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Das Verstemmverfahren ist durch hohe Prozesskräfte gekennzeichnet, welche den Einsatz des Fügeverfahrens stark eingrenzen. Die Überlagerung mechanischer Füge- und Umformprozesse mit Ultraschall zeigt großes Potential Fügekräfte zu reduzieren und damit Prozessgrenzen zu erweitern. Mangelnde Prozesskenntnisse verhindern jedoch bislang die industrielle Anwendung ultraschallüberlagerter Verfahren. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein grundlegendes Prozessverständnis für den ultraschallüberlagerten Verstemmprozess an hochlegiertem Edelstahl erarbeitet und die kraftreduzierenden Wirkmechanismen der Schwingungsüberlagerung identifiziert. Durch die Ultraschallüberlagerung konnte dabei im Experiment die Prozesskraft um bis zu 59 %, bei vergleichbarer Verbindungsfestigkeit gesenkt werden. Die maßgeblichen Mechanismen der Kraftreduzierung konnten auf dynamische Einflüsse über das Superpositionsprinzip sowie tribologische Einflüsse durch eine verringerte Oberflächenreibung zurückgeführt werden. Überdies führt eine leichte Taumelbewegung des Umformstempels, bedingt durch die dynamische Anregung, für eine zusätzliche Reduzierung der Prozesskraft. In Kombination mit der vergleichbaren Verbindungsfestigkeit birgt die reduzierte Verstemmkraft ein beträchtliches Potential zur Erweiterung der Prozessgrenzen des Fügeverfahrens., The staking process is characterized by high process forces, which severely limit the use of the joining process. The superimposing of mechanical joining and forming processes with ultrasonics demonstrate great potential in reducing process forces, which could expand the process limits of the staking process. However, a lack of process knowledge has so far prevented the industrial application of ultrasonic superimposed processes. The central purpose of this thesis is a basic process understanding for the ultrasonic superimposed staking process on the high-alloy stainless steel and the identification of force-reducing mechanisms of the vibration superimposition. In the experiment, the superimposed ultrasonics led to a reduction in the process force up to 59 % and still having a comparable joint strength. Dynamic influences via the superposition principle and tribological influences due to reduced surface friction could be proven to be the decisive mechanisms for the force reduction. In addition, the slight wobbling movement of the forming punch ensures an additional reduction in the process force. The reduced staking force during establishing the joint connection in combination with the comparable resilience offers the considerable potential of expanding the process limits., FAU Studien aus dem Maschinenbau; 423

Die Gewinnung von Aluminium und seine Weiterverarbeitung zu Produkten ist mit einem hohen Energiebedarf und Treibhausgasemissionen verbunden. Andererseits führen die Folgen des Klimawandels zu verstärkten Anstrengungen in den Bereichen Energieeffizienz, Emissionsminderung und Ressourcenschonung. Das direkte Recycling ohne Wiedereinschmelzen ermöglicht Energie-, Treibhausgas- und Materialeinsparungen. Eine neue Prozesskette, bestehend aus dem Strangpressen von Aluminiumspänen zu einem zylindrischen offenen Profil und dem anschließendem Aufweiten und Walzen, zur Herstellung von Blechen aus EN AW-6060 Aluminiumspänen, wird vorgestellt. Die physikalischen Vorgänge bei der Verschweißung der Späne in den einzelnen Prozessschritten werden untersucht und eine Vorhersage der Verschweißqualität mit Hilfe eines analytischen Modells und numerischer Methoden berechnet. Die mechanischen Eigenschaften sowie die Mikrostruktur der spänebasierten Bleche werden untersucht und die Ergebnisse mit denen von Blechen auf Basis von konventionellen Gussblöcken verglichen. Die Bleche werden durch Biegen und Tiefziehen zu Biegeteilen und Näpfen weiterverarbeitet, um ihre Umformbarkeit zu ermitteln. Die Ergebnisse zeigen leichte Unterschiede in den Eigenschaften der spänebasierten Bleche, die eine Differenz von 2 – 10 % zu den gussbasierten Blechen haben. Die Analyse der Biegeteile bzw. der tiefgezogenen Näpfe zeigt keine signifikanten Unterschiede zwischen denen aus Spänen und denen aus Gussmaterial. Es kann festgestellt werden, dass ihr Potential zur weiteren plastischen Umformung gleich ist, was die neue Prozessroute zu einer ressourcenschonenden Alternative für die Herstellung von Produkten aus Aluminiumblechen macht., Dortmunder Umformtechnik;118

Flexible metal forming processes advance in association with the megatrend of mass customization. Kinematic processes provide high potential for product variations and production on demand, given by their degrees of freedom and a geometrically independent tooling. Incremental forming processes add up another variable by a freely adjustable density of incremental steps. Yet, both processes require an in-depth understanding to determine the process parameters in relation to the dimensional properties of the product. Incremental Swivel Bending (ISB) is a promising profile bending process which has been suggested in the past for a flexible production of structural parts from high-strength steels in the context of highly variable production demands with respect to derivatives as well as lot sizes. This thesis presents the development of a holistic analytical model to layout the kinematic process parameters of ISB, which is validated by numerical and practical bending increments. The results demonstrate the application of the process layout for incremental profile bending of variable arcs from a variety of high-strength materials. A solution for the characteristic optimization problem of incremental forming processes is developed for the key question if a target geometry should be manufactured in large but coarse steps or by rather small but numerous steps. In the light of a future-oriented highly variable production, the number of reconfigurations of the process parameters for flexible manufacturing technologies such as ISB will severely increase. The presented work provides a process model to layout these parameters for given product variants without the needs for empirical trial and error approaches. This allows to save time and preserve material resources in an industrial application of the ISB process., Die Entwicklung flexibler Umformprozesse wird durch den Megatrend der personalisierten Massenproduktion und den damit verbundenen immer kleineren Stückzahlen einzelner Produktderivate bis hin zum Unikat angetrieben. Kinematische Verfahren bieten aufgrund ihrer Freiheitsgrade und den geometrisch unspezifischen Werkzeugen ein hohes Potenzial für Produktvarianten. Durch die frei wählbare Dichte von Umformschritten besitzen inkrementelle Umformverfahren darüber hinaus noch eine weitere Prozessvariable. Beide Arten von Verfahren – kinematische und inkrementelle – erfordern ein tiefes Prozessverständnis, um die Verfahrensparameter in Abhängigkeit der Produktgeometrie auszulegen. Das Inkrementelle Schwenkbiegen (ISB) ist ein vielversprechendes Profilbiegeverfahren, das für die flexible Fertigung von Strukturteilen aus hochfesten Stählen im Rahmen einer variantenintensiven Fertigung vorgesehen ist. In dieser Arbeit wird die Entwicklung eines ganzheitlich analytischen Modells zur Auslegung der kinematischen Prozessparameter vorgestellt und durch numerische und praktische Biegeversuche validiert. Den wesentlichen Kern der Verfahrensbeschreibung stellt dabei die plasto-mechanische Modellierung des reibschlüssigen Umformens dar. Die Ergebnisse zeigen die Anwendbarkeit der Prozessauslegung auf das inkrementelle Profilbiegen von variablen Bögen aus verschiedenen hochfesten Werkstoffen. Für das charakteristische Optimierungsproblem bei inkrementellen Umformprozessen der lokal entstehenden Dehnung wird ein Lösungsansatz abgeleitet, ob die Geometrie eines herzustellenden Produkts in großen, groben Schritten oder in kleinen, zahlreichen Hüben gefertigt werden sollte. Im Hinblick auf eine individualisierte, flexible Produktion wird die Anzahl notwendiger Neukonfigurationen der Prozessparameter zukunftsweisender Fertigungstechniken wie dem ISB stark zunehmen. Die vorliegende Arbeit stellt ein Prozessmodell zur Verfügung, mit dem die Parameter für jede Produktvariante ausgelegt werden können, ohne dass empirische Trial-and-Error Ansätze erforderlich sind. Dies ermöglicht hohe Zeit- und Materialersparnisse in der industriellen Anwendung des ISB-Verfahrens.

Aktuelle gesellschaftliche und politische Forderungen an die Produktionstechnik wie Nachhaltigkeit und Klimaschutz können bei der Fertigung flächiger Bauteile durch innovative Blechumformverfahren erreicht werden. Durch geschickte Kombinationen von inkrementellen und elektromagnetischen Fertigungsverfahren besteht hier besonders großes Potential. Aus diesem Grund wird im Rahmen dieser Arbeit die Erweiterung der elektromagnetischen Umformung um einen inkrementellen Ansatz untersucht. Dazu wird ein geeigneter Versuchsaufbau entwickelt und für eine ausführliche Prozessanalyse genutzt. Zusätzlich werden effiziente numerische Prozessmodelle entwickelt um eine schnelle Bestimmung weiterer Prozessgrößen zu ermöglichen. Im Ergebnis resultieren Hinweise mit denen das neuartige Verfahren auf beliebige Bauteile angewendet werden kann.

A heating technology was combined with forming processes to enlarge the formable channel depth of metallic bipolar plates in two process routes. To apply a rapid heating process, electrical resistance heating was chosen and integrated into a forming tool. With a hot forming as well as a two-stage forming process with annealing, two different process routes are presented. According to the results, the technology of resistance heating is well suited for the improvement of the formable channel depth. For both process routes, an increase in forming depth was demonstrated. In hot forming, the channel depth could be improved by up to 50% depending on geometrical parameters of the tool as well as the state of temperature of the sheet. Zur Vergrößerung der umformbaren Kanaltiefe von metallischen Bipolarplatten wurde eine Erwärmungstechnologie mit dem Umformprozess kombiniert. Zur Anwendung eines schnellen Erwärmungsprozesses wurde die elektrische Widerstandserwärmung gewählt und in ein Umformwerkzeug integriert. Mit der Warmumformung sowie einem zweistufigen Umformprozess mit Zwischenglühen wurden zwei unterschiedliche Prozessrouten analysiert. Die Ergebnisse zeigen, dass die Technologie der Widerstandserwärmung für eine Verbesserung der umformbaren Kanaltiefe geeignet ist. Für beide Prozessrouten konnte eine Erhöhung der Umformtiefe nachgewiesen werden. Bei der Warmumformung konnte die Kanaltiefe in Abhängigkeit der geometrischen Parameter des Werkzeugs sowie des Temperaturzustands des Blechs um bis zu 50% verbessert werden.

Themenschwerpunkte: Moderne Walzstraßenkonzeptionen für neue Umformtechnologien und TMB-Strategien zur Herstellung von Walzdraht, Rechnergestützte Kalibrierung und Stichplanauslegung, Neue Technologien und Anlagen zum Ziehen von Draht, Anlagen und Technologien zur Wärmebehandlung von Draht, Umformtechnologien für neue Drahtwerkstoffe und Legierungen für Hochleistungsanwendungen, Prozessüberwachung und Qualitätssicherung in Prozessen der Drahtherstellung und -weiterverarbeitung, Mathematische Beschreibung der Umformprozesse und des Werkstoffverhaltens bei der Drahterzeugung und Weiterverarbeitung von Draht zu Anwendungen mit hohem Anforderungsprofil Conference topics: Modern rolling plant concepts for new forming technologies and thermo-mechanical treatment of rolled wires, Computer-aided roll-pass design and pass schedule development, New technologies and equipments for wire drawing, Systems and technologies for the heat treatment of wire forming technologies for new alloys and materials accounting for high-demand wire applications, Process monitoring and quality assurance in wire production and processing, Mathematical modelling of the deformation process and material behaviour during wire production, Post-processing of wire for high-demand applications, and Wire-based additive manufacturing

Ein effizienter Ressourceneinsatz hat vor dem Hintergrund einer wachsenden Weltbevölkerung und steigendem Bedarf nach Konsumgütern in den vergangenen Jahren zunehmend an Bedeutung gewonnen. Dies erfordert nachhaltigere und flexiblere industrielle Produktionsprozesse. Eine Strategie, um diesen Herausforderungen zu begegnen, ist der Einsatz neuartiger Fertigungsprozesse wie der additiven Fertigung. Die additive Fertigung bietet ein enormes Potential zur Flexibilisierung und Individualisierung von Produkten mit gesteigertem Mehrwert. Diese ist nach heutigem Stand allerdings mit langen Fertigungszeiten und geringerer Produktivität bei hohen Stückzahlen im Vergleich zu konventionellen Verfahren wie dem Umformen verbunden. Die Kombination der additiven Fertigung mit der Umformung zur Herstellung hybrider Bauteile bietet die Möglichkeit, die spezifischen Vorteile beider Technologien auszuschöpfen. Das im Rahmen der Arbeit verfolgte Ziel ist es daher, ein grundlegendes Verständnis über die Umformbarkeit hybrider Bauteile zu erhalten. Den Ausgangspunkt der Untersuchungen bildet die systematische Analyse von Einflussgrößen bei der Herstellung additiv gefertigter Strukturen auf einem Blechgrundkörper durch pulverbettbasiertes Schmelzen mittels Laser (PBF-LB/M). Die hybriden Bauteile werden anschließend hinsichtlich ihrer mechanischen Eigenschaften und Gefüge charakterisiert. Die Umformbarkeit wird mittels freiem Biegen bewertet. Dadurch ist es möglich, die Formgebung anhand von Geometrie, Formänderungsverteilung, Materialfluss und Spannungszustand zu analysieren. Die gewonnenen Erkenntnisse werden abschließend auf ein Demonstratorbauteil übertragen und die Identifikation von Potentialen für eine industrielle Anwendung vorgenommen., An efficient use of resources has become increasingly important in recent years due to a growing world population and rising demand for consumer goods. This requires more sustainable and more flexible industrial production processes. One strategy to cope with these challenges is the use of newly developed manufacturing processes such as additive manufacturing. Additive manufacturing offers enormous potential for flexibilization and individualizing of products with increased added value. However, nowadays this is associated with longer production times and lower productivity at high volumes compared to conventional processes such as forming. The combination of additive manufacturing and forming for the production of hybrid components enables exploiting the specific advantages of both technologies. The aim of this work is to receive a fundamental understanding of the formability of hybrid components. The investigations start with the systematic analysis of influencing variables in the production of additively manufactured structures on a sheet metal base body by powder-bed fusion using a laser beam (PBF-LB/M). Then the hybrid components are characterized regarding their mechanical properties and grain structure. Formability of hybrid parts is evaluated by free bending. This allows the forming to be analyzed in terms of geometry, strain distribution, material flow and stress state. Finally, the knowledge gained is transferred to a demonstrator part and potentials for industrial application are identified., FAU Studien aus dem Maschinenbau; 391

Die Blechmassivumformung als Anwendung von Massivumformverfahren auf Blech vereint die Vorteile der Blech- und Massivumformung. Aus flächigen Halbzeugen werden dünnwandige und folglich leichte Bauteile mit integrierten Funktionselementen, wie Verzahnungen oder Zapfen, durch einen dreidimensionalen Stofffluss ausgeformt. Hierdurch werden dem Ziel des Leichtbaus entsprochen und Systeme mit nachhaltigem Einsatzverhalten realisiert. Um die Effizienz der Blechmassivumformung weiter zu steigern, wird im Rahmen der Arbeit das Fertigen von Funktionsbauteilen aus Bandmaterial erforscht. Durch die Umformung vom Band wird die Ausbringungsmenge im Vergleich zu einer Fertigung aus vorbeschnittenen Ronden gesteigert. Zielsetzung der Arbeit ist es, ein grundlegendes Prozessverständnis für die Blechmassivumformung von Funktionsbauteilen aus Bandmaterial zu erarbeiten. Hierbei werden die bandspezifischen Herausforderungen und deren Ursachen bezüglich des Werkstoffflusses und den Werkzeugbeanspruchungen identifiziert. Aufbauend hierauf werden zur Erweiterung der Prozessgrenzen werkstück-, prozess- sowie werkzeugseitige Maßnahmen zur Stoffflusssteuerung bei der Umformung von Bandmaterial erforscht. Bei verschleißkritischen Maßnahmen wird deren Einsatzverhalten in Standmengenversuchen analysiert und die Eignung der Maßnahmen für die Fertigung einer hohen Stückzahl an Bauteilen nachgewiesen. Aus den Ergebnissen der Arbeit werden abschließend anwendungsbezogene Hinweise für die Blechmassivumformung von Funktionsbauteilen aus Bandmaterial abgeleitet., Sheet-bulk metal forming as an application of bulk forming processes to sheet metal combines the advantages of sheet and bulk metal forming. Thin-walled and thus lightweight components with integrated functional elements, such as gears or pins, are formed from flat semi-finished products by means of a three-dimensional material flow. This meets the goal of lightweight construction and realizes systems with sustainable application behavior. In order to further increase the efficiency of sheet-bulk metal forming, the production of functional components from coil is being researched as part of the work. Forming from coil increases the output quantity compared to manufacturing with pre-cut blanks. The objective of this work is to develop a basic process understanding for the forming of functional components from coil. In this context, the coil-specific challenges and their causes with regard to the material flow and the tool loads are identified. Based on this, workpiece-, process- and tool-sided measures for material flow control are researched in order to extend the process limits. In the case of wear-critical measures, their application behavior is investigated in tool life tests and the suitability of the measures for the production of a high number of components is demonstrated. Finally, the results of the work are used to derive application-related recommendations for the sheet-bulk metal forming of functional components made from coil., FAU Studien aus dem Maschinenbau; 405

Eine wesentliche Herausforderung bei der Herstellung von Kunststoff-Metall-Hybridbauteilen im Montagespritzguss ist die eingeschränkte Mediendichtheit aufgrund der chemischen Inkompatibilität der beiden Werkstoffe. Der Einsatz strukturierter, metallischer Einleger hat in diesem Zusammenhang ein großes Potential die Dichtheit zu steigern. Im Rahmen dieser Arbeit wird daher die umformtechnische Strukturierung metallischer Einleger im Folgeverbundwerkzeug als hoch effizientes Fertigungsverfahren untersucht. Ziel dieser Arbeit ist ein Verständnis für die Herstellbarkeit strukturierter Einleger aufzubauen und die Prozessgrenzen abzuleiten im Hinblick auf die funktionsgerechte Auslegung. Anhand der Untersuchungen zum Verrunden der Schnittkanten mittels Prägen wurde die Querschnittsfläche des Einlegers als wichtigste Einflussgröße auf die Formfüllung und somit auf die Abbildungsgenauigkeit identifiziert. Bei den Untersuchungen zum Einprägen von Quernuten in die Einlegeroberfläche konnte durch die Gliederung des Werkstoffflusses in axiale und laterale Richtung, ein ganzheitliches Verständnis hinsichtlich der Ausformung der Nuten sowie der Längung und Breitung der Einleger geschaffen werden. Gerade die Breitung wird in diesem Zusammenhang durch die vorherrschenden Fließbehinderungen stark beeinflusst. Abschließend wurden die Untersuchungsergebnisse der umformtechnischen Strukturierung anhand der resultierenden Dichtheit umspritzter Einleger eingeordnet und eine Erhöhung der Dichtwirkung aufgezeigt. Dadurch wird ein Beitrag zur Entwicklung und Fertigung widerstandfähiger elektronischer Systeme geleistet., A major challenge in the production of polymer-metal hybrid parts using assembly injection molding is the limited media tightness due to the chemical incompatibility of the two materials. However, the use of metal inserts with defined surface structure has great potential to increase the tightness. Therefore, in this work the structuring of metal inserts by forming in a progressive die is investigated as a highly efficient manufacturing process. The aim of this work is to create an understanding of the manufacturability of structured inserts and to identify the process limits in regard to a functional design. Based on the investigations of rounding the cutting edges by embossing, the cross section of the metal insert was identified as the most important influencing variable on the die filling and thus on the forming accuracy. Within the investigations of the embossing of transverse grooves on the surface of the insert, a holistic understanding is created with regard to the resulting groove geometry and the axial and lateral elongation of the inserts. This is based on the examination of the material flow into axial and lateral directions. In this context, the resulting width in particular is strongly influenced by the prevailing flow restrictions. Finally, the results of the investigation of the structuring of metal inserts by forming are evaluated on the basis of the tightness of overmolded inserts and an increase in the sealing effect is shown. This contributes to the development and manufacturing of resilient electronic systems., FAU Studien aus dem Maschinenbau; 395

Die Reduktion der bewegten Massen stellt eine wesentliche Maßnahme zur Reduzierung des Energieverbrauchs im Verkehrswesen dar. Möglichkeiten der Massenreduktion werden durch Substitution von Werkstoffen oder durch Werkstoffverbunde ermöglicht. Hierbei finden sich Faser-Metall Laminate aber bisher nur in der Flugzeugindustrie mit vergleichsweise kleinen Stückzahlen wieder. Diese Arbeit hat die Entwicklung eines neuen und innovativen Prozesses zur Herstellung von Faser-Metall Laminaten zum Thema. Mittels der hier beschriebenen In-situ Hybridisierung wird die Formgebung durch Tiefziehen mit der Infiltrierung des Fasergewebes durch die Matrix kombiniert. So können Bauteile ohne Werkzeugwechsel in einem Produktionsschritt hergestellt werden. Für die Entwicklung der In-situ Hybridisierung ist eine genaue Kenntnis des Deformationsverhaltens des Gewebes wie auch die Interaktion zwischen Gewebe und Deckblechen notwendig. Der Einfluss der Fasern auf das Deformationsverhalten der metallischen Bleche wird mittels experimenteller und numerischer Verfahren untersucht. Bei hohem transversalem Druck führt die Reibung zwischen Fasern und Metall zu einer Absenkung der Umformbarkeit der Metallbleche. Die Bedingungen für auftretende Relativverschiebungen zwischen den einzelnen Schichten wurden untersucht und bestimmt. Hierbei stellt sich heraus, dass die Relativverschiebungen aufgrund der Werkzeuggeometrien eher gering sind. Dem gegenüber sind Reibungskräfte aufgrund direkten Kontaktes zwischen Fasern und Blech zu vermeiden. Ein Demonstratorwerkzeug wurde entwickelt und aufgebaut, um die Eignung der Insitu Hybridisierung zur Herstellung dreidimensionaler Bauteile aufzuzeigen. Verschiedene Prozessparameter wurden in Versuchsreihen untersucht, um die Bedingungen eines stabilen Herstellungsprozesses zu definieren. Die In-situ Hybridisierung stellt eine Möglichkeit dar, um Leichtbauprodukte für einen breiteren Anwendungsbereich herzustellen., In terms of reduction of the weight of the body-in-white of cars, different strategies have been applied. One strategy is the substitution of metals by using lighter materials like fibre reinforced plastics. By designing automobile components out of different materials, advantages of those materials can be combined. The use of metal-fibre laminates is nowadays only used in aircraft industry due to the low formability of the structures and the high number of production steps which lead to high costs. This thesis deals with the implementation of a new and innovative process for the manufacturing of fibre metal laminates in shorter production times with lower production costs. The new process, called In-situ-hybridization, combines the deep drawing with the process of polymer injection in one production step. For developing the In-situ-hybridization process, a deeper understanding of the fibre deformation behaviour and the interaction between fibre and metal layers is necessary. The influence of fibres on the forming behaviour of metal sheets is investigated by experimental and numerical methods. Due to high pressures on the layers of fibres and metal sheets, the friction between fibres and metal blanks decreases the formability of the connected sheet metal. As the different layers may slide independently from each other during deep drawing and matrix injection, the displacement between the layers should be minimized to avoid friction effects. The displacement caused by tool geometry or by frictional coefficients is characterized by using analytical and numerical methods. It can be concluded that the friction conditions between tool and metal sheets have much more influence on the offset between the upper and lower sheets than geometrical conditions. Forming experiments demonstrate the ability of the In-situ-hybridization process for manufacturing three-dimensional fibre-metal laminates. Process parameters have been studied and defined for reaching stable process conditions. So, the In-situ-hybridization may allow for a wider range of applications in lightweight products., Dortmunder Umformtechnik;116

Zugleich: Dissertation, Universität Kassel, 2021

Lightweight design is one of the current key drivers to reduce the energy consumption of vehicles. Design methodologies for lightweight components, strategies utilizing materials with favorable specific properties and hybrid materials are used to increase the performance of parts for automotive applications. In this paper, various forming processes to produce light parts are described. Material lightweight design is discussed, covering the manufacturing processes to produce hybrid components like fiber–metal, polymer–metal and metal–metal composites, which can be used in subsequent deep drawing or combined forming processes. Approaches to increasing the specific strength and stiffness with thermomechanical forming processes as well as the in situ control of the microstructure of such components are presented. Structure lightweight design discusses possibilities to plastically form high-strength or high-performance materials like magnesium or titanium in sheet, profile and tube forming operations. To join those materials and/or dissimilar materials, new joining by forming technologies are shown. To economically produce lightweight parts with gears or functional elements, incremental sheet-bulk metal forming is presented. As an important part property, the damage evolution during the forming operations will be discussed to enable even lighter parts through a more reliable design. New methods for predicting and tailoring the mechanical properties like strength and residual stresses will be shown. The possibilities of system lightweight design with forming technologies are presented. A combination of additive manufacturing and forming to produce highly complex parts with integrated functions will be shown. The integration of functions by a hot extrusion process for the manufacturing of shape memory alloys is presented. An in-depth understanding of the newly developed processes, methodologies and effects allows for a more accurate dimensioning of components. This facilitates a reduction in the total mass and an increasing performance of vehicle components., Automot. Innov.;3

The residual stress state of a sheet metal component manufactured by metal forming has a significant influence on the mechanical properties, and thus determines the time until the component fails, especially for dynamic loads. The origin of the resulting residual stress state of incrementally formed parts with regard to the forming mechanisms of shearing, bending, and the normal stress component is still under investigation. The relationship between the process parameters, the forming mechanisms, and the resulting residual stress state for a complex part geometry manufactured by single point incremental forming (SPIF) is presented in this publication. For this purpose, a validated numerical process model is used to analyze the influence of the step-down increment Δz for truncated cones on the characteristics of the forming mechanisms and the resulting residual stress state. For the first time the forming mechanisms are evaluated numerically on both sides of the formed component. A relationship between the process parameters, forming mechanisms, residual stresses, and the mechanical properties of an incrementally formed component is shown. Shearing-induced hardening is identified as a relevant influence on the residual stress state of cones., Metals;10(5)

Der industrielle Fertigungsprozess von Blechformteilen unterliegt dem Einfluss einer Vielzahl von Parameterschwankungen, die das Umformergebnis signifikant mitbestimmen. Daher treten Qualitätsprobleme scheinbar zufällig auf und verursachen Ausschuss und einen Verlust an Produktivität. Ein vielversprechendes Mittel zur Verbesserung derartiger Prozesse ist der Einsatz von Datenanalysen und lernenden Algorithmen, die jedoch eine große Datenmenge voraussetzten. Bisher fehlten die Datenbasis und geeignete Möglichkeiten zur Datenerfassung für den Einsatz dieser Methoden. In dieser Arbeit wurde eine allgemeingültige und übertragbare Methode zur Erfassung und Speicherung relevanter Einfluss- und Ergebnisgrößen des Herstellprozesses von Blechformteilen entwickelt. Die Methode und die resultierenden Daten sind die Grundlage für die Analyse von Zusammenhängen im Prozess, die Vorhersage der Qualität durch maschinelles Lernen und die Berechnung geeigneter Maschineneinstellungen. Diese Anwendungen wurden in der Arbeit erprobt und die Ergebnisse bewertet. Dadurch konnten die Funktionalität der Datenerfassung und die erwarteten Potentiale bestätigt werden., The process of industrially producing shaped sheet metal parts is influenced by a large number of fluctuating factors. Therefore, quality problems appear to occur randomly and cause defective parts and a loss of productivity. A suitable way to improve these processes is the application of data analysis and statistical methods like machine learning, which require a large amount of data. So far, the data base and suitable methods for data acquisition are lacking for the use of these methods. Therefore, in this work, a generally valid and transferable method for recording and saving relevant influencing and resultant variables during the series production of sheet metal parts has been developed. This method and the resulting data are the basis for the analysis of correlations in the process, the prediction of quality by learning algorithms and the calculation of suitable press settings. These use cases were tested in the work and the results were evaluated. Thus, the functionality of the data acquisition and the expected potentials could be confirmed., FAU Studien aus dem Maschinenbau, 338

Bei der derzeitigen Produktauslegung gebogener Bauteile werden häufig nur die Eigenschaften des Ausgangsmaterials einbezogen. Teilweise werden zudem die umformtechnisch induzierten Verfestigungen und Eigenspannungen berücksichtigt. Die durch den Umformvorgang eingebrachte Schädigung wird nicht betrachtet. Der Prozess der duktilen Schädigung wird in dieser Arbeit als Porennukleation, -wachstum und -zusammenschluss definiert. Da der negative Einfluss der Schädigung auf die Leistungsfähigkeit unbekannt ist, werden Bauteile häufig überdimensioniert. Diese Unkenntnis wird über erhöhte Sicherheitsfaktoren kompensiert. Daher wird in dieser Arbeit erstmals dargestellt, inwiefern die Schädigung beim Biegen eingestellt werden kann und welchen Einfluss die Schädigung auf die Leistungsfähigkeit hat. Zur Beeinflussung der Schädigung muss der Lastpfad während der plastischen Umformung verändert werden. Da die konventionellen Prozesse mit Spannungsüberlagerung nicht in der Lage sind, kontrolliert Druckspannungen aufzubringen, wird ein neues Biegeverfahren entwickelt. Das sogenannte Biegen mit radialer Spannungsüberlagerung kann während des Prozesses einstellbare Druckspannungen aufbringen. Die zusätzliche Spannungsüberlagerung führt bei identischem Umformgrad zu bis zu 50 % reduzierten Porenflächen. Zur Prüfung bereits gebogener Bauteile werden neue Testverfahren für die entsprechenden Einsatzfälle entwickelt. Anhand dieser wird der Einfluss der Schädigung auf das Bauteilverhalten bewertet. Es wird gezeigt, dass die Schädigung einen maßgeblichen Einfluss auf das Crashverhalten, die zyklischen Eigenschaften und die Steifigkeit gebogener Bauteile hat und somit im Entwicklungsprozess als Produkteigenschaften miteinbezogen werden sollte., Dortmunder Umformtechnik;108

Das kumulative Walzplattieren ist ein bekanntes Verfahren zur Herstellung von Blechhalbzeugen mit ultrafeinkörnigem Gefüge. Vor dem Hintergrund des Leichtbaugedankens ist die erzielbare Festigkeitssteigerung ein bedeutender Vorteil. Der industriellen Umsetzung des Verfahrens stehen insbesondere fehlende Kenntnisse zum Werkstoffverhalten der hochfesten mehrlagigen Halbzeuge in Umformprozessen entgegen. Das Ziel dieser Arbeit ist die Bewertung der Umformeigenschaften der ultrafeinkörnigen Aluminiumlegierung AA6014. Hierzu werden die resultierenden Werkstoffeigenschaften in Abhängigkeit der Prozessparameter der Halbzeugherstellung untersucht. Im Fokus steht ein neuer Ansatz zur Temperierung der Arbeitswalzen im Walzprozess. Anhand der formgebenden Prozesse Tiefziehen und Biegen werden die Umformeigenschaften sowie die Formgebungsgrenzen analysiert. Abschließend wird der bekannte Ansatz der Tailor Heat Treated Blanks-Technologie zur Erweiterung der Formgebungsgrenzen, infolge einer lokalen Kurzzeitwärmebehandlung, auf die mehrlagige, hochfeste Aluminiumlegierung AA6014 übertragen. Auf Basis der Ergebnisse dieser Arbeit wird die Leistungsfähigkeit der untersuchten Werkstoffe für den Einsatz in der Umformtechnik nachgewiesen. Die Erhöhung des Leichtbaupotentials durch eine signifikante Steigerung der spezifischen Festigkeit von Blechhalbzeugen kann einen Beitrag leisten, um den hohen Anforderungen an zukünftige Mobilitätskonzepte gerecht zu werden. Accumulative Roll Bonding is a well-known process for the production of semi-finished sheet material with an ultra-fine grained microstructure. Against the background of lightweight design, the increase in strength that can be achieved is a significant advantage. The industrial implementation of the process is prevented by a lack of knowledge of the material behavior of the high-strength, multi-layered sheet material in forming processes. The aim of this work is the evaluation of the forming properties of the ultra-fine grained aluminum alloy AA6014. For this purpose, the resulting material properties are examined depending on the parameters of the Accumulative Roll Bonding process. The focus is on a new approach to tempering the working rolls in the rolling process. The forming properties as well as the forming limits are analyzed based on the processes of deep drawing and bending. Finally, the well-known approach of Tailor Heat Treated Blanks technology to enhance the formability as a result of a local short-term heat treatment is transferred to the multi-layered, high-strength aluminum alloy AA6014. On the basis of the results of this work, the performance of the investigated materials for use in metal forming technology is demonstrated. Increasing the potential for lightweight construction by significantly increasing the specific strength of semi-finished sheet material can make a contribution to meeting the high requirements for future mobility concepts.

Aufgrund seiner vorteilhaften Eigenschaften wird der ebene Torsionsversuch zunehmend zur Charakterisierung von Blechwerkstoffen eingesetzt. Dies sind der ideale einfache Scherspannungszustand bis zum Bruch, die Materialcharakterisierung ohne Randzonen und Kerbwirkungen, die direkte Messbarkeit von Spannungen und Dehnungen und die daraus resultierende Bestimmung von Fließkurven bis zu sehr hohen Vergleichsformänderungen. Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, die Anwendungsgrenzen des ebenen Torsionsversuchs zu erweitern. Zu diesem Zweck werden alle am Versuch beteiligten Komponenten und Einflüsse analysiert und bewertet. Dies sind die Dehnungsmesstechnik, die zur Messung sehr großer Scherdehnungen verwendet werden muss, die Form der Probe, die zusätzliche Möglichkeiten für die Prozessgestaltung bietet, und die Klemmung, die insbesondere die Prozessgrenzen beeinflusst. Zusätzlich werden die theoretischen Annahmen geprüft und die Auswertung des Versuchs kritisch analysiert. Der materialspezifische Einfluss auf den Versuch wird ebenfalls bewertet. Zwei neue Methoden für die Dehnungsmessung werden vorgestellt, mit denen Fließkurven für den duktilen Tiefziehstahl DC04 mit wahren Vergleichsformänderungen bis zu 3,0 bestimmt werden. Dies sind eine Erweiterung der DIC und eine neue analytische Methode zur Bestimmung von Fließkurven aus Drehmoment und Drehwinkel unabhängig von der Form der Probe. Zudem wird der Einfluss der Dehnungslokalisierung in Scherversuchen auf den Messfehler bei der DIC-Messung experimentell und erstmals auch analytisch untersucht. Fließkurven mit den höchsten Vergleichsformänderungen können durch die Entwicklung von Proben mit umlaufender Nut bestimmt werden, welche keinen störenden Einfluss durch die innere Klemmung haben. Die Verwendung dieser Proben führt jedoch zu neuen wissenschaftlichen Fragen. In dieser Arbeit wurde ein signifikanter Einfluss der Nutfertigung auf die erreichbaren Bruchdehnungen festgestellt. Darüber hinaus hängt die Homogenität von Spannung und Dehnung stark von der Probenform ab. Drei neue Probenformen werden vorgestellt, um Fließkurven ohne Lokalisierung der Dehnung zu bestimmen, die kinematische Verfestigung bis zu sehr hohen Vordehnungen effektiv zu charakterisieren und die Eigenschaften unter Scherbelastung in anderen Ebenen des Bleches zu bestimmen. Eine analytische Analyse der inneren Klemmung zeigt auch, dass ringförmige Klemmungen mit radialen Riffeln ideal geeignet sind, um hohe Drehmomente ohne Durchrutschen der Probe zu übertragen. Zuletzt werden zwei neue Anwendungsbereiche beschrieben. Dies sind die Charakterisierung sehr dünner Bleche ohne Faltenbildung mittels mehrlagiger geklebter Probenstapel und die Charakterisierung von Rohren und gekrümmten Bauteilen., Dortmunder Umformtechnik;110

Kurzfassung Die Verknappung fossiler Energieträger und Ressourcen stellt die politischen und öffentlichen Akteure der deutschen Produktionstechnik vor die Herausforderung, nachhaltige Systemlösungen zu entwickeln. Im E3-Konzept werden effiziente Technologien in Verbindung mit planerischen und organisatorischen Ansätzen zu synergetischen Innovationen entwickelt. Der Beitrag stellt dies ausgehend vom Beispiel einer neuen ultrakurzen Prozesskette für Komponenten von automobilen Antriebssträngen dar.

Das Fraunhofer IPT untersucht verschiedene Umformverfahren für das Formen metallischer Bipolarplatten wie das Streckziehen, Rubberforming und Hydroforming. Verschiedene Edelstähle wie 1.4301 und 1.4404 sowie Titanwerkstoffe werden dabei berücksichtigt. Durch Simulationen sowie experimentelle Untersuchungen konnte festgestellt werden, dass die auftretenden Normalkräfte und Scherspannungen im Kontakt zwischen Werkzeug und Blech beim Streckziehen größer sind als bei den beiden anderen Verfahren. Dadurch werden bei gleichen Spannungen im Material geringere Umformgrade erreicht. Hinsichtlich des Potenzials für das Upscaling der Produktion ist das Streckziehen im Folgeverbundwerkzeug aufgrund der einfachen Automatisierbarkeit und des Handlings bei geringen Zykluszeiten geeignet. Fraunhofer IPT analyzes different technologies for the forming of metallic bipolar plates. Among them are stamping, rubberforming and hydroforming. Different materials like stainless steel (1.4301 and 1.4404) and titanium are considered. Numerical simulations and experimental validation show that contact pressure and shear stress in the contact between tool and sheet are larger for stamping processes. This leads to limited grades of deformation. Nevertheless, stamping in progressive die tools is a suitable forming technology for upscaling of the production of metallic bipolar plates as it has short cycle times and handling of the sheets can be automated easily.

Die Integration von Leiterbahnen in tragende Faserverbundstrukturen bietet großes Potential zur Gewichtseinsparung. So wurde die Fertigung von Platten in Faser-Metall-LaminatBauweise in den letzten Jahren am DLR (Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt) intensiv untersucht, während die Überführung auf gekrümmte Strukturen noch weitestgehend offen ist. Auf Basis einer eingehenden Literaturrecherche und der Einarbeitung in die theoretischen Grundlagen sollen Konzepte zur Integration von Metallfolien in gekrümmte Faserverbundstrukturen entwickelt werden, welche durch anschließend anhand eines Probenprogramms untersucht und ausgewertet werden. Das Hauptaugenmerk liegt hierbei auf der Erstellung der Preforms und dem Einfluss des verwendeten Verfahrens auf die Endgeometrie und Eigenspannungen der gefertigten Probekörper. Die Probenfertigung sowie die Versuchsdurchführung und -auswertung finden in den Laboren des DLR Braunschweig statt. Die Ergebnisse werden abschließend dokumentiert.

Dieser Vortrag beschreibt ein methodisches Vorgehen zur Auslegung von Bauteilen, die von mehreren Eingangsgrößen und mehren Zielgrößen bestimmt sind. Als Praxisbeispiel wird eine dünnwandige Mittnehmerwelle untersucht. Im Automotivbereich besteht auf Grund der Forderungen nach Leichtbau und höherem Leistungsgewicht verstärkt der Wunsch nach einer hohen Auslastung über das ganze Bauteil hinweg. Eine Gewichtsreduktion kann durch Materialeinsparungen an unkritischen Stellen, wie zum Beispiel im Wellenkern einer Zahnwelle, erreicht werden. Die Verwendung von dünnwandigen Rohren als Ausgangsmaterial, aus denen lastangepasste Zahnprofile umformend hergestellt werden, versprechen eine deutliche Steigerung der Drehmomentübertragbarkeit bezogen auf den Materialeinsatz. Dazu wird eine neue Verzahnungsgeometrie entwickelt. Das Profil wird über eine Vielzahl an Parametern definiert, welche die Form und damit die Drehmomentübertragbarkeit beeinflussen. Durch die Verwendung einer bidirektionalen Schnittstelle kann eine Zahn-Geometrie in einem CAD-Programm mit einem FEM-Programm gekoppelt werden. Es zeigt sich, dass sich einige Geometrieparameter bereits durch die Wahl des Ausgangsrohres ergeben oder vorab festgelegt werden können. Mit vorgegebenem Außendurchmesser und Wandstärke des Ausgangsrohres sowie der Zähnezahl verbleiben bei dieser Profilform nur weitere fünf Parameter, welche hinsichtlich der Drehmomentübertragbarkeit zu optimieren sind. Mit Hilfe von numerischen Variantenberechnungen, welche sich nach den Vorgaben eines statistischen Versuchsplanes / Design of Experiments durch Veränderung der Parameter ergeben, kann ein mathematisches Ersatzmodell gebildet werden. Dieses beschreibt die (Wechsel-)Wirkungen der Eingangsgrößen auf die Ausgangsgrößen, wie zum Beispiel der Einfluss des Fußkreisdurchmessers und des Eingriffswinkels auf die dynamische Beanspruchbarkeit. Mit Hilfe von Optimierungsalgorithmen kann ein Optimum der Parameter an Hand des Ersatzmodelles ohne erneute aufwändige FEM-Berechnung gefunden werden.

Um immer strengere Umweltauflagen zu erfüllen, wird zur Gewichtsreduzierung bei Automobilen auf Leichtbau gesetzt. Infolgedessen findet auch beim Herstellen von Karosserieblechteilen ein verstärktes Ausreizen des Werkstoffes statt. Erschwert wird dies durch den Trend zu komplexeren Bauteilgeometrien und markanterer Designsprache. Daher wird der Herstellungsprozess mehr und mehr an den Grenzbereichen der Stabilität betrieben. Piezoelektrische Aktoren (PA) können dabei so eingesetzt werden, dass der Umformprozess um zusätzliche Einflussparameter erweitert wird. Sie beeinflussen dabei die Materialbewegung lokal und können dadurch zu einer Steigerung der Effizienz beitragen. Im Rahmen der Dissertation wurden PA in die Matrize eines Großserien-Umformwerkzeugs (Karosseriebauteil einer Reserveradmulde) implementiert und hinsichtlich der Eignung für die Prozessregelung untersucht. Dabei wurden verschiedene Sensoren berücksichtigt, wobei sich Triangulationslaser zur Messung der Materialbewegung an der Platinenkante am besten eigneten. Es wurde die Wechselwirkung der PA auf die Materialbewegung empirisch und unter Verwendung statistischer Versuchsplanung ermittelt. Ein FE-Modell unterstützte die Prozessbeschreibung. Aus den Versuchsergebnissen wurde mittels Regressionsanalyse ein Polynomialmodell zur weiteren Untersuchung berechnet. Ausgehend von den Erkenntnissen über das Prozessverhalten wurden unter Verwendung der getesteten Sensoren Regelkreise aufgebaut. Zum einen wurde ein iterativer Ansatz untersucht, der nach jedem Umformvorgang die Regelabweichung ermittelt und durch Einsetzen der PA versucht, diese im Folgehub zu minimieren. Es konnte nachgewiesen werden, dass der Prozess auf diese Weise stabilisiert werden kann. Des Weiteren wurde eine In-Prozess-Regelung implementiert, welche die Regelabweichung kontinuierlich über den Prozess minimierte. Als Führungsgröße wurde eine Referenzkurve aus einer Schar von Gutteilen verwendet. Es zeigten sich eine verbesserte Bauteilqualität und ein Ausgleichen von Störgrößen.:Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis 1 Einleitung 2 Wissenschaftlicher Erkenntnisstand 2.1 Grundlagen der Blechumformung 2.2 Prozessregelung eines Umformvorgangs 2.3 Messeinrichtungen in Umformprozessen 2.4 Piezoelektrische Aktoren in Umformwerkzeugen 2.5 Diskussion zum wissenschaftlichen Erkenntnisstand 3 Auswahl großserientauglicher Sensorik zum Aufbau der Prozessregelung 3.1 Anforderungen an großserientaugliche Sensorik 3.2 Bewertungsmatrix einer Auswahl großserientauglicher Sensoren 4 Forschungsschwerpunkte und -hypothesen 5 Voruntersuchungen 5.1 Vorstellung des Versuchswerkzeug sowie der -geometrie 5.2 Untersuchung potenzieller Sensoren auf Beobachtbarkeit des Prozesses 5.3 Untersuchung der piezoelektrischen Aktoren 5.3.1 Prozessbeschreibung mit integrierten piezoelektrischen Aktoren 5.3.2 Versuchsaufbau mit integrierten piezoelektrischen Aktoren 5.3.3 Untersuchung der piezoelektrischen Aktoren auf Eignung im Prozess 5.3.4 Untersuchung der piezoelektrischen Aktoren auf Steuerbarkeit des Prozesses 6 Modellbildung 6.1 Versuchsplanung 6.2 Modellarten 6.3 Versuchsergebnisse und Modellvorstellung 6.4 Modellvergleich der Ziehkissenarten auf den Einfluss der PA 7 Prozessregelungsansätze 7.1 Iterative Regelung der Materialbewegung 7.1.1 Aufbau und Grundlagen der iterativen Regelung 7.1.2 Verifikation 1: Konvergenzverhalten bei gesetzten Zielen 7.1.3 Verifikation 2: Prozessregelung bei Prozessgrenzenüberschreitung 7.1.4 Diskussion der iterativen Prozessregelung 7.2 In-Prozess-Regelung der Materialbewegung 7.2.1 Aufbau und Grundlagen der In-Prozess-Regelung 7.2.2 Verifikation der In-Prozess-Regelung anhand empirischer Versuche 7.3 Ergebnisdiskussion und Gegenüberstellung der Regelungsansätze 8 Zusammenfassung und Ausblick Literaturverzeichnis Allgemeine Ergänzungen

Für die Realisierung von individuellen Produkten ist unter Berücksichtigung der Herausforderungen heutiger Generationen eine kosten-, zeit- und ressourceneffiziente Fertigung unverzichtbar. Als möglicher Fertigungsansatz mit hohem Individualisierungspotenzial wurde im Rahmen dieser Arbeit die konventionelle Additive Fertigung herausgearbeitet, welche jedoch durch hohe Fertigungszeiten und limitierte Ressourceneffizienz charakterisiert ist. Zur Erfüllung aller Herausforderungen wird eine kombinierte Prozesskette aus Umformen mit nachfolgender additiver Fertigung und abschließender Wärmebehandlung zur Fertigung von Hybridbauteilen postuliert und untersucht. Wissenschaftlicher Anspruch dieser Arbeit ist in diesem Zusammenhang der Machbarkeitsnachweis, aber auch die grundlagenwissenschaftliche Erforschung dieser Prozesskette. Herangezogen werden dabei die additiven Fertigungsverfahren Laser- und Elektronenstrahlschmelzen und die umformenden Fertigungsverfahren Tiefziehen, superplastisches Umformen und Biegen für eine ausgewählte Titanlegierung. Nowadays, a rising amount of individualized products is requested due to a highly industrialized mankind with growing individual identities. Moreover, our generation faces the challenge of a cost, resource, and time efficient production of goods. One promising manufacturing approach to fulfill these needs is additive manufacturing. Though, additive manufacturing is also subject to some limitations such as a high amount of manufacturing time as well as limited efficiency of the power source. To overcome these disadvantages and to produce individual products a process chain combining conventional manufacturing techniques with conventional manufacturing techniques is presented within this work. The aim is to propound and analyze a process chain which fulfills today’s challenges of sustainable production. Within a determined process chain forming is combined with successive additive manufacturing to produce hybrid metallic parts. Therefore, laser and electron beam melting are investigated as well as various forming technologies such as bending, deep drawing and super plastic forming. As basis of this work these manufacturing technologies are analyzed with focus on their applicability and benefits for the combined process chain.

Die mechanische Schwingungsüberlagerung mit Frequenzen im Ultraschallbereich ist ein bekannter Ansatz zur Reduzierung der Umformkraft. Bisher stellt das mangelnde detaillierte Prozessverständnis jedoch ein Hemmnis für die breite industrielle Anwendung der Technologie dar. Die Untersuchungsschwerpunkte dieser Arbeit liegen in der Identifikation verantwortlicher Wirkmechanismen für das Phänomen der schwingungsbedingten Kraftreduzierung und der Analyse des Schwingungseinflusses auf das Formänderungsvermögen metallischer Werkstoffe. Untersucht werden vier Werkstoffe aus unterschiedlichen Klassen: der martensitische Edelstahl X17CrNi16-2, der Baustahl S235JR, die Aluminiumknetlegierung AW-6082 T6 und die Aluminiumgusslegierung AC-43400. Eine grundlegende Prozessanalyse belegt, dass bei Schwingungsüberlagerung neben der Kraftreduzierung eine signifikante Probenerwärmung auftritt. Zudem wurde ein stark verändertes Umformverhalten festgestellt. Als maßgebliche Mechanismen für die Kraftreduzierung konnten die thermische Entfestigung und werkstoffseitige Einflüsse identifiziert werden. Hinsichtlich des Formänderungsvermögens wurde bei Ultraschallüberlagerung werkstoffunabhängig eine deutliche Reduzierung nachgewiesen. Insbesondere bei versagensunkritischen Umformvorgängen bietet der Einsatz der Technologie demnach beträchtliche Potenziale in Bezug auf eine reduzierte Werkzeug- und Bauteilbelastung sowie eine flexiblere Anlagenauswahl. The superposition of mechanical tool vibrations with frequencies in the ultrasonic range is an approach that enables a considerable reduction of forming forces. So far, however, the incomplete understanding of the detailed process behaviour constrains the technologies broad industrial application. The central purposes of this thesis are the identification of responsible mechanisms for the phenomenon of vibration-based softening and the investigation of the ultrasonic influence on material forming limits. Metallic materials of four different classes are tested: martensitic stainless steel X17CrNi16-2, mild steel S235JR, wrought aluminium AW-6082 T6 and cast aluminium AC-43400. Apart from the known effect of vibration-induced force reduction, substantial specimen heating was recorded in a fundamental process analysis. In addition, a strongly altered forming behaviour was observed. Thermal softening and material-related influences have been identified as crucial mechanisms regarding force reduction. With respect to the forming limits of metallic materials under the influence of ultrasonic vibration, a significant reduction was found for all investigated materials. For the practical application of the technology, this implies potentials concerning reduced tool and workpiece loading as well as a more flexible press selection. This applies in particular to less critical forming operations regarding material failure.

Ein Schlüsselfaktor zur Steigerung der Effizienz im Luftverkehr und zur Intensivierung der zivilen Raumfahrt ist die Weiterentwicklung von Technologien zur kosten- und ressourcenschonenden Herstellung von Strukturteilen. Die Werkstoffgruppe der höchstfesten Aluminiumlegierungen weist ein hohes Potenzial für den Einsatz in Luft- und Raumfahrzeugen auf, innovative Anwendungen werden jedoch durch den aktuellen Stand formgebender Fertigungstechnologien begrenzt. Ein zukunftsweisender Ansatz ist die umformtechnische Herstellung großflächiger, gekrümmter Bauteile ausgehend von ebenen, geschweißten Blechen, sogenannten Tailor Welded Blanks. Entscheidend ist dabei die Kenntnis der Wechselwirkungen entlang der Prozesskette und deren Einfluss auf die finalen Bauteileigenschaften. Die vorliegende Forschungsarbeit bildet mittels gezielter Werkstoffcharakterisierung die Basis für das Verständnis der Wärmebehandlung, Umform- und Fügetechnik. Darüber hinaus wurde eine Methodik zur modellbasierten Bauteil- und Prozessauslegung unter Berücksichtigung mehrkriterieller Randbedingungen entwickelt und deren universelle Übertragbarkeit auf Leichtbaustrukturteile aus höchstfestem Aluminium bewertet. A key factor for an efficiency increase in air plane and space ship manufacturing is the development of technologies for cost and resource efficient production of structural parts. High strength aluminum alloys show a high potential for the use in aerospace applications, nevertheless innovations are limited by the state of the art of shaping technologies. An advanced approach is to form large scale spherical parts from tailor welded blanks. Therefor it is essential to have the knowledge about the interactions along the process chain and be able to calculate their influence on final part properties and quality. Within this scientific work specific material characterization provides the basis for the understanding of heat treatment, forming and joining technology. Furthermore, to be able to fulfill multi criteria specifications in part and process design a methodology based on analytical and numerical models has been introduced and verified according its general applicability for the manufacturing of light-weight structural parts made of high strength aluminum.

Mehrlagige Aluminiumblechwerkstoffe, die mittels des Accumulative Roll Bonding (ARB) Verfahrens hergestellt werden, weisen ein nanokristallines Gefüge sowie verbesserte mechanische Festigkeitskennwerte auf. In Kombination mit prozess- sowie anwendungs-angepassten Eigenschaftsgradienten bieten diese Werkstoffe trotz des zunächst limitierten Umformvermögens das Potential, Gewichtseinsparungen bei Fahrzeugkarosserien erzielen zu können. Zur Ausschöpfung dieses Potentials wird im Rahmen dieser Arbeit zunächst die Hochskalierung des ARB-Prozesses ausgehend vom Labormaßstab untersucht, um die Herstellung großformatiger Platinen zu ermöglichen. Anschließend werden über nach-geschaltete lokale Wärmebehandlungsprozesse der mehrlagigen Bleche spezifische Eigenschaftsverläufe über die Blechebene und in Blechdickenrichtung eingestellt. Diese sollen einerseits durch eine lokale Entfestigung und andererseits durch die örtliche Erhöhung der Bindungsfestigkeit zwischen den Blechlagen zu einer Verbesserung des Umformvermögens dieser Werkstoffe beitragen. Daher werden im nächsten Schritt die Auswirkungen auf das Umformverhalten in Tiefzieh- und Biegeversuchen analysiert und bewertet. Abschließend werden die Wirkmechanismen für Tailor Heat Treated Blanks (THTB) entsprechend der Erkenntnisse dieser Arbeit erweitert sowie Gestaltungsrichtlinien für die Anwendung der verschiedenen Eigenschaftsgradienten bei maßgeschneiderten, mehrlagigen Aluminium¬platinen abgeleitet. Multilayered aluminum sheet metal that is produced using the Accumulative Roll Bonding (ARB) process shows nanocrystalline grain structure and enhanced mechanical strength. Despite limited formability, in combination with process- and application-adapted property gradients these materials offer the potential to achieve weight reduction regarding the car body. For the exploitation of that potential, within the framework of this work at first the upscaling of the ARB process is analyzed starting from the laboratory scale to enable the production of large-scaled blanks. Subsequently, specific property gradients are realized over the sheet plane and in thickness direction applying local heat treatment processes. These should lead to an enhancement of the formability due to local softening on the one hand and the local increase of the bond strength of the layers on the other hand. Therefore, the particular effects on the forming behavior are analyzed and evaluated in deep drawing and bending tests. Finally, the mechanisms for Tailor Heat Treated Blanks (THTB) are extended according to the findings of this work and guidelines for the design of tailored and locally heat treated blanks out of multilayered aluminum are defined.

Radial pressing by a pulsed electromagnetic field (PEMF) is a fast and effective way of rigid connection of thin-walled powder parts. The quality of joining depends on well-chosen intensity and uniformity of the applied PEMF. The difficulty of non-destructive tests of joints by standard ultrasonic flaw detectors is often caused by a curved shape and a small radius of parts. The coarse-grained structure and porosity of powder parts cause a strong attenuation of ultrasound at frequencies above 3 MHz. Two ultrasonic methods were compared for sensitivity to weak and tight connections of “bush-on-bush” and “bush-on-rod” joints – pulse-echo and time-of-flight (TOF). Bushes were made of powder bronze graphite. The pulse-echo method was implemented using a commercial flaw detector with a 3MHz dual-element probe. A custom setup with quasi-point transducers at 2MHz was used in the TOF method. Weak joining between parts resulted in increased reflection of ultrasound from the bonded zones between the parts and the corresponding changes in the ultrasonic patterns. Both methods are potentially applicable to quality assurance in PEMF joining, where TOF is preferable for testing small curved parts.

Die komplexgebogenen Bauteile werden aufgrund der benötigten Prozess-flexibilität immer öfter durch kinematische Freiformbiegeprozesse umgeformt. Das Freiformbiegen ist aber aufgrund des mangelhaften Prozessverständnisses in hohem Maße ungenau und für industriele Applikation zu langsam. Die in dieser Arbeit entwickelte Methodik stellt einen wichtigen Beitrag zur Umsetzung einer allgemeingültigen Prozessauslegungsstrategie für die Realisierung eines auf dem Rollen-Schubbiegen basierenden Freiformbiegen. Für zeiteffiziente und genaue Ermittlung der Prozessparameter wurde ein neuartiges numerisches Modell vorgestellt, wobei die Modellierung des Einflusses der Maschinenstruktur auf das Biegeergebnis eine besonders wichtige Rolle spielt. Zur Gewährleistung einer hohen Berechnungsgenauigkeit wurden insbesondere genau die elastischen Deformationen der Maschinenstruktur untersucht und in das Modell implementiert. Schließlich wurde das Modell optimiert und mit experimentell gewonnenen Daten validiert. The complex bent tube components are due to required process flexibility increasingly and with preference formed by kinematical freeform tube bending processes. However the lack of process understanding makes the freeform tube bending inaccurate and too slow for the industrial application. Thus, the methodology developed in this work importantly contributes to the implementation of a general valid process design strategy for the industrial realization of a freeform bending based on the roll-push-bending processes. For the time-efficient and accurate determination of the process parameters an innovative numerical model was presented, whereat and considering the bending result the modelling of the machine´s structure plays a particularly important role. Therefore, to ensure a high calculation accuracy, the elastic deformations of the machine´s structure were particular precise examined and implemented in the model. Finally, the model was optimized and validated by experimentally obtained data.

Aufgrund fluiddynamischer Effekte bei der Schnellerwärmung für die Warmumformung wird die Applikation der Technologie erschwert. Die vorliegende Arbeit thematisiert diesen Effekt und evaluiert die Triebkräfte sowohl numerisch als auch im Experiment. Aufbauend darauf werden Vermeidungsstrategien aufgezeigt und experimentell validiert um eine Verschiebung der Beschichtung zu verhindern. Es können insbesondere die temperatursensitive Marangonikraft als auch die magnethydrodynamische Wirkung der Lorentzkraft bei einer induktiven Erwärmung als Haupttriebkräfte identifiziert werden, die sich aufgrund identischer Kraftvektorrichtungen überlagern und verstärken. Es hat sich gezeigt, dass für den vorliegenden Fall einer 20-30 μm dünnen AlSi-Beschichtung die Marangonikraft gegenüber der Lorentzkraft um einen Faktor von mindestens 68 überwiegt. Ein vergleichbarer Effekt ist auch bei konduktiver Erwärmung zu beobachten. Hinsichtlich möglicher Vermeidungsstrategien einer globalen Beschichtungsverschiebung bietet die Applikation von lokalen Flussbarrieren mittels Laser, Induktion oder Walztexturierung, sowie das Vermeiden einer freien Flüssigkeitsoberfläche durch Aufbringen einer Zusatzbeschichtung, das größte Potential. In der zweiten Versionierung der Dissertationsschrift wurde auf S. IV im Vorwort, sowie auf S.72, Kapitel 4.2 eine ergänzende Nennung eines Instituts und Kooperationspartners hinzugefügt. The application of fast heating technologies for hot forming is hindered by fluiddynamic effects and a resulting coating shift. Present thesis investigates this effect to evaluate the driving forces numerically as well as experimentally. Based on this evaluation, strategies are developed and investigated to avoid a global displacement of the AlSi-coating. In case of inductive fast heating the main driving force is represented by a superposition of Lorentzian forces as well as surface tension related Marangoni forces with a force vector pointing from hot to cold regions on the blank. The numerical evaluation shows that in case of 20-30 μm thin layers of AlSi the Marangoni force is at least 68 times higher than the Lorentz force and therefore represents the main driving force. A comparable effect is observable in case of conduction heating. Local flow barriers realized by Laser, inductive heating or texturing as well as the avoidance of a free liquid-surface due to application of additional coating layers show huge potential to prevent a global coating flow.

This paper describes the results of development of the electrohydraulic forming (EHF) process as a near-net shape automotive panel manufacturing technology. EHF is an electro-dynamic process based upon high-voltage discharge of capacitors between two electrodes positioned in a fluid-filled chamber. This process is extremely fast, uses lowercost single-sided tooling, and potentially derives significantly increased formability from many sheet metal materials due to the elevated strain rate. Major results obtained during this study include: developing numerical model of the EHF; demonstrating increased formability for high-strength materials and other technical benefits of using EHF; developing the electrode design suitable for high volume production conditions; understanding the limitations on loads on the die in pulsed forming conditions; developing an automated fully computer controlled and robust EHF cell; demonstration of electrohydraulic springback calibration and electrohydraulic trimming of stamped panels; full scale demonstration of a hybrid conventional and EHF forming process for automotive dash panel.

LS-DYNA is a general purpose explicit and implicit finite element program used to analyse the non-linear dynamic response of three-dimensional solids and fluids. It is developed by Livermore Software Technology Corporation (LSTC). An electromagnetism (EM) module has been added to LS-DYNA for coupled mechanical/thermal/electromagnetic simulations, which have been extensively performed and benchmarked against experimental results for Magnetic Metal Forming (MMF) and Welding (MMW) applications. These simulations are done using a Finite Element Method (FEM) for the conductors coupled with a Boundary Element Method (BEM) for the surrounding air, hence avoiding the need of an air mesh. More recently, a 2D axisymmetric version of the electromagnetic solver was introduced for much faster simulations when the rotational invariance can be assumed. In many MMF and MMW applications though, the rotational invariance exists only for part of the geometry (typically the coil), but other parts (typically the workpiece or the die) may not have this symmetry, or at least not for the whole simulation time. In order to take advantage of the partial symmetry without limiting the geometry to fully symmetric cases, a coupling between 2D and 3D was introduced in the EM. The user can define the parts that can be solved in 2D and the ones which need to be solved in 3D and the solver will assume the rotational invariance only on the 2D parts, thus keeping the results accurate while significantly reducing the computation time. In this paper, the coupling method will be presented along with benchmarks with fully 3D and fully 2D simulations, comparing the accuracy of the results and the simulation times.

While some Finite Element software packages exist that are capable of modelling the electromagnetic forming process and estimating the corresponding process parameters (e.g., magnetic pressure and workpiece velocity), there is a lack of simplified and accuracy analytical modelling tools for this purpose. In this study, a coupled analytical model was created to predict the magnetic pressure generated by a multi-turn, axisymmetric coil and the corresponding tube radial displacement and velocity. In the proposed model, at each time increment, the magnetic field geometry is updated in response to the tube deformation. To assess the proposed analytical model, numerical simulations were conducted where the pressure distribution from the analytical model was applied. The results show good agreement between analytical and numerical results.

Die vorliegende Arbeit besteht aus drei Schwerpunkten: Erstens wurden stickstoffhaltige Martensite entwickelt, charakterisiert und im industriellen Maßstab umgesetzt. Der Fokus lag auf der Löslichkeit von Stickstoff in Stahlschmelzen. Auf Basis von thermodynamischen Berechnungen ergaben sich Legierungsstrategien für unterschiedliche Herstellungsrouten. Die entwickelten Stähle weisen eine hohe Härte und Korrosionsbeständigkeit auf und übertreffen die Eigenschaften von Referenzstählen z. T. deutlich. Zweitens wurde das Korrosionsverhalten nichtrostender Martensite durch Korrosions-Anlass-Diagramme charakterisiert, in denen Härte und Korrosionsbeständigkeit korreliert werden. Solche Diagramme dienen zur Ermittlung einer optimalen Wärmebehandlung, um Härte und Korrosionsbeständigkeit gleichzeitig anzupassen. Drittens wurde das Ausforming als spezielle Herstellungsroute für Stähle mit hoher Korro-sionsbeständigkeit und Härte erprobt. Hier ergab sich anwendungsbezogen weiterer Forschungsbedarf.

The book summarises the results of the DFG-funded coordinated priority programme \"Fast Algorithms for Material Specific Process Chain Design and Analysis in Metal Forming\". In the first part it includes articles which provide a general introduction and overview on the field of process modeling in metal forming. The second part collates the reports from all projects included in the priority programme.

Massiv umgeformte Bauteile aus hochfestem Aluminium gewinnen im Leichtbau zunehmend an Bedeutung. Aufgrund okonomischer und okologischer Aspekte wird bei der Herstellung ein geringer Einsatz bzw. ein Verzicht von Schmiermitteln angestrebt. Um dieser Forderung auch bei hohen Umformkraften gerecht zu werden, um geringe Reibwerte einzustellen und Anhaftungen von Aluminium am Werkzeug zu vermeiden, mussen die Werkzeugoberflachen modifiziert, d. h. randschichtbehandelt oder beschichtet werden [1–7]. Um verschiedene Beschichtungskonzepte zu testen, wurden fur die vorliegende Arbeit Proben mittels PVD- (Physical Vapour Deposition) und CVD-Verfahren (Chemical Vapour Deposition) beschichtet und charakterisiert. Das Verhalten der Beschichtungen und die Auswirkungen auf den Umformvorgang wurden mit Hilfe mechanischer Tests und numerischer Berechnungen untersucht. Fur die Dunnschichtsysteme TiCN, TiC-TiN und DLC auf Stahl erfolgten die Bestimmung des E-Modul, die Analyse von Versagensmechanismen und die Untersuchung des Schicht-Substrat-Verhaltens. Die mittels Simulation gewonnen Ergebnisse wurden mit dem realen Umformverhalten von Aluminiumlegierungen korreliert. Development and evaluation of coatings for lubricant free forming of high strength aluminium Many applications in light weight construction require massive formed high strength aluminium parts. For economical and ecological reasons the use of lubricants for massive forming has to be avoided. Both, lubricant free forming and processing of high strength materials are big challenges that can be realized by using coated tools with functional surfaces that show high wear resistance, low friction and low adhesion to aluminium [1–7]. For goal-oriented surface engineering different coating technologies, such as Physical Vapour Deposition (PVD) and Chemical Vapour Deposition (CVD) have been used for the preparation of specimens. The coating properties are evaluated by mechanical tests and numeric simulation to investigate the massive forming processes and the coating-substrate-behaviour. On the base of TiCN-, TiC-TiN- and DLC-coatings on steel it is shown how relevant coating properties like Young’s Modulus, crack behaviour and hardness can be analyzed with regard to small coating thicknesses. In order to scale up the results to industrial conditions, finally the simulation is correlated to real deforming.

Um das volle Eigenschaftspotential von Titanaluminiden auszuschöpfen, ist eine homogene und feinkörnige Mikrostruktur notwendig. Um diese zu erreichen, erweist sich Schmieden als ideal, da so eine Rekristallisation und damit Kornfeinung mit einer Formgebung kombiniert werden kann. Die aktuelle Legierungsentwicklung zielt mit β-stabilisierten Legierungen darauf ab, konventionelle Umformverfahren für die sonst schwer umformbaren γ-TiAl-Legierungen zu erschließen. Dadurch ließe sich eine für den industriellen Einsatz notwendige Kostenreduktion in der Herstellung von geschmiedeten Bauteilen auf Basis von Titanaluminiden erreichen. Aus diesem Grund wurden drei β-stabilsierte Legierungsvarianten gewählt und hinsichtlich ihrer mechanischen Eigenschaften und Umformbarkeit mit TNB-V2, einer der Legierungen, die den Stand der Technik zu Beginn dieser Arbeit darstellt, verglichen. Als optimal, hinsichtlich der geforderten Eigenschaften, erwies sich die Legierung Ti-44,5Al-6,25Nb-0,8Mo-0,1B, welche im weiteren Verlauf des Projektes als TNB-V4 bezeichnet wird. Da die notwendigen Prozessparameter für die Umformung der jeweiligen Legierung angepasst werden müssen, wurde in der vorliegenden Arbeit ein entsprechendes Prozessfenster für TNB-V4 entwickelt. Die optimalen Parameter für eine Umformung sind eine Umformtemperatur im Bereich von 1210 - 1290 °C, eine Umformgeschwindigkeit von < 5∙10^(-3) s^(-1) und ein Umformgrad von φ>65 %. Die sehr hohen Umformtemperaturen und die Affinität zu Sauerstoff machen eine Schutzgasatmosphäre bzw. Vakuum während der Umformung unabdingbar. Aufbauend auf dem feinkörnigen Gefüge nach Umformung lässt sich das Gefüge durch gezieltes Wärmebehandeln hinsichtlich Phasenaufteilung und Gefügeaufbau in gewissen Grenzen den Erfordernissen anpassen. Als ideale Wärmebehandlungsparameter erwiesen sich ein Lösungsglühen bei 1270 °C für eine Stunde mit Luftabkühlung und anschließendes Auslagern bei 800 °C für sechs Stunden mit Ofenabkühlung. Anhand einer Bauteilschmiedung wurde gezeigt, dass das im Labormaßstab entwickelte Prozessfenster auch auf große Bauteile übertragen werden kann. Dies gilt allerdings nicht für die Wärmebehandlung, da die chemische Zusammensetzung der geschmiedeten Bauteile zu stark von den zuvor untersuchten Proben abwich. Um über mehrere Chargen hinweg die gleichen Eigenschaften gewährleisten zu können, müssen daher die Parameter individuell angepasst werden. To get the full potential out of TiAl alloys a homogeneous and fine grained microstructure is necessary. A forging step seems to be ideal because combines the generation of a fine grained microstructure by recrystallization with the forming of the blank. Through the stabilization of β-Phase the possibility exists to use conventional hot working procedures. That is sufficient to lower the production costs of parts in an industrial scale. With that background three β-stabilized alloys were chosen and their mechanical properties and deformation behaviour compared with the TNB-V2 alloy, an alloy out of the previous generation TiAl alloys. Ti-44,5Al-6,25Nb-0,8Mo-0,1B later named by TNB-V4 delivered the best relationship of properties. Since the hot working conditions have to be adapted for every TiAl alloy the conditions for TNB-V4 where determined in this work. That means that forging has to be conducted in the temperature range of 1210 - 1290 °C with a strain rate below < 5∙10^(-3) s^(-1) up to a strain of φ>65 % to achieve a more or less homogenous and fine grained microstructure. To prevent oxidation and embrittlement an inert gas atmosphere or vacuum is necessary. To fulfil the requirements on the mechanical properties the achieved fine grained microstructure can be optimized by a final heat treatment. The two step heat treatment consists of a solution annealing step at 1270 °C for one hour followed by air cooling and aging at 800 °C for 6 hours followed by furnace cooling. Finally the designed processing window and heat treatment was applied on an industrial scale forging. The gathered results showed that the processing window can be used to forge large parts. While the sensitivity on chemical composition for the forging step is low the heat treatment can’t be easily applied without exact knowledge of the chemical composition. To get almost the same mechanical properties out of different charges of parts it is necessary to adapt the parameters of the heat treatment on the individual chemical composition every charge.

Das Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU und die WESOM Textil GmbH haben gemeinsam ein technologisches Konzept entworfen, das die Chance bietet, die Großserienherstellung von Bauteilen und Baugruppen aus faserverstärkten Kunststoffen in Zukunft wirtschaftlich zu realisieren. Diese Technologie basiert auf einem innovativen In-situ-Erhitzungsverfahren, mit dem die erforderlichen Taktzeiten sowie der erforderliche Energieverbrauch zur Herstellung eines fertigen Bauteils deutlich reduziert werden können.

Die vorausschauende Instandhaltung benötigt viele verschiedene Informationen. Eine Lösung dieser Herausforderung verspricht die Informatisierung und Vernetzung von Industriemaschinen. Durch eine neue Tiefe bei der eingebetteten Datenerfassung sowie die Entwicklung einer eMaintenance-Cloud wird im iMAIN-Pilotprojekt ein interdisziplinärer Ansatz verfolgt. Damit werden die Grundlagen für eine neue Qualität in der industriellen Instandhaltung sowie die Etablierung neuer Geschäftsmodelle im Service- und Wissensmanagementbereich geschaffen.

eingereicht von: Dipl.-Ing. Martin Machado Zusammenfassung in deutscher Sprache Universität Linz, Univ., Dissertation, 2015 OeBB

Im EU-Projekt iMAIN, in Langform übersetzt ""ein neuartiges System zur Entscheidungsunterstützung für intelligente Wartung an Umformpressen"", werden unter Beteiligung von Partnern aus Schweden, Slowenien, Spanien sowie Deutschland Konzepte und Algorithmen für die vorausschauende Instandhaltung von Industrieanlagen entwickelt. Zentrales Anliegen ist eine übergreifende Vernetzung von Anlagen und ihren instandhaltungsrelevanten Daten im Sinne der Industrie-4.0-Initiative. Besonderes Augenmerk gilt dabei der Möglichkeit, eine Vielzahl von Auswertealgorithmen nach Bedarf anwenden und daraus neue Informationen gewinnen zu können. Zusätzlich werden technische Konzepte und Lösungen erarbeitet, um die Daten und Informationen auf einer Wissensbasis für vergleichbare Anlagen zusammenzuführen, sie zwischen Betreibern, Technikern sowie Experten auszutauschen und damit neues Instandhaltungswissen zu erarbeiten. Eine solche Datenbasis kann kurzfristig Instandhaltungsmaßnahmen planbarer und wirtschaftlicher gestaltbar machen und wird langfristig zu einer signifikanten Verbesserung bei der Beurteilung der Restlebensdauer von Komponenten und Anlagen führen.

RTejournal, 12, ISSN:1614-0923

Die Wirtschaftlichkeit und Konkurrenzfähigkeit von Fertigungsverfahren ist durch eine stetige Weiterentwicklung der Prozesse bedingt. In diesem Kontext ist das neue Verfahren der Blechmassivumformung, als Kombination und Evolution der beiden Fertigungsmethoden Blechumformung und Massivumformung definiert. Um die hohen Anforderungen in Form von komplexen, integrierten Geometrien einhalten zu können, stellt der Einsatz von FE-Simulationen ein unumgängliches Hilfsmittel dar. Zur Verbesserung der Genauigkeit der Simulationen wird ein Materialmodell in Kombination mit einer Methode zur inversen Materialparameteridentifikation für Stahlblechwerkstoffe implementiert und validiert. Für die Umsetzung des Vorhabens erfolgt eine Untergliederung in drei Teilbereiche: die Materialmodellierung, die Materialcharakterisierung anhand von Experimenten und die inverse Parameteridentifikation. Aufgrund der Betrachtung eines Umformverfahrens für Stahlblechwerkstoffe, bei dem lokal große Formänderungen auftreten, wird ein anisotropes, elasto-plastisches Materialmodell für finite Deformationen benötigt. Um das Stoffgesetz ohne großen Aufwand auf verschiedene Werkstoffe anpassen zu können, wird eine modulare Formulierung eingesetzt. Die Abbildung der geometrisch nicht-linearen Plastizität erfolgt über die Verwendung eines logarithmischen Verzerrungsmaßes und eines Post-Prozessor Schrittes. Das eigentliche Stoffgesetz kann somit auf der Grundlage der linearen Theorie der kleinen Verzerrungen formuliert werden, was den modularen Charakter ermöglicht. Die Implementierung erfolgt mittels User-Subroutines in das kommerzielle FE-Programmsystem MSC.Marc, um einen Einsatz für Umformsimulationen mit komplexen Randbedingungen und Reibungsverhältnissen zu erleichtern. Das hergeleitete und implementierte Stoffgesetz ist in der Lage anisotropes, elasto-plastisches Materialverhalten mit nicht-linearer isotroper, linearer kinematischer und kombinierter Verfestigung zu berechnen. Die Funktionalität des Modells wird anhand verschiedener FE-Rechnungen verifiziert und unter Zuhilfenahme von Vergleichssimulationen zu Beispielen aus der Literatur validiert. Für die Materialcharakterisierung wird ein typisches Tiefzieh- und Blechmassivumformmaterial eingesetzt, welches in der Automobil- und Hausgeräteindustrie Einsatz findet. Die Wahl fällt auf einen DC04-Werkstoff. Dieser einphasig ferritische Stahl für die Kaltumformung weist ein hohes Verformungspotential, bei einer geringen initialen Fließspannung, auf. Er wird in Form eines 2.0 mm starken Stahlblechs eingesetzt, um den Anforderungen der Blechmassivumformung gerecht zu werden. Die Charakterisierung erfolgt u.a. anhand von genormten und etablierten Verfahren, wie z.B. dem uniaxialen Zugversuch. Zur Untersuchung des Materialverhaltens unter mehrachsiger Belastung, was für Umformverfahren wie die Blechmassivumformung von großer Bedeutung ist, liegt das Hauptaugenmerk auf biaxialen Zug- und Druckversuchen. Dabei zeigt sich, dass der aus uniaxialen Zugversuchen unter 0°, 45° und 90° zur Walzrichtung des Blechs extrapolierte Fließbeginn für biaxiale Belastung nicht mit den realen Eigenschaften des Materials in biaxialen Zugversuchen übereinstimmt. Um den experimentellen Aufwand einzugrenzen und Parameter, welche das reale Verhalten möglichst genau abbilden, direkt für das FE-Materialmodell zu bestimmen, wird eine Methode zur inversen Parameteridentifikation implementiert. Das Vorgehen beruht auf dem Einsatz des vollflächigen Verschiebungsfelds eines einzigen, biaxialen Zugversuchs als Eingangsdatensatz. Für die Identifikation wird eine FEMU-Methode verwendet. Dabei werden die Materialparameter einer FE-Simulation des Experiments mittels eines Optimierungsalgorithmus in der Art angepasst, dass das Residuum der Zielfunktion, aus den im Experiment gemessenen und numerisch ermittelten Verschiebungsfeldern, minimal wird. Über dieses Verfahren werden die Parameter der nicht-linearen Verfestigung und die Größen zur Beschreibung des orthotropen Materialverhaltens für den DC04-Stahlblechwerkstoff invers identifiziert. Die Validität der Parameter folgt aus einem Vergleich mit den experimentell ermittelten Werten. Zusätzlich wird ein Benchmarkprozess zur Blechmassivumformung mit den invers identifizierten Werten unter Einsatz des implementierten Materialmodells simuliert. Der Vergleich der Ergebnisse mit einem realen Umformprozess bestätigt die Funktionalität der Implementierung des Materialmodells und der inversen Parameteridentifikation. Es schließt sich eine Erweiterung der Identifikation der Materialparameter auf eine Identifikation des Materialmodells an, welche anhand von anisotropen elastischen Simulationen bei großen Deformationen durchgeführt wird. Mit der vorliegenden Arbeit wird ein substanzieller Beitrag zu Simulationen der Blechmassivumformung in Form eines modularen, anisotropen, elasto-plastischen Materialmodells geleistet. Anhand der experimentellen Materialcharakterisierung wird die Notwendigkeit einer genauen Betrachtung der Werkstoffeigenschaften unter unterschiedlichen Belastungszuständen aufgezeigt. Die inverse Parameteridentifikation zeigt, dass auch mittels eines einzelnen Experiments valide Parameter bestimmt werden können. The economic efficiency and competitiveness of manufacturing methods results from a continuous development of the underlying processes. In this context the new method sheet bulk metal forming is defined as a combination and an evolution of the manufacturing processes sheet and bulk forming. To be able to meet the strict requirements in terms of complex, integrated geometries of the combined forming process FE-simulations are an essential tool. For the improvement of the accuracy of the simulations an inverse method for the identification of material parameters of sheet steel materials is established and validated. For the accomplishment of the work a separation into three parts is performed: the generation of the material model, the characterization of the material via experiments and the inverse parameter identification. Due to the examination of a forming process for sheet steel materials an anisotropic, elasto-plastic material model for finite deformations is needed. For being able to adapt the model without large efforts to different material behaviors a modular formulation is utilized. The geometrical non-linear plasticity is modeled by using a logarithmic strain measure with a post-processing step. So the actual material model can be formulated based on the linear small strain theory which enables its modular character. The implementation is performed with user subroutines and the commercial FE-simulation program MSC.Marc to be able to take complex boundary conditions and frictional effects into account. With the derived and implemented material model it is possible to simulate anisotropic, elasto-plastic material behavior with non-linear isotropic, linear kinematic and combined hardening. The functionality of the model is verified by several different examples of FE-simulations and validated via a comparison with simulations from the literature. For the characterization of the material behavior a typical deep drawing and sheet bulk metal forming sheet steel is utilized which can be found in the automobile and the household appliance production. It is a DC04 material. This single-phase ferritic cold forming steel shows a small initial yield stress and a high forming potential. To meet the requirements of the sheet bulk metal forming a 2.0 mm thick sheet is used. The characterization is performed via established and standardized testing procedures, like e.g. uniaxial tensile tests. Furthermore biaxial tensile and compression tests are of great interest, as multi-axial load states are present in sheet bulk metal forming processes. It is revealed that the biaxial yield stress, which can be extrapolated from uniaxial tensile tests in 0°, 45° and 90° to the rolling direction of the sheet does not correlate with the real material properties in biaxial tensile tests. To limit the experimental effort and yet to identify material parameters for the FE-material model which represent the real behavior as good as possible an inverse method for the parameter identification is implemented. The employed FEMU-method is based on the utilization of full-field displacement measurements from a single biaxial tensile test as input data. In this method the material parameters of a FE-simulation of the experiment are varied in a way that the residuum of the objective function is minimized. The procedure is controlled by an optimization algorithm and the objective function consists of the experimentally and numerically determined displacement fields. The FEMU-method is used to identify the non-linear hardening and the orthotropic plastic material parameters for the DC04 sheet steel. The identified parameters are validated with the values determined directly via experiments. Furthermore a sheet bulk metal forming benchmark process is simulated with the identified parameters. The consistency of the simulated results with the outcome of real forming processes reveal the functionality of the implemented material model and the inverse parameter identification. In the end the inverse parameter identification is extended to a material model identification using anisotropic elastic simulations at large strain. With this work a substantial contribution for sheet bulk metal forming simulations is achieved by means of creating a modular, anisotropic, elasto-plastic material model. With the experimental material characterization the need for a detailed examination of the material behavior under different loading states is revealed. However, the inverse parameter identification shows that valid parameters can be identified using data from a single experiment.

Das Clinchen gewinnt zunehmend an Bedeutung als alternative Verbindungstechnik sowie für hybride Konstruktionen (beispielsweise im Leichtbau oder in der Fahrzeugtechnik). Der geringe Wärmeeintrag am Clinchpunkt und die Möglichkeiten verschiedene Werkstoffe zu verbinden, eröffnen dieser Fügetechnik ein breites Einsatzgebiet. In einem gemeinsamen Forschungsprojekt der Technischen Universität Dresden und der Universität Rostock wurden die Auswirkungen einer Überlagerung des Clinchprozesses mit Leistungsultraschall hinsichtlich der aufzubringenden Prozesskräfte und der Ausbildung des Clinchpunktes untersucht. Ziel dieses Forschungsprojekts war es, zu ermitteln, in welchem Maße sich der Einsatz von Ultraschall auf die Prozessparameter des Clinchens auswirkt. Das angestrebte Verringern der Prozesskräfte sowie eine damit verbundene Erweiterung der Verfahrensgrenzen des Clinchens konnte erzielt werden.

Der Beitrag beschreibt die Einsatzmöglichkeiten von Industrierobotern zum inkrementellen Blechumformen. Das Neue an diesem Verfahren ist die flexible Herstellung dreidimensionaler Geometrien aus Blech unter Nutzung der Vorteile eines Industrieroboters.