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Superplastisches Umformen von AluminiumEin “low-cost” Verfahren zur Umformung von
Blechteilen für kleine Serien
Wer sind wir?
Christoph Pirchl, MScRoman Herstelle, Dipl. Ing. (FH),Wirtschaftsingenieur NDS
• Studium Mathematik an der Universität ZürichNebenfächer Informatik und TheoretischePhysik
• Wirtschaftsausbildung an der UniversitätMinneapolis
• Geschäftsführer bei Automobilzulieferer imHitzeschildbereich
• Geschäftsleitung ALU-SPF AG
• Studium Maschinenbau an derFachhochschule Kempten mit SpezialgebietUmwelttechnik und Fahrzeugtechnik
• Nachdiplomstudium Wirtschaftsingenieur ander Fachhochschule Vaduz
• Entwicklungschef bei Automobilzulieferer imHitzeschildbereich
• Geschäftsleitung ALU-SPF AG
Inhalt
•Einführung in die Superplastizität
•Anwendungen in der Industrie
•Vorstellung ALU-SPF AG
•Lebenslauf einiger Teile
Inhalt
•Einführung in die Superplastizität
•Anwendungen in der Industrie
•Vorstellung ALU-SPF AG
•Lebenslauf einiger Teile
Superplastizität
Definition:
Unter bestimmten Umständen können geeigneteWerkstoffe ausserordentlich hohe Formänderungen biszum Bruch ertragen.
Warmformbarkeit von Aluminium
Prüftemperatur in °C
Bruc
hfe
stig
keit
A2
in %
Typisches Verhalten der Warmfestigkeit von AlMg4,5Mn W28 (EN AW 5083)
Aluminium Taschenbuch Band 1, Aluminium Verlag Düsseldorf, 1995 15.Auflage, Seite 160
Superplastizität
Prüfzeugnis von AlMg4,5Mn (EN AW 5083) kreuzgewalzt,longitudinal und transversal gemessen bei 500°C
Ausserordentlichhohe Formänderung
Bilder: University of California, Superform-Aluminium Ltd.
Pearson zeigte bereits 1935 einspektakuläres Bild einer Bi-Sn-Legierung, >2000%
Zugversuch von Superform mitEN AW 7475
Original
Superplastische UmformungEN AW 5083 (>300%)
KaltumformungEN AW 1050 (22%)
Korngrenzengleiten
Superplastizität basiert auf Korngrenzengleiten mitüberlagerter Versetzbewegung und Diffusionskriechen
Dabei findet eine Umordnung der Körner, aber keinenennenswerte Verformung statt
Korngrenzengleiten
Mit einem fokussierten Ionenstrahl präparierte Oberfläche von AlMg4.5Mn (EN AW5083) vor und nach dem Umformprozess. Innerhalb der Körner findet fast keineVerformung statt.
M.A.Rutz, R.I.Todd,Materials Science and Engineering technology, 2008 Nr. 4-5,WILEY-VCH Verlag GmbH &Co. KGaA, Weinheim, Seite 289-292
Diffusion
Diffusion
Fast intaktes Korn
M.A.Rutz, R.I.Todd,Materials Science and Engineering technology, 2008 Nr. 4-5,WILEY-VCH Verlag GmbH &Co. KGaA, Weinheim, Seite 289-292
Umformgeschwindigkeit
Advances in Superplasticity and Superplastc Forming, E.Taleff et al. , TMS Warrendale, Pensylvania, 2004
Voraussetzungen
• Feinkörniges Gefüge mit Korngrössen
zwischen 2-10 µm
• Isotrope Kornstruktur
• Grundsätzlich ist die Superplastizität
keine Legierungs-, sondern eine
Strukturbedingte Eigenschaft
LegierungenEN AW 5083 (AlMg4.5Mn)
Formtemperatur: 450-540 °CIdeale logarithmische Umformgeschwindigkeit: 10-3 s-1
Maximaler Umformgrad: 350%
Mechanische Eigenschaften nach dem UmformenDehngrenze Rp0,2 150 N/mm2
Zugfestigkeit Rm 300 N/mm2
Bruchfestigkeit A5 20%
EinsatzgebieteKarosseriebleche AutomobilindustrieVerschalungsteile KabinenbauGehäuseUntergeordnete Strukturteile
„Meist verwendetes Blech“
LegierungenEN AW 7075 (AlZnMgCu1,5)
Formtemperatur: 470-490 °CIdeale logarithmische Umformgeschwindigkeit: 10-4 s-1
Maximaler Umformgrad: 1000%
Mechanische Eigenschaften nach dem Umformen und anschliessenderWärmebehandlungDehngrenze Rp0,2 470 N/mm2
Zugfestigkeit Rm 540 N/mm2
Bruchfestigkeit A5 6%
EinsatzgebieteFlugzeugindustrie
LegierungenEN AW 5754 (AlMg3)
Formtemperatur: 450-500 °CIdeale logarithmische Umformgeschwindigkeit: 10-3 s-1
Maximaler Umformgrad: 250%
Mechanische Eigenschaften nach dem UmformenDehngrenze Rp0,2 80 N/mm2
Zugfestigkeit Rm 190 N/mm2
Bruchfestigkeit A5 14%
EinsatzgebieteWenig beanspruchte Verschalungsteile beim KabinenbauUntergeordnete Strukturteile
Inhalt
•Einführung in die Superplastizität
•Anwendung in der Industrie
•Vorstellung ALU-SPF AG
•Lebenslauf einiger Teile
Formprozess
Werkzeug
Blech
Druckluft
Wärme
Presse
Druckluft
Entformen
Matrizenverfahren/Female Forming
Prozessstart
Blech wird zurAbdichtung leichtgeklemmt
1. Schritt
Eine Blasewird geformt
2. Schritt
Der Materialflusswird an denKontaktstellen zumWerkzeugverlangsamt
Prozessende
Das Teil istausgeformt
K. Siegert and T. Werle, Institut für Umformtechnik, Universität Stuttgart, TALAT 3803, 1994
PatritzenverfahrenBubble/Male Forming
Prozessstart 1. Schritt 2. Schritt Prozessende
Blech wird zurAbdichtung leichtgeklemmt
Eine Blasewird geformt
Das Werkzeug wirdaufgefahren undder Luftdruckumgekehrt
Das Teil istausgeformt
K. Siegert and T. Werle, Institut für Umformtechnik, Universität Stuttgart, TALAT 3803, 1994
Diffusionsschweissen
• Temperatur: 500 bis 540 °C• Haltedruck: 2MPa• Atmosphäre: Vakuum oder Schutzgas• Haltezeit: 1 bis 3 Stunden
K. Siegert and T. Werle, Institut für Umformtechnik, Universität Stuttgart, TALAT 3805, 1994
Diffusionsgeschweisste Bereiche
Die Box wird mit Druckluftaufgeblasen
Fertige Box
Werkzeug
Werkzeug
Blechstreifen
Dichtlippe
Dichtung
Druck-Zeit Kurven
Für die optimale Umformung ist an jeder Stelle die optimale, möglichstgleichmässige Umformgeschwindigkeit notwendig.Zwei Beispiele:
Druckluft
Wärme
Simulierte Kurven
Durch Simulation errechnete Kurve, Teile nur mit Rissen
Empirisch ermittelte Kurve
Dickenreduzierung
Umformbedingt ergeben sich unterschiedliche Wandstärken am Teil. Beiextremen Umformgraden kann sich das Blech bis 50% und mehrausdünnen.
Einformlage
Dickenverteilung
Teil
Isolation
WerkzeugHeizung
Advances in Superplasticity and Superplastc Forming, M.Vulcan, K.Siegert , TMS Warrendale, Pensylvania, 2004
BeispielSimulation einer Verkleidung in der Automobilindustrie
Werkzeuge
• Meist Grauguss GG25, verstärkt durch Rippen• Kleine Teile direkt in Grauguss oder Stahlplatten gefräst• Prototypenserien auch in Aluminium (Vollmaterial) möglich• Unterschiedliche Wärmeausdehnung Werkzeugmaterial und Formteil ist zu
berücksichtigen• Verstärkte Keramikwerkzeuge im Versuchsstadium• Herstellzeit 4 bis 20 Wochen
Inhalt
•Einführung in die Superplastizität
•Anwendung in der Industrie
•Vorstellung ALU-SPF AG
•Lebenslauf einiger Teile
Im Alten Riet 1019494 SchaanLiechtensteinTel +423 232 88 80Fax +423 232 88 82E-Mail [email protected] www.alu-spf.li
Christoph Pirchl, GF
Roman Herstelle, GF
Erwin Knünz, VK
Vaduz
Feldkirch /Nendeln
Bendern
St.Gallen
Sargans
SchaanZentrum
A13
A13
16
Presse
• Grösse: 2,5m * 6,5m * 3m• Tischgrösse: 1,5m * 3m• Teilehöhe: bis 1m• Schliesskraft: 450 t• Keine Hydraulik an der Presse• 10 unabhängige Heizzonen• Werkzeug separat beheizbar• Thyristorgesteuerte
Widerstandsheizelemente• Regelverhalten: Adaptives,
zustandsabhängigesRegelverhalten inkl.Onlinekontrolle
• Steuerung: Beck BC660,IPC@CHIP©-RTOS PreemptivesEchtzeit-Betriebssystem mit WEB-Interface
Wasserstrahlschneiden
Feste Stoffe : Aluminium Stahl, Beton, etc.wird vorwiegend abrasiv geschnitten (Schneidemittelzusatz)
Weiche Stoffe: Kautschuk, Teppich, Kunststoffe,...
Abrasivmittel
Fokussierrohr
Reinwasserkopf Abrasivkopf
Wasser Hochdruck
Wasserdüse
Wasserstrahl- Schneidanlage
• 6-Achs-Roboter• Arbeitsbereich: 3m* 2m * 1,27 m• Wiederholgenauigkeit: ± 0.1 mm• Maximaler Arbeitsdruck 4000 bar
• Datenformate: IGES, VDA, STEP AP 203/214,Solidworks, ProE, Catia, Unigraphics II
Hohe
Werkzeug
-kosten
Niedrige
Werkzeug
-kosten
Druckguss, Spritzguss
Zweiformenpressen
Blechausführung
0 5 50 100 1000 10000 100000Menge
Ein
he
itsp
rod
ukt
ion
sko
ste
n
Arbeits
Intensive
MethodenMassen-
fabrikation
Wann braucht man……Super Plastisches Formen?
SPF - Die Vorteile
• 3-Dimensionale, komplexe Formen in einem Stück herstellbar• Falten- und Doppelungsfreie Teile• Grosse Umformungen in einem Schritt (Dehnung >300%)• Geringe Werkzeugkosten durch Einschalige Werkzeuge• Kurze Werkzeugentstehungszeit (einteilig)• Einsatzbereich für Kleinserien, Prototypenbau und Vorserien• Reproduzierbarkeit der Teile (Hohe Formgenauigkeit)• Schweissbar (je nach Legierung)• Die Verbindung von Elementen auch mit Durchsetzfügen (Clinchen) realisierbar• Eine nachträgliche Kaltverformung möglich• Bleckdicken von 1mm bis 5mm formbar• Markenlogos können eingeformt werden
Inhalt
•Einführung in die Superplastizität
•Anwendung in der Industrie
•Vorstellung ALU-SPF AG
•Lebenslauf einiger Teile
Kabine Conus 8
Verschalung Conus 8Auftrag in die leere Halle12 Wochen Zeit für
- Pressenbau- 3D-Wasserstrahlanlage- Werkzeugkonstruktion- Werkzeugbau- Materialbeschaffung- Produktion
Mittel- 2 Mann- 1 CAD
Erste Lieferungen in 5083 SPFTests in 5754 erfolgreich
Erste Serie in 5754 gescheitert
Nach umfangreicher Untersuchungerfolgreich mit 5754 aus anderemWalzwerk
Projekt Steuerungsgehäuse
• Ausgangslage Gehäuse aus Kunststoff (Quader)• Design als Alugehäuse, steckbar• Erste Muster mit Aluminiumform geformt
4 Wochen nach Projektstart• Nach erfolgreichen Tests Werkzeug aus
Stahl gefräst• 17 Einzelteile in einem Werkzeug, 1000 x 850• Erste Verbindung geklebt, nicht Schockresistent• Geschweisste Bolzen als Verbindung• Gehäuse eloxiert, bestehend aus 4 SPF-Teilen
Replica
Auftrag: Alle Ecken4 Teile, jeweils 2 symmetrisch
• Erneuerung der Seilbahn auf den Zuckerhut in Rio• Zeit: 8 Wochen bis Auslieferung aller Teile• 4 Kabinen, Für jede Geometrie 8 Teile• 2 Werkzeuge aus GG25• 4 Fräsvorgänge• Jeweils 20 Teile geformt
Grösste Differenz der zweiGeometrien: 50mm
Herzlichen Dank für Ihre Aufmerksamkeit