Arbeit wird die Herstellung von Verbundwellen mittels Voll-Vorwärts-Fließpressen von hybriden Halbzeugen in konventionellen Fließpresswerkzeugen untersucht. Die Untersuchungen fokussieren sich dabei vornehmlich auf die Werkstoffkombination Stahl-Aluminium. Die verwendeten Halbzeuge bestehen jeweils aus einem rückwärts-fließgepressten Napf mit einem eingelegten Leichtmetallkern. Aufgrund der umformtechnischen Herstellbarkeit ergibt sich hierbei eine sehr hohe Werkstoffeffizienz. Durch die gemeinsame Umformung der beiden Komponenten entsteht ein Verbund zwischen der äußeren Hülle und dem inneren Kern. Die Verbundeigenschaften werden analytisch, numerisch und experimentell auf die Schlussarten Kraft-, Stoff- und Formschluss untersucht. Ein entwickeltes analytisches Modell erlaubt die Abschätzung des Kraftschlusses in Abhängigkeit der Werkstoffkennwerte sowie der Prozessgrößen. Das entwickelte Modell konnte mittels Push-Out-Tests validiert werden.
Zur Erzeugung eines stoffschlüssigen Verbundes beim Verbundfließpressen bedarf es während der Umformung einer hinreichend großen Oberflächenvergrößerung sowie eines hohen Kontaktdrucks zwischen den beiden Komponenten. Durch den Einsatz numerischer Simulationen kann geprüft werden, unter welchen fertigungstechnischen Bedingungen die genannten Voraussetzungen erreicht werden können.
In die Verbundwellen eingebrachte Hinterschnitte auf Mikro- oder Makroebene erlauben die formschlüssige Fixierung des Kerns zur schlupffreien Übertragung von Drehmomenten. Die erreichbaren Verbundfestigkeiten werden hierbei ebenfalls mittels Push-Out-Tests bestimmt. Abschließende Untersuchungen zeigen die Übertragbarkeit der entwickelten Technologien auf alternative Werkstoffpaarungen.

Peter Sieczkarek

Inkrementelle Blechmassivumformung

Im Hinblick auf die Herstellung gewichtsangepasster Bauteile mit identischer oder verbesserter Belastbarkeit sowie einer gesteigerten Funktionsintegration wird die Produktions- und Umformtechnik vor grundsätzlich neue Herausforderungen gestellt. Der Trend einer stetig zunehmenden Variantenvielfalt sowie Produktdiversifikation fordert zudem individualisierte Komponenten und damit auch flexible Fertigungsprozesse. Um diesen zunehmenden Anforderungen, insbesondere aus dem Automobilbereich, gerecht zu werden, wurde im Rahmen dieser Arbeit eine neuartige Fertigungstechnologie, die inkrementelle Blechmassivumformung (iBMU) grundlegend untersucht. Die iBMU wird definiert als die inkrementelle Umformung von Blechen mit gezielt kontrolliertem dreidimensionalen Werkstofffluss. Dazu werden Massivumformprozesse inkrementell und lokal begrenzt auf Blechwerkstoffe mit Ausgangsdicken zwischen 2 bis 3 mm angewandt. Ein charakteristisches Merkmal ist die kleine Umformzone im Vergleich zum Werkstückvolumen, wodurch geringere Umformkräfte erforderlich sind. Die Schlüsselinnovation liegt in einer gezielten Steuerung des Werkstoffflusses im Rahmen einer Sequenz von Einzelprozessen. Die experimentelle Prozessanalyse erfolgt dabei mittels einer neuartigen Mehrachspresse, mit der unterschiedliche Umformoperationen in nahezu beliebiger zeitlicher und räumlicher Anordnung durchführbar sind.
Die lokale Einstellung der Werkstückkontur, der Blechstärke und der Kaltverfestigung anhand individueller Vorgaben kennzeichnen die wesentlichen Möglichkeiten dieses Verfahrens. Für das grundlegende Prozessverständnis wurden analytische Modelle entwickelt, die einen physikalischen Einblick in die Umformmechanik sowie eine Abschätzung der erforderlichen Umformkräfte ermöglichen. Im Rahmen der Verfahrensentwicklung zum inkrementellen Verzahnen am Blechrand wurden entsprechende Werkzeugsysteme realisiert, die eine notwendige Einschränkung des Werkstoffflusses durch eine geeignete Kammerung des Werkstücks ermöglichen. Die daraus resultierenden Herausforderungen in Bezug auf eine hohe Belastung der Verzahnungswerkzeuge sowie eine unzureichende Formfüllung der ausgeformten Funktionselemente konnten im Rahmen dieser Arbeit gelöst werden.

Sammer Alkas Yonan

Inkrementelle Kaltumformung von Thermoplasten

Herkömmliche Verfahren zur Herstellung von Produkten aus Thermoplasten basieren auf einer Erwärmung des Halbzeugs bis zur Erweichungstemperatur oder knapp darunter, Formgebung und Erstarrung. Diese Verfahren sind wegen der Werkzeugbindung erst bei großen Stückzahlen wirtschaftlich. Die erforderlichen Drücke, Erwärmungs- und Kühlungsapparate benötigen zudem große Umformmaschinen. Die inkrementelle Umformung bietet eine Möglichkeit zur Herstellung von Thermoplast-Bauteilen bei Raumtemperatur und mit geringer oder ohne Werkzeugbindung. Bei der Verfahrensvariante ohne Gegenwerkzeug wird die Bauteilkontur durch die Bewegung eines stiftförmigen Werkzeugs entlang einer vorgegebenen Bahn sukzessive hergestellt. Die Notwendigkeit der Anschaffung von Sondermaschinen entfällt, da bereits vorhandene CNC-Universalfräsmaschinen für den Einsatz als inkrementelle Umformmaschine umrüstbar sind.
Das Ziel dieser Arbeit ist die Analyse und Entwicklung des inkrementellen Kaltumformverfahrens für Thermoplaste, um einen Beitrag zu dessen Etablierung als Alternative für den Prototypenbau und die Kleinserienfertigung zu leisten. Um dieses Ziel zu erreichen werden grundlegende Untersuchungen hinsichtlich der Kaltumformbarkeit von Thermoplasten sowie experimentelle und numerische Untersuchungen der inkrementellen Umformung durchgeführt. Basierend auf den erlangten Kenntnissen wird ein Prozessfenster aufgestellt, welches eine sichere Prozessauslegung ermöglicht. Die Finite-Elemente-Analyse mit dem im Rahmen dieser Arbeit entwickelten viskoplastischen Werkstoffmodell offenbart unter anderem den Spannungs- und Formänderungszustand sowie die Umformmechanismen während der Umformung. Ferner wird die Anwendung mehrstufiger Umformstrategie zur Erweiterung der Prozessgrenze Zargenwinkel demonstriert.

Goran Grzancic

Verfahrensentwicklung und Grundlagenuntersuchungen zum Inkrementellen Profilumformen

In Zeiten hoher Produktdiversifikation, insbesondere angetrieben durch individuelle, kundenspezifische Produktgestaltung, ist ein Anstieg der Variantenvielfalt von Produkten in vielen Industriezweigen zu beobachten. Die an die jeweiligen Fertigungssysteme und -prozesse gestellten Anforderungen ändern sich dahingehend, dass eine wesentlich höhere Fertigungsflexibilität notwendig ist. Diese Forderung wirkt sich ebenfalls auf die Herstellung von Profilen aus. Zusätzlich besteht hierbei allerdings der Bedarf an gewichtsoptimierten Strukturen, die einen wesentlichen Beitrag zum Leichtbau leisten. Großes Potenzial, den beiden Anforderungen gerecht zu werden, weist das neuartige Verfahrensprinzip des Inkrementellen Profilumformens auf.
Um das Potenzial nutzbar zu machen, ist der Aufbau eines physikalischen Prozessverständnisses notwendig. Diesbezüglich erfolgt im Rahmen dieser Arbeit zunächst die systematische Entwicklung einer entsprechenden Maschinentechnologie. Darauf aufbauend wird die im Fokus dieser Arbeit liegende Prozessanalyse durchgeführt, in der zunächst die physikalischen Grundlagen des Umformprozesses erarbeitet werden. Dabei wird ein analytisches Prozessmodell zur Vorhersage der Formänderungen sowie zur Berechnung der wirkenden Prozesskräfte entwickelt und mit experimentellen sowie numerischen Untersuchungen validiert. Neben den Prozessbetrachtungen erfolgt anschließend eine Analyse der Bauteileigenschaften. Zum einen wird ein Verständnis des komplexen Rückfederungsverhaltens im Profilbauteil entwickelt. Zum anderen wird mithilfe alternativer Prozessführungsstrategien sowie weiterer Werkzeugkonzepte eine signifikante Steigerung der Bauteilgenauigkeit sowie der Oberflächengüte erzielt. Abschließend wird anhand von Machbarkeitsstudien sowie durch das Entwickeln weiterer Technologiekonzepte das große Potenzial des Inkrementellen Profilumformens hinsichtlich der flexiblen Einsetzbarkeit sowie der großen Bauteilvielfalt nachgewiesen.

Hui Chen

Granular medium-based tube press hardening

Using granular materials as forming medium enables the press hardening process for tubes and profiles. However, granular material is a conglomeration of macroscopic particles unlike a fluid medium that possesses hydrostatic properties. The aim of this thesis is to investigate the physical concept of this new metal forming process, work out and extend the process limit. First, the performance of granular material as working medium and the principle of choosing appropriate granular material is identified. A calibration procedure for the material model of granular material is introduced based on the characterization strategy of using instrumented die compaction tests and high-pressure direct shear tests. The flow behavior of 22MnB5 material, which is essential for process numerical modelling, is characterized by a self-designed hot tensile test. For a better understanding of the pressure transferring mechanism, an analytical model is developed. A fully-coupled thermal-mechanical FE model of granular medium-based tube press hardening is established. Press hardening experiments for a T-shape 22MnB5 tube using granular material as forming medium are carried out. In order to specify the process limit of using granular materials as forming medium, axisymmetric tube press hardening experiments are designed and conducted as an example to define the process windows by FE simulation and experimental investigations. This thesis establishes the required fundamental knowledge for an innovative granular medium-based tube press hardening process. Also, an alternative process of passive forming is proposed. The potential of producing high strength and high stiffness components offers the applications of lightweight construction in the automotive industry.

Dominik May

Globally Competent Engineers
Internationalisierung der Ingenieurausbildung am Beispiel der Produktionstechnik

Für Absolventinnen und Absolventen der Ingenieurwissenschaften kommt der Fähigkeit, in internationalen Zusammenhängen zu denken und zu handeln, eine zunehmend bedeutende Rolle zu. Die Vorbereitung darauf ist daher eine Herausforderung heutiger Lehr-Lernentwicklung.
Im Fokus dieser Arbeit steht die empirisch basierte Entwicklung, Durchführung und Evaluation einer Lehrveranstaltung im Bereich Produktionstechnik. Ausgehend vom Status quo in diesem Bereich und unter Berücksichtigung hochschuldidaktischer Modelle wird mithilfe einer Literaturstudie sowie Expertenbefragung ein ingenieurspezifisches Modell interkultureller Kompetenz entwickelt. Im Rahmen eines internationalen Online-Kurses wird das entwickelte Modell mithilfe onlinebasierter Kommunikationsmedien sowie der Einbindung einer teleoperativen Prüfzelle am IUL auf ein konkretes Beispiel übertragen. Im Rahmen eines umfassenden Evaluationsansatzes, welcher sowohl die Entwicklung interkultureller Kompetenz als auch die Nutzung der Prüfzelle betrachtet, wird mithilfe von Fragebögen und Beobachtungen die Zielerreichung nachgewiesen.

Siu Ping Afonichev

Numerische Simulation der Umformung von Sandwichblechen unter Berücksichtigung großer Krümmungen

Der Einsatz von Metall-Kunststoff-Metall-Sandwichblechen in der Karosserie erfordert eine geeignete Simulationsmethodik, damit ein Methodenplaner den Fertigungsprozess korrekt auslegen kann. Aufgrund des Mehrschichtaufbaus mit weicher Kernschicht ist für den Sandwichwerkstoff ein anderes Verhalten gegenüber monolithischem Werkstoff bei der Verarbeitung zu beobachten. Das besondere Verhalten zeigt sich vor allem im Bereich starker Krümmung wie sie zum Beispiel beim Falzen oder bei der Faltenbildung auftreten. Um dieses Verhalten zu berücksichtigen, muss das Modell zur Abbildung der Sandwichstruktur geeignet gewählt werden. Die Mechanik des Sandwichverhaltens durch enge Krümmungen mit kleinen Radien reduziert sich auf das Biege- und Beulverhalten der vorliegenden Sandwichstruktur. Der Schwerpunkt der Arbeit liegt zum einen in der mechanischen Charakterisierung des Sandwichbleches bei Biege- und Beulvorgängen. Die Analyse zeigt, dass sich das Sandwichblech aufgrund der weichen Kunststoffkernschicht biegeweicher bzw. beulsensitiver gegenüber metallischen Vollblechen verhält. Zum anderen beschäftigt sich die Arbeit mit der Umformsimulation von Sandwichblechen. Dabei liegt der Fokus auf die Untersuchung des Verhaltens bei starken Krümmungen wie sie beim Falzen oder auch bei der Faltenbildung auftreten. In solchen Fällen vermag eine schichtweise Modellierung der Sandwichstruktur das Verhalten am besten nachzubilden. Vereinfachte Modellierungen, die die Materialkennwerte und die Schichtverschiebungen über die Gesamtdicke mitteln und damit verschmieren, vermögen die Machbarkeit von Bauteilen global vorherzusagen.

Georgios Georgiadis

Hot stamping of thin-walled steel components

In recent years, hot stamping has been established as a standard process for mass manufacturing of various crash-relevant body-in-white components, as a result of the rising demand for car body's weight reduction and crashworthiness increase. To further exploit the lightweight potential of this forming technology, investigations on the hot stamping of thin-walled boron-manganese steel components were conducted in this thesis.
A sensitivity analysis of the entire process chain towards the sheets thickness was carried out. The flow behavior and the formability were analyzed under different thermal conditions and the effect of diverse influential parameters was evaluated. For this purpose, a novel experimental method was introduced, able to mimic industrial conditions. The research results and outcomes were validated by manufacturing and analyzing two thin hot stamped components, a demonstrator and a real-life automotive component. Finally, it was demonstrated that hot stamping of thin-walled boron-manganese steel components is feasible if the process chain is optimally designed and the process parameters properly adjusted.

Lars Hiegemann

Glattwalzen beschichteter Oberflächen

Glattwalzen dient dem Nachbearbeiten von Oberflächen, indem diese durch ein Umformen der Rauheitsspitzen eingeebnet werden. In dieser Arbeit wird der Walzprozess genutzt, um die Oberfläche von thermisch gespritzten Hartmetall-Beschichtungen zu glätten. Dieses erfolgt vor dem Hintergrund, das tribologische Verhalten der Oberflächen zu verbessern bzw. an deren Einsatzzweck anzupassen. Hierzu werden zunächst die mikroskopischen Umformvorgänge an einzelnen Rauheitsspitzen und anschließend die makroskopischen Vorgänge zwischen Walzkugel und beschichteter Oberfläche betrachtet. Dieses mündet letztendlich in einem mathematischen Modell, welches es ermöglicht, die Rauheit nach einem Glattwalzprozess vorauszusagen und damit den Walzprozess auszulegen. Somit wird die Voraussetzung geschaffen, zukünftig auf umfangreiche experimentelle Vorversuche des Glattwalzprozesses verzichten zu können. Um auch die Auswirkungen erhöhter Walzgeschwindigkeiten auf das Walzergebnis untersuchen zu können sowie die Bearbeitungszeit zu verkürzen, wird ein neu entwickeltes Walzwerkzeug vorgestellt, welches die Rotation einer Frässpindel mit deren Vorschub überlagert. Im Hinblick auf das Reibverhalten der Beschichtungen führt die walztechnische Nachbearbeitung zu einer starken Verringerung des Reibungskoeffizienten. Ein mögliches Anwendungsfeld einer solchen glattgewalzten, thermisch gespritzten Beschichtung stellen die Oberflächen von Tiefziehwerkzeugen dar. Vor diesem Hintergrund wird gezeigt, dass das Glattwalzen sowohl das Prozessfenster für den Tiefziehprozess vergrößert und die Prozesskräfte verringert als auch die Oberflächenqualität der produzierten Bauteile verbessert.

Lin Chen

An Investigation of Failure Mechanisms in Forming of Monolithic and Composite Sheets

The forming behavior of the novel lightweight construction, e.g. advanced high strength steel and composite sheets, gains more and more attention. This thesis aims to investigate the failure mechanisms of DP1000, CP1000, aluminum alloy and an aluminum/low density polyethylene half sandwich sheet in blanking and bending.
Firstly the shear-enhanced Lemaitre's damage model, Drucker-Prager model and the cohesive zone model are chosen for describing the mechanical behavior of monolithic metallic sheet, the polymer sheet and the adhesive of the aluminum/low density polyethylene half sandwich sheet, respectively. These materials are fully characterized by means of tensile tests, in plane torsion tests, compression tests and delamination tests. An inverse parameter identification procedure is successfully applied.
Then the microstructure deterioration of DP1000 and CP1000 under tensile and shear stress state is examined and compared to explain their different mechanical behavior.
After that the characterized material model is applied in blanking of DP1000 and AA6082-T6 sheets with three punch-die clearances. Influence of blanking conditions on sheared part morphology is detected. The mechanical behavior of Al/LDPE half sandwich sheet in blanking process is also investigated. With the help of fully characterized FE model of half sandwich sheet the influence of cutting clearance on the cutting force-displacement curves and cutting edge morphology is studied experimentally and numerically. The imperfection of the experimental cutting edge is quantitatively described by three feature values. The stress state of the half sandwich structure during blanking is investigated and compared with that of monolithic metal sheet.

Hamad ul Hassan

Springback in deep drawing – Accurate prediction and reduction

One of the main problems in the field of deep drawing is springback. After the deep drawing process, the parts are unloaded which results in the deviation of the formed part from the desired geometry due to elastic strains. This springback must be predicted accurately and reduced efficiently to avoid problems later in the assembly stage. If not coped properly, it can lead to unwanted increase in cost and time delays due to tool reworking. Prediction of the springback is normally carried out by finite element (FE) analysis using a single stress-strain curve that is expected to reproduce the material behavior over a wide range of strains. However, the application of single stress-strain curve for the springback prediction has shown limited potential for complex parts. In addition, the springback reduction based on increase of the constant blankholder force is limited.
In the scope of this research work a strategy of application of multiple stress-strain curves in finite element simulations for accurate springback prediction is presented. It is also shown that the variation of the blankholder force during the deep drawing process leads to a smaller springback.

Christian Pleul

Das Labor als Lehr-Lern-Umgebung in der Umformtechnik
Entwicklungsstrategie und hochschuldidaktisches Modell
In dieser Arbeit wird die Entwicklung und Durchführung einer Laborveranstaltung für die Fertigungstechnik Umformtechnik gezeigt. Ausgehend von einer systemischen Betrachtung des Umformens, basiert das Veranstaltungskonzept auf der konzeptionellen Darstellung des Umformprozesses anhand der analytischen Auseinandersetzung. Anhand des systematischen Entwurfs erfolgt die Kombination

• eines ingenieurtypischen, strukturierten Vorgehens für die Bearbeitung eines authentischen Sachverhaltes bis zur Problemlösung mit
• der fachbezogenen didaktischen Ausgestaltung zum erfahrungs- und problembasierten Lernen in studierendenzentrierter und kompetenzorientierter Ausrichtung
   

Gerd Sebastiani

Erweiterung der Prozessgrenzen inkrementeller Blechumformverfahren mittels flexibler Werkzeuge

Wodurch lassen sich die hohen Formänderungen bei der inkrementellen Blechumformung erzielen?
Die vorliegende Arbeit geht dieser Frage nach und beschreibt die Analyse der mechanischen Wirkprinzipien, um, auf der Basis einer mechanischen Modellierung, Werkzeugkonzepte zur Verstärkung genannter Wirkprinzipien zu entwickeln.
Dazu werden Messverfahren entwickelt mit deren Hilfe der Deformationsverlauf in der Umformzone analysiert werden kann. Auf der Basis der hierbei gewonnenen Erkenntnisse wird ein mechanisches Modell des Prozesses erstellt. Die Erhöhung der Formänderungsgrenzen wird durch die Entwicklung unterstützender Werkzeuge erreicht, deren Wirksamkeit an Fallbeispielen verifiziert wird.
Die notwendige geringe Werkzeugbindung des Prototyping-Prozesses wird durch das Werkzeugkonzept FlexDie realisiert, welches in einer Fallstudie in Bezug auf die erzielbare Baulteilqualität und hinsichtlich technisch-wirtschaftlicher Aspekte optimiert wird.

Sheng Cai
Tailored and double-direction pressure distributions for vaporizing-foil forming

Metal forming by vaporizing foils is an innovative impulsive forming method which requires no electrical conductivity of the workpiece and no expensive coils. The aim of this thesis is to develop innovative pressure distributions by vaporizing foils in order to improve the forming accuracy and the manufacturing productivity.

Andres Weinrich Mora
Das Freibiegen mit inkrementeller Spannungsüberlagerung

Blechbiegeverfahren werden durch eine stark ausgeprägte Rückfederung charakterisiert. Mit der inkrementellen Spannungsüberlagerung beim Freibiegen wird eine Möglichkeit geboten, die Rückfederung bei einer hohen Flexibilität in der Fertigung zu reduzieren.
Zunächst wird ein analytisches Modell des Querkraftbiegens erweitert, indem das nichtlineare Fließverhalten berücksichtig wird. Aufbauend auf diesem Modell wird ein Freibiegemodell ausgearbeitet. Mit diesem Modell können die Rückfederung und die Eigenspannungen beim Freibeigen ermittelt werden. Der Fokus dieser Arbeit ist die Analyse des oben genannten Verfahrens. Dazu wird ein analytisches Modell der Spannungsüberlagerung ausgearbeitet und mit einem FE-Modell verifiziert. Neben der Analyse der Spannungszustände wird der Einfluss der inkrementellen Spannungsüberlagerung auf die Rückfederung experimentell untersucht. Anschließend wird eine Berechnungsmethode zur Prozessvorhersage basierend auf den zuvor vorgestellten Modellen erarbeitet.
Das Verfahrenspotenzial wird durch den Vergleich der erforderlichen Umformenergie und der resultierenden Rückfederungskompensation mit bereits etablierten und weitverbreiteten Verfahren, die ebenfalls eine Spannungsüberlagerung verwenden, dargestellt.
Sowohl der Einsatz des Verfahrens bei belastungsangepassten Platinen als auch die Möglichkeit zur Erweiterung der Formänderungsgrenzen bei Werkstoffen mit geringer Duktilität werden ebenfalls untersucht.
Die Ergebnisse der vorliegenden Dissertation ermöglichen die Spannungszustände und die Rückfederung infolge der Spannungsüberlagerung mathematisch abzubilden. Darüber hinaus zeigen die Untersuchungen weitere positive Aspekte des Verfahrens bei modernen Werkstoffkonzepten und Werkstoffen mit geringer Duktilität auf.

Strangpressen partiell verstärkter Aluminiumprofile

Das vielversprechende neuartige, partielle Verbundstrangpressen, welches in dieser Arbeit untersucht wird, bietet die Möglichkeit Strangpressbauteile mit verbessertem effektiven Gewicht herzustellen. Das Portfolio an Strangpressprozessen wird hierdurch erweitert. Durch den Prozess können Aluminiumstrangpressblöcke mit hoch festen Werkstoffen unter Verwendung von konventionellen Strangpressmatrizen kombiniert werden. Das Verfahren bietet die Möglichkeit Verstärkungselemente diskontinuierlich in den Strang einzubringen. Hierfür werden die Strangpressblöcke mit Bohrlöchern versehen und hoch feste Werkstoffe in Form von z. B. Zylinder eingesetzt.
Experimentelle und numerische Analysen des Werkstoffflusses zeigen, dass die Verstärkungselemente durch die Haftung zwischen Verstärkungselement und Aluminiummatrix mitgezogen werden. Die Verstärkungselemente, welche zunächst Stirnfläche an Stirnfläche im Block liegen, trennen sich durch den auftretenden, prozessbedingten Geschwindigkeitsgradienten im Aluminium. Es wird gezeigt, dass sich die radiale Lage der Verstärkungselemente in Abhängigkeit vom Querschnittsflächenverhältnis, einer paarweisen oder einzelnen Anordnung und der Lage im Block mit einer analytischen Betrachtung vorausberechnen lässt. Darüber hinaus werden neben vollständig im Profil eingebetteten Verstärkungselementen drei charakteristische Versagensfälle - Hohlraumbildung, lokale Plastifizierung und Rotation - in Bezug auf die Einbettung identifiziert. Am Beispiel von zylinderförmigen Verstärkungselementen werden zwei Prozessfenster für zentrisch und exzentrisch positionierte Verstärkungselemente vorgestellt. Am Schluss der Arbeit wird die Weiterverarbeitung der partiell verstärkten Strangpressprofile zu einer Pleuelstange durch Hybridschmieden gezeigt.

Stephan Hänisch
Verzugsanalyse kaltmassivumgeformter und wärmebehandelter Bauteile

Bei dem verbreiteten Fertigungsverfahren der Kaltmassivumformung können im Zuge einer häufig nachgeschalteten Wärmebehandlung unerwünschte Maß- und Formänderungen der Werkstücke auftreten. Die Ursachen dieses Bauteilverzuges und die Auswirkungen verschiedener Einflussfaktoren sind bis heute nicht eindeutig geklärt. Im Rahmen der hier vorliegenden Arbeit werden die Wirkzusammenhänge zwischen Kaltmassivumformung, Wärmebehandlung und Verzug anhand des Voll-Vorwärts-Fließpressens analysiert.
In umfangreichen Versuchsreihen wurden einzelne Parameter entlang der Prozesskette - von der Werkstoffauswahl über das Fließpressen bis zur abschließenden Wärmebehandlung - variiert und parallel die Bauteileigenschaften untersucht. Anhand der ermittelten Geometrieänderungen zwischen den einzelnen Prozessschritten können die Auswirkungen der verschiedenen Einflussfaktoren abgeleitet und ihre Signifikanz auf den Verzug bestimmt werden. Neben den experimentellen Arbeiten werden durch numerische Untersuchungen mit zwei- und dreidimensionalen FEM-Modellen die Eigenspannungen nach der Kaltmassivumformung als Verzugspotenzialträger analysiert und die Auswirkungen asymmetrischer Störeinflüsse sowohl auf die Eigenspannungsverteilung als auch auf die Formabweichung ermittelt.
Es kann gezeigt werden, dass neben Werkstoff, Schmierstoff und Umformgrad insbesondere die Abkühlgeschwindigkeiten beim Einsatzhärten einen Einfluss auf den Verzug besitzen und die Einflussgrößen teilweise in Wechselwirkung stehen. Ausgehend von den gewonnenen Erkenntnissen werden Ansätze zur Minderung des Verzugs vorgeschlagen.

Ahmet Güzel
Microstructure Evolution during Thermomechanical Multi-Step Processing

In order to meet the demands of specific mechanical properties and to introduce additional functional elements in the geometry of the extruded profiles, subsequent forming processes are required. Utilization of electromagnetic forming subsequent to hot aluminum extrusion to manufacture functionally graded extrusion profiles is an innovative forming technology.
The large deformations, intermediate to very extreme strain rates and elevated temperatures, which characterize the process chain of hot extrusion and subsequent electromagnetic compression, lead to a complex development in the microstructure which is linked to the mechanical properties of the material. The evolution of the microstructure during thermomechanical multi-step processing of extruded aluminum profiles has not been investigated explicitly. The main aim of this research was to investigate the effect of thermomechanical processing conditions on the microstructure evolution for a wide range of plastic strain rates.
First, the microstructural evolution during the hot direct extrusion of EN AW-6082 was investigated. A novel experimental approach was introduced, which preserves the dynamic evolution of grains by avoiding secondary recrystallization. Here, the dynamic grain structure evolution of a single material point was characterized by monitoring its migration along the flow line during extrusion. The resulting microstructure was related to the deformation history.
The effects of very high strain rates and temperatures on microstructural evolution under impulse loading conditions were analyzed and modelled as well. In order to predict the final microstructure of the thermomechanically processed material, the entire process chain was simulated based on the proposed dynamic recrystallization model.

Alper Güner
In-situ stress analysis with X-ray diffraction for yield locus determination

One of the main problems in the field of sheet metal characterization is the inhomogeneous deformation fields caused by edge effects in the specimens. Except the uniaxial tension test, other tests like the plane strain tension test or the Miyauchi test suffer from this fact. For this reason, the desired ideal deformation state can only be achieved in the middle of the gauge area of the specimens. The inhomogeneous strain field in the gauge zone can be captured by optical strain measurement methods nowadays. However for the calculation of the yield stresses globally acting tool forces and a single averaged value for the instantaneous gauge area are used. Hence the inhomogeneity is an error source for the analytical determination of yield stresses.
X-ray diffraction method is introduced to solve the problem caused by inhomogeneous deformation fields in the sheet specimens. In the proposed strategy, the strains on the specimen surface are captured by an optical measurement system during testing. At the same time the loading stresses in the gauge zone are measured by means of an X-ray diffractometer installed on a standard universal testing machine. With this method the stress-strain history of a material point on the specimen can be obtained throughout the test and this information is used to construct the yield locus of materials.

Christian Weddeling
Electromagnetic Form-Fit Joining

As a way to reduce a vehicle's weight, the application of space frame structures has been increasing. This innovative lightweight design concept is already commonly applied in the low volume production of cars. Due to the high stiffness and low mass, extruded aluminum profiles are particularly suitable for the manufacturing of such structures. But the potential for great weight reduction using space frames is curtailed by the difficulties associated with manufacturing the space frames. These structures have complex demands on joining technologies, and conventional processes often are pushed to their technological limits.
A promising alternative to connect extruded aluminum profiles without heating or penetration is joining by electromagnetic crimping. Compared to adhesive bonding and welding, the process also requires a less extensive preparation of the joining zone. This technique is characterized by the use of pulsed magnetic fields to form a profile made of an electrically conductivity material into form-fit elements, like grooves, of the other joining partner. Thereby, an interlock is generated which enables the load transfer.
A fundamental process understanding of the manufacturing and the load transfer of form-fit connections manufactured by electromagnetic crimping is developed in this thesis. Based on analytical, experimental, and numerical studies, major parameters are identified and their influence on the joining process and the achievable joint strength is analyzed. For the analytical investigations a continuous approach describing the manufacturing of the connections as well as the load transfer is introduced here. This model also facilitates the process and joining zone design of electromagnetically crimped connections.

Ramona Hölker
Additiv hergestellte Werkzeuge mit lokaler Innenkühlung zur Produktivitätssteigerung beim Aluminium-Strangpressen

Beim Strangpressen von Aluminiumlegierungen können mit zunehmender Pressgeschwindigkeit und der damit verbundenen Erhöhung der Werkstücktemperatur Oberflächenfehler wie Heißrisse und grobes Korngefüge entstehen. Der Arbeitsbereich wird hierdurch eingeschränkt. Die lokale Werkzeuginnenkühlung bietet ein großes Potenzial zur Steigerung der Produktivität beim Aluminium-Strangpressen. Mit steigender Geometriekomplexität des zu fertigenden Strangpressprofils bzw. -werkzeugs ist das Einbringen von der Werkzeugkontur folgenden, oberflächennahen Kühlkanälen mittels konventioneller Fertigungsverfahren nicht möglich. Der Einsatz von Rapid-Tooling-Verfahren stellt einen vielversprechenden Ansatz zur Überwindung dieser Problematik dar.
Gegenstand der Arbeit ist die Entwicklung neuer Strangpresswerkzeuge mit oberflächennahen Kühlkanälen, die mittels Rapid-Tooling-Verfahren hergestellt werden, und die Untersuchung ihres Einsatzverhaltens, insbesondere im Hinblick auf die Steigerung der Pressgeschwindigkeit. Unterstützt durch numerische und analytische Methoden wurden die Werkzeuge ausgelegt und die Einflussparameter bei der neuartigen Werkzeugkühlung grundlegend untersucht. Für die Analyse der Auslegung der Kühlung bzw. zur Abschätzung der Werkstücktemperatur bei gegebenen Parametern wurde ein analytisches Modell zur Beschreibung des Wärmehaushalts unter Einsatz der Werkzeugkühlung erarbeitet.
Über den Einsatz der lokalen Werkzeugkühlung beim Strangpressen ist eine deutliche Steigerung der Produktionsgeschwindigkeit möglich. Durch die Lokalisierung der Kühlung auf den Bereich nahe der Umformzone steigt die Presskraft dabei sowohl im Vergleich zu Referenzpressungen ohne Werkzeugkühlung als auch im Vergleich zum Pressen mit niedriger vorerwärmten Blöcken nur unterproportional an.

Christoph Becker
Inkrementelles Rohrumformen von hochfesten Werkstoffen

Im Rahmen dieser Arbeit wird ein Umformverfahren gezeigt, welches gebogene Rohre aus hochfesten Werkstoffen herstellen kann. Das sogenannte inkrementelle Rohrumformen kann neben der Erzeugung des gebogenen Bauteils dieses auch mit einem variierenden Durchmesser über dessen Längsachse versehen. Das inkrementelle Rohrumformen ist eine Kombination aus einem Rohrbiegeprozess und einem Drückprozess. Aufgrund dieser Prozessüberlagerung können verschiedenste Prozesscharakteristiken beobachtet werden. Insbesondere das verminderte Biegemoment und somit die verminderte Rückfederung, verglichen mit konventionellen Biegeprozessen, stehen im Fokus der Arbeit. Zunächst wird basierend auf grundlegenden Verfahrensbetrachtungen ein neuartiges Maschinensystem für das inkrementelle Rohrumformen vorgestellt. Daraufhin wird der Effekt des reduzierten Biegemomentes sowie der reduzierten Rückfederung mithilfe von experimentellen, analytischen sowie numerischen Betrachtungen untersucht. Es wird gezeigt, dass sich diese Effekte durch das erzeugte Prozessmodell abbilden lassen. Weiterhin wird der Einfluss des Prozesses auf die Wandstärke des gebogenen Rohrs untersucht. Es kann gezeigt werden, dass mithilfe des inkrementellen Rohrumformens die Wandstärke gezielt eingestellt werden kann. Abschließend werden mögliche Anwendungsbeispiele dargestellt, welche die Vorteile des Verfahrens gegenüber konventionellen Biegeverfahren zeigen.
Diese Arbeit stellt somit eine grundlegende Betrachtung des inkrementellen Rohrumformens dar. Die beobachteten und untersuchten Effekte einer Prozessüberlagerung lassen sich auch weiterführend auf ähnliche Umformprozesse übertragen.

Qing Yin
Verfestigungs- und Schädigungsverhalten von Blechwerkstoffen im ebenen Torsionsversuch

Der ebene Torsionsversuch ist ein Prüfverfahren für Blechwerkstoffe zur Bestimmung der Umformeigenschaften unter Scherbelastungen. Dieser Versuch hat den Vorteil, dass hohe Deformationen messbar sind. Zudem ist die Beanspruchung der Probe frei von störenden Kerbeffekten. Dennoch ist der ebene Torsionsversuch ein bisher selten verwendetes Verfahren, da die verfügbaren Auswertungsmethoden sehr aufwendig sind. Das Ziel der vorliegenden Dissertation ist die Erarbeitung von neuen Prüf- und Auswertungsmethoden zur Etablierung dieses bisher selten genutzten Prüfverfahrens sowie die Erschließung weiterer Anwendungsmöglichkeiten.
Im ersten Schritt werden zwei grundlegende Auswertungsmethoden eingeführt, die nachgeschaltete Dehnungsmessung und die kontinuierliche Dehnungsmessung. Beide Methoden basieren auf optischer Messtechnik. Die nachgeschaltete Dehnungsmessung ermöglicht die Ermittlung einer vollständigen Fließkurve durch die alleinige Messung des finalen Deformationszustandes. Hierbei ist der Messaufwand gering. Insbesondere für duktile Werkstoffe können hohe Umformgrade bis 1,0 gemessen werden, sodass eine Extrapolation der Fließkurve nicht mehr notwendig ist. Mithilfe der kontinuierlichen Dehnungsmessung kann auf effiziente Weise eine Vielzahl von zyklischen Spannungs-Dehnungs-Verläufen aus einer einzigen Messung extrahiert werden. Somit sind zyklische Scherkurven mit unterschiedlichen Dehnungsamplituden simultan in einem Versuch ermittelbar.

Matthias Haase
Mechanical Properties Improvement in Chip Extrusion with Integrated Equal Channel Angular Pressing

The direct conversion of aluminum alloy machining chips into finished or semi-finished products by hot extrusion is a promising approach to improve the energy balance of aluminum recycling and to overcome the problem of material loss during remelting. The aluminum chips are compacted to chip-based billets and extruded at an elevated temperature to chip-based aluminum extrudates. However, the mechanical properties of chip-based aluminum extrudates produced with conventional extrusion dies are often inferior compared to those of extruded cast billets. Critical factors to achieve sound bonding of the chips and therefore favorable mechanical properties of the chip-based extrudates, are the shear, pressure and strain affecting the chips during the extrusion process.

Daniel Pietzka
Erweiterung des Verbundstrangpressens zu höheren Verstärkungsanteilen und funktionalen Verbunden

Der Ausstoß des Klimagases CO2 und der Verbrauch natürlicher Energiequellen führen im Transportwesen zu steigenden Leichtbaubestrebungen, um das Fahrzeuggewicht zu reduzieren. Ein möglicher Ansatz ist die Verwendung von Verbundwerkstoffen. Durch einen Verbund können Werkstoffe mit unterschiedlichen Eigenschaften vorteilhaft miteinander kombiniert werden. Ein vielversprechendes Verfahren zur Herstellung von endlos verstärkten Aluminiumprofilen ist das Verbundstrangpressen. Es werden dabei Verstärkungselemente in spezielle Kammerwerkzeuge geführt, die sich im Werkzeuginneren mit dem Aluminiumblockwerkstoff verbinden. Für Leichtbauwendungen ist bei dem Verfahren ein hoher Anteil der Verstärkungselemente im Profilquerschnitt anzustreben. Allerdings haben die Verstärkungselemente einen Einfluss auf den Prozess, wodurch der maximale Verstärkungsanteil begrenzt ist. Das Hauptziel der vorliegenden Arbeit ist, ein Prozessverständnis, abhängig vom Verstärkungsanteil, zu erlangen. Für die Umsetzung wird der Einfluss der Verstärkungselemente auf den Werkstofffluss und die resultierende Stempelkraft experimentell und numerisch analysiert. Ein analytisches Modell zur Beschreibung der Stempelkraft für das Verbundstrangpressen wurde abgeleitet.

Volkan Güley
Recycling of Aluminum Chips by Hot Extrusion

Recycling of aluminum chips by hot extrusion is a metal forming technique, which requires considerably less energy than conventional recycling by remelting. The aluminum chips sorted by alloy type were first chemically washed in a mid-alkaline bath and then completely dried in an industrial furnace, compacted to billets, heated up to extrusion temperature and directly extruded into finished products without remelting. This method utilizes not only significantly less energy compared to conventional recycling by remelting but also prevents the material loss that is typical in remelting of fine aluminum scrap in the form of chips.