3D-Surface Engineering für Werkzeugsysteme der Blechformteilefertigung


- Erzeugung, Modellierung, Bearbeitung -

 

Die Herstellung hochfester Formteile und Strukturelemente aus Blech für die Automobil- und Luftfahrtindustrie mittels umformtechnischer Fertigungsverfahren erfordert den Einsatz von besonders leistungsfähigen Werkzeugsystemen. Diese müssen einerseits hohe Standzeiten bei der Umformung von hochfesten Stahlblechen in der Mittel- bzw. Großserienfertigung gewährleisten können. Andererseits erfordert die Erzielung einer hohen und gleichbleibenden Bauteilqualität auch eine hohe Formgenauigkeit und Oberflächengüte bei den eingesetzten Werkzeugen. Diese Eigenschaften müssen die Werkzeuge, welche in der Regel eine sehr komplexe Geometrie aufweisen, auch über eine große Anzahl an Umformvorgängen erhalten. Die Entwicklung und Fertigung von Umformwerkzeugen ist ein äußerst zeit- und kostenintensiver Prozess. Ein frühzeitiger Werkzeugverschleiß führt nicht nur zum Verlust der Abbildungsgenauigkeit bei den Blechformteilen, sondern mit fortschreitendem Verschleiß auch zum Maschinenstillstand. Neben dem Austausch der Werkzeuge verursacht auch die Nacharbeit fehlerhaft geformter Blechteile z.T. erhebliche Kosten. Vor diesem Hintergrund ist es leicht ersichtlich, dass der optimalen Auslegung von Umformwerkzeugen, vor allem hinsichtlich ihrer Verschleißbeständigkeit und ihrer Abbildungsgenauigkeit, eine besondere Bedeutung zukommt.

Um der genannten Problemstellung entgegenzutreten, entwickelt und erforscht der Sonderforschungsbereich (SFB) 708 eine neuartige Fertigungsmethodik zur wirtschaftlichen und ressourcenschonenden Herstellung hochverschleißfester Werkzeugoberflächen für die Umformtechnik auf Basis konturnah applizierter thermisch gespritzter Schichten. Die Abbildung zeigt die Beschichtung eines segmentierten Umformwerkzeugs mittels des Hochgeschwindigkeitsflammspritzens feiner WC-12Co Pulver und vor- bzw. nachgelagerte Prozessschritte wie die Bahnplanung, Roboterprozessführung und die Nachbearbeitung der Schichtoberfläche.

 

 

Die neuartige Fertigungsmethode des „Augmented 3D-Surface-Engineering“ ist durch die zusätzliche durchgängige virtuelle Modellierung aller Fertigungsschritte gekennzeichnet. Der Zweck der virtuellen Modellierung ist die praktikable Verbindung eines breiten Spektrums von Fertigungsverfahren der Oberflächentechnik bestehend aus Fräsen, thermischen Spritzen, Walzen und Schleifen zu einer Fertigungsprozesskette sowie die simulationsbasierte Validierung des Umformens mit dem resultierenden Werkzeug. Die virtuelle Modellierung dient neben der iterationsarmen Herstellung eines qualitativ hochwertigen Werkzeugs der Reduktion, bzw. im Idealfall der völligen Elimination von Trial-and-Error-Versuchen. Das übergeordnete Ziel des SFB 708 ist die Realisierung des Augmented 3D-Surface-Engineering zur Herstellung von beschichteten Umformwerkzeugen. Damit ist eine Vielzahl zu lösender anspruchsvoller Forschungsfragen der Werkstofftechnik, der Fertigung, der Umformung, der mathemischen Modellierung, der Simulation und Optimierung sowie der effizienten Algorithmen und Datenstrukturen verbunden, die Gegenstand der Teilprojekte des SFB sind. Um dies zu ermöglichen, liegt die Besonderheit des SFBs in der interdisziplinären Zusammenarbeit zwischen Ingenieur- und Methodenwissenschaftlern aus den Bereichen Maschinenbau, Mathematik, Informatik und Statistik an der Technischen Universität Dortmund.