Superplastisches Formen von Aluminium - ALU- · PDF fileWer sind wir? Christoph Pirchl, MSc...

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

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)



Mechanische Eigenschaften nach dem Umformen und anschliessenderWärmebehandlungDehngrenze Rp0,2 470 N/mm2



EinsatzgebieteFlugzeugindustrie

LegierungenEN AW 5754 (AlMg3)



Mechanische Eigenschaften nach dem UmformenDehngrenze Rp0,2 80 N/mm2



EinsatzgebieteWenig beanspruchte Verschalungsteile beim KabinenbauUntergeordnete Strukturteile

Inhalt


•Anwendung in der Industrie



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


Diffusionsschweissen

• Temperatur: 500 bis 540 °C• Haltedruck: 2MPa• Atmosphäre: Vakuum oder Schutzgas• Haltezeit: 1 bis 3 Stunden


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





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





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

Superplastisches Formen von Aluminium - ALU- · PDF fileWer sind wir? Christoph Pirchl, MSc...

Documents

Transcript of Superplastisches Formen von Aluminium - ALU- · PDF fileWer sind wir? Christoph Pirchl, MSc...