2011-04 Energieeffizienz Und Leichtbau Hirschvogel Hannover Messe 2013

18.03.2011

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Massivumformung fr Energieeffizienz und Leichtbau 1 von 28

Suppliers Convention auf der Hannover-Messe05. April 2011

Dipl.-Ing. Michael DahmeLeiter Ausschuss Forschung und Technikim Industrieverband Massivumformung

Massivumformung fr Energieeffizienz und Leichtbau


A Vorstellung der Branche der MassivumformungB Energieeffizienz durch entsprechend

1. ausgelegte Bauteile Konstruktiven Leichtbau Stofflichen Leichtbau

Stahl, Alu Aktuelle Werkstoffentwicklungen Versagensorientierte Bauteilauslegung

2. gefertigte Bauteile Reduzierung des Materialeinsatzes Effiziente Einbringung und Nutzung der Wrme

Reduzierten Wrmeeinsatz (kalt, hw statt w) Integrierte WBH, Hrtung ... Nutzung Abwrme

3. Bauteilbetrieb

Gliederung

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bersicht Umformung

Blechumformung

Kaltumformung

Halbwarmumformung

Warmumformung

Kombinationsverfahren

Massivumformung

Umformung

Quelle: (Blechteile): Pockauer Werkzeugbau


A Branchenvorstellung / Teilespektrum

Quelle: Industrieverband Massivumformung

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Bild

Produktionsleistung2,6 Mio. TonnenProduktionswert

6,9 Mrd. Euro250 Unternehmen

29.500 Beschftigte

Daten 2010

A Branchenvorstellung



Produktionsleistung2,6 Mio. TonnenProduktionswert

6,9 Mrd. Euro250 Unternehmen

29.500 Beschftigte

Daten 2010

A Branchenvorstellung


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B1 Konstruktiver Leichtbau

Geschmiedete Ausgleichswelle (Bild: Stahl-Informations-Zentrum, Dsseldorf)

Topologieoptimierung eines Schwenklagers (Grafik: Hirschvogel Automotive Group)


Ersatz von Stahl durch Aluminium

B1 Stofflicher Leichtbau

Gewichtsreduzierung auf Grund Verwendung eines Alu-Schmiedeteiles um 1,8 kg (bei genderter Achskonstruktion)

Radtrger alte C-Klasse Radtrger neue C-Klasse

Quelle: Hirschvogel

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Aktuelle Werkstoffentwicklungen (Stahl)Grundstzliche Idee: Beim Einsatz hherfester Werkstoffe bentigt man weniger WerkstoffEntsprechende aktuelle Entwicklungen sind:

Neue Werkstoffe und angepasste Prozessketten fr hherfeste Stahlwerkstoffe (AFP-M) in geschmiedeten Strukturbauteilen

Effiziente Prozessketten und neue hochfeste (bainitische) Sthle zur flexiblen Darstellung hoch beanspruchter Strukturbauteile

Schmiedesthle mit verbesserter Betriebsfestigkeit durch verformungsinduzierte Phasenumwandlung (TRIP)



B1 Vergleich Werkstoffeigenschaften

Quelle: Hirschvogel

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Stofflicher Leichtbau Aktuelle Werkstoffentwicklungen

Neue Werkstoffe und angepasste Prozessketten fr hherfeste Stahlwerkstoffe (AFP-M) in geschmiedeten Strukturbauteilen

B1 Energieeffizienz durch Bauteilauslegung

Quelle: Neue Werkstoffe und angepasste Prozessketten fr hherfeste Stahlwerkstoffe in geschmiedeten Strukturbauteilen


B1 Werkstoffentwicklungen

Am Beispiel Achsschenkel wurden mit Pilotschmelzen im Vergleich mit den Ausgangswerkstoffen folgende Verbesserungen erreicht: Streckgrenze verbessert sich

um 100 280 MPa Zugfestigkeit verbessert sich

um 115 250 MPa Streckgrenzenverhltnis verbessert

sich von ca. 0,60 auf bis zu 0,73 Die Dauerfestigkeit steigt mit der

statischen Festigkeit. Die gewnschte Zhigkeit wird mit

bainitischen Gefge erreicht.

Streckgrenze [MPa]

Zugfestigkeit [MPa]

Streckgrenzen-verhltnis

Bruchdehnung [%]

Zhigkeit bei RT [J]

Ziel > 800 > 1000 > 0,80 > 10 > 27

Quelle: Neue Werkstoffe und angepasste Prozessketten fr hherfeste Stahlwerkstoffe in geschmiedeten Strukturbauteilen

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B1 Werkstoffentwicklungen

Streckgrenze [MPa]

Zugfestigkeit [MPa]

Bruchdehnung [%]

Zhigkeit bei RT [J]

Ziel > 850 > 1200 > 10 > 27

Am Beispiel Achsschenkel und Common Rail konnten die angestrebten mechanischen Eigenschaften erreicht werden Streckgrenze 720 780 MPa Zugfestigkeit 1260 1280 Mpa Bruchdehnung 10 -15 Zhigkeit 25 - 33. Bainitanteil 97 99 %

NFZ-

AchsschenkelQuelle: Neue Werkstoffe und angepasste Prozessketten fr hherfeste Stahlwerkstoffe in geschmiedeten Strukturbauteilen


Stofflicher Leichtbau Versagensorientierte Bauteilauslegung

Grundstzliche Idee: Eine auf Basis realittsnaher Belastungsprofile und Versagenskriterien sowie unter Bercksichtigung lokaler Bauteilbelastungen und eigenschaften durchgefhrte Dimensionierung von Bauteilen fhrt gegenber der pauschalisierten Bemessung zu geringerem MaterialbedarfEntsprechende aktuelle Entwicklungen sind: Betriebssichere Auslegung von Fahrwerkssicherheitsbauteilen

aus AFP-Stahl Einfluss von Faserverlauf und Gefge auf die Schwingfestigkeit

von AFP-Sthlen Untersuchung der Versagenskriterien von Schmiedeteilen in Stahl

und Aluminium


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Versagensorientierte Bauteilauslegung Einfluss von Faserverlauf und Gefge auf die Schwingfestigkeit

von AFP-Sthlen


30 mm

Stauchprobe

Rohling

Quelle: Hirschvogel


Quelle: Bhler, Breitenfeld, EWS, IFW

Stahlschmelze

Strangguss

Warmwalzen

Rundmaterial

In der Schmelze ist Schwefel in Eisen lslich. Whrend der Erstarrung scheidet sich Schwefel aus und verbindet sich mit Mangan zu MnS.

Einflu des FaserverlaufsStahlerzeugung

MnS-Faser

Werkstoff: 38MnSiVS5 Quelle: Hirschvogel


Walzrichtung

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Einfluss Faserlage auf Zugfestigkeit und DehngrenzeZugfestigkeit Rm und Dehngrenze Rp0,2steigen mit abnehmendem Schwefelgehalt.

Die Faserorientierung spielt keine signifikante Rolle.

Rp0,2Rm

Werkstoff: 38MnSiVS5

Bruchdehnung A und Brucheinschnrung Z sind abhngig von der Faserorientierung zur Belastungsrichtung (lngs/quer).

Auer bei der Brucheinschnrung Z in Querrichtung hat der Schwefelgehalt keinen signifikanten Einfluss.

SHL = S hoch, lngs SHQ = S hoch, querSNL = S niedrig, lngs SNQ = S niedrig,quer

ZA5m

Quelle: Einfluss von Faserverlauf und Gefge auf die Schwingfestigkeit von AFP Sthlen, AVIF Projekt A245


Einfluss Faserlage auf Dauerfestigkeit

Probenabmae: l = 80mm, d = 12mm

Werkstoff: 38MnSiVS5

Lngs

orientiert

Quer

orientiert

Die Dauerfestigkeit ist abhngig von der Faserorientierung zur Belastungsrichtung (lngs/quer).Lngs orientierte Proben weisen eine hhere Dauerfestigkeit auf als quer orientierte. Ein hoher S-Gehalt senkt zustzlich die Dauerfestigkeit.

Quelle: Einfluss von Faserverlauf und Gefge auf die Schwingfestigkeit von AFP Sthlen, AVIF Projekt A245

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B2 Reduzierung des Materialeinsatzes

kleine Stckzahl

geringe Anpassungan Fertigform

mittlere Stckzahl

mige Anpassungan Fertigform

groe Stckzahl

gute Anpassungan Fertigform

Fertigteil

Schmiedeteil

Bearbeitung

Fertigung

Werkstoff

Werkzeug

Kosten

Bearbeitung

Fertigung

Werkstoff

Werkzeug

Bearbeitung

Fertigung

Werkstoff

Werkzeug

Fertigteil

Schmiedeteil

Fertigteil

Schmiedeteil



Near-Net-Shapeund Net-Shape-Bauteile

B2 Reduzierung des Materialeinsatzes

Quelle: Hirschvogel

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Stromerzeugung

Erwrmen

UmformenWrmebehandlung

Energiebilanz fr Massivumformteile

Stahlwerk

Stranggieen

Walzwerk

Primrenergiebedarf= 20,9 GJ/to (68%)

Primrenergiebedarf= 9,8 GJ/to (32%)

= 100%

B2 Energieeffizienz bei der Bauteilfertigung

Quelle: Projektskizze: 3389 Erhhung der Energieeffizienz in der Massivumformung (ENERMA)


B2 Energieeffizienz bei der Bauteilfertigung

Energieeinsatz ist abhngig von Stahlerzeugung

(Rohstahl / Elektrostahl) Umformverfahren

4 Kg

PKW-Getriebewelle

Quelle: Hirschvogel

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B2 Nutzung Wrme

Die entlang des Umformprozesses entstehende Abwrme wird heute berwiegend nur zu Heizzwecken genutzt.Das BMBF gefrderte Projekt ENERMASS hat zum Ziel, die Nutzung der eingesetzte Prozessenergie zu verbessern: Einsatzmaterial einsparen Wrme im Bauteil zur

Wrmebehandlung nutzen Wrmen effektiver ermglichen Wrme auf hohem Temperaturniveau

sammeln um sie besser nutzen zu knnen

Quelle: Erhhung der Energieeffizienz in der Massivumformung (ENERMASS) BMBF 02PO2000


Integrierte Wrmebehandlung, Hrtung ...

B2 Effiziente Einbringung und Nutzung der Wrme

Schematische Darstellung der Wrmebehandlungsverfahren bei Gesenkschmiedeteilen aus Stahl

*Austenitisieren und Abschrecken

Vergten(V)

Aus der Schmiedewrme kontrolliert abkhlen,

isothermisch umwandeln (BG oder BF)

Aus der Schmiedewrme kontrolliert abkhlen,

kontinuierlicher Verlauf (P)


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Integrierte Wrmebehandlung, Hrtung ... Forschung:

Integration der Wrmebehandlung, einer verfestigenden Lauwarmumformung und der Heizerspanung in eine sensorkontrollierte Abkhlung aus der Schmiedehitze.

RT

Zeit

Tem

pe

ratu

r

Hei-

Umformung

FP-Glhen

Kalt-Umformung

Kalt-Zerspanung

(Einsatz)-Hrten

Sensorgeregelte

Abkhlung

Lauwarm-Umformung

Hei-ZerspanungA3

A1

Quelle: Erhhung der Energieeffizienz in der Massivumformung (ENERMASS) BMBF 02PO2000

B2 Effiziente Einbringung und Nutzung der Wrme


Energie-einsparung bei rotatorisch betriebenen Bauteilen durch Reduktion nicht tragender Querschnitte

B3 Energieeffizienz beim Bauteilbetrieb

Quelle: Hirschvogel

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B3 Energieeffizienz beim Bauteilbetrieb

Reduzierte Massen und Querschnitte

Funktionsintegration

Belastbarkeit die nur von Umformteilen und entsprechenden Werkstoffen geleistet werden knnen

Quelle: Hirschvogel


Energieeffizienz und Leichtbauin der Massivumformung

Vielen Dank fr Ihr Interesse

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