TU Berlin – FZS Forschungszentrum Strangpressen

Projekte

Laufende Projekte

Im Gegensatz zur konventionellen Herstellungsroute, die das Heißpressen und Sintern von Magnetpulvern umfasst, werden in diesem Projekt Permanentmagnete mittels Strangpressen hergestellt. Dabei werden zunächst die Magnetpulver für das Strangpressen von Magneten zunächst bestimmt und ausgewählt. Die Magnetpulver werden dabei von kommerziellen Herstellern erworben. Bei der Auswahl der Magnetpulver werden die Verteilungen der Partikelgrößen sowie die chemische Zusammensetzung der Pulver bestimmt. Ein weiteres Unterscheidungsmerkmal der einzusetzenden Pulver ist die verwendete Matrix, in der die Partikel eingebunden sind. Bei der Umformung von pulverförmigen Werkstoffen bietet das Strangpressen den Vorteil, dass sowohl vorverdichtete als auch unverdichtete Pulver als Ausgangsmaterial eingesetzt werden können. Somit werden die Fertigungsschritte des Verdichtens und der Formgebung in einem Prozessschritt zusammengefasst. Da für die spätere Leistungsfähigkeit der Permanentmagnete die aufgrund der starken Texturierung des Werkstoffes auftretende Anisotropie entscheidend ist, bietet das Strangpressen durch seine gerichtete Umformung einen weiteren Vorteil. Um diese Vorteile technologisch nutzen zu können, ist es erforderlich, die gesamte Prozesskette von der Verdichtung des Pulvers (z.B. NdFeB) über die Erwärmung und das Strangpressen bis hin zu einer nachfolgenden Magnetisierung zu betrachten. Die mittels Strangpressen hergestellten Permanentmagnete sollen speziell für den Einsatz auf Rotoroberflächen zugeschnittene Eigenschaften aufweisen. Dabei können diese Magnete z.B. eine komplexe Geometrie erhalten, die sich der Geometrie einer Rotoroberfläche anpasst. Es kann aber auch während des Strangpressens ggf. ein Verbundhalbzeug aus dem Rotorwerkstoff und dem Permanentmagneten hergestellt werden, so dass der Prozessschritt der Montage der Magnete auf der Rotoroberfläche oder im Rotor entfallen würde. In Abhängigkeit der erforderlichen mechanischen Eigenschaften der Permanentmagnete im Betrieb können auch keramische Verstärkungselemente hinzugefügt werden.

Dieses Projekt wird durch Mittel des Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) gefördert.

Ansprechpartner: Dipl.-Ing. Alexander Rüdiger

Neben thermo-mechanischen Wechselbelastungen führen vor allem tribologische Anteile beim Strang-pressen von Bunt- und Schwermetallen zu einem schnellen Verschleiß an den Matrizen. Die tribologi-sche Belastung resultiert aus der Interaktion zwischen dem Umformgut und den Werkzeugoberflächen unter hohen Flächenpressungen. Die zentrale Aufgabe des Vorhabens ist die Untersuchung und Identi-fikation dieser Vorgänge, um dadurch eine Verschleißreduzierung oder auch Produktoptimierung zu erreichen. Dies sind wesentliche Ansätze, um die Produktion von Profilen aus Kupfer oder Messinglegie-rungen, insbesondere moderner bleifreier Legierungen, deutlich wirtschaftlicher gestalten zu können.

Dieses Projekt wird im Rahmen der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) durch Mittel des Bundesministerium für Wirtschaft und Energie gefördert.

Ansprechpartner: M. Sc. Stefan Kuhnke

Basierend auf durchgeführten Simulationsrechnungen und begleitenden praktischen Vorversuche werden die Konzeption und Entwicklung einer modularen Werkzeugtechnologie deren Werkzeugkomponenten hinsichtlich der erforderlichen Formgebungsgeometrie, insbesondere bzgl. Tragarmen, Verschweiß-Kammer etc. abgeleitet werden. Zugleich sollen durch eine entsprechende Werkstoffauswahl der Einzelkomponenten (z. B. Keramik- und Hartmetalleinsätze, Kobalt- bzw. Nickelbasis-Legierungen etc.) sowie die zugehörige Beschichtungs-technologie (z. B. CVD-Beschichtungen bzw. Hartchromschichten oder Stellit-Panzerungen) beim Strangpressen der Buntmetalle, insbesondere von bleifreien Messing- und Kupferlegierungen die Neigung zu Abrasion und Adhäsion minimiert und damit die toleranzgenaue Herstellung schwer beherrschbarer Hohlprofile u. a. für die Bereiche Lüftungs- und Klimatechnik ermöglicht werden.

Dieses Projekt wird im Rahmen des Zentralen Innovationsprogramms Mittelstand (ZIM) durch Mittel des Bundesministerium für Wirtschaft und Energie gefördert.

Ansprechpartner: M. Sc. Stefan Kuhnke

Im Leichtbau werden Aluminiumlegierungen aufgrund ihrer guten gewichtsspezifischen Festigkeit und ihrer leichten Verarbeitbarkeit für vielseitige Anwendungen verwendet. Graphen verfügt über herausragende Festigkeits- und Steifigkeitswerte sowie eine extrem hohe elektrische Leitfähigkeit, sodass es ein attraktives Material für den Einsatz als Verstärkungsphase in Aluminium darstellt. Für eine effektive Steigerung der Werkstofffestigkeit ist es erforderlich, dass das Graphen in der Al-Matrix möglichst homogen verteilt vorliegt. Gesamtziel des beantragten Projekts ist es daher, zu erforschen mit welchen prozesstechnischen Verfahren eine möglichst homogene Dispersion erreicht werden kann. So soll zum einen für eine bessere Anbindung an die Matrix eine geeignete Funktionalisierung des Graphens vorgenommen werden. Weiterhin sollen Al-Pulver und Graphen-Partikel einerseits trocken mechanisch und andererseits nass vermischt werden. Nachdem vorkompaktierte Verbundpresslinge erzeugt wurden, soll untersucht werden wie sich die Umformverfahren des Strangpressens sowie der Scherumformung (ECAP) auf die Dispersion des Graphens auswirken. Anschließend erfolgen Analysen der Mikrostruktur und eine Charakterisierung der erzeugten Verbundwerkstoffe hinsichtlich der mechanischen Eigenschaften unter Zugbeanspruchung. Abschließend ist es ein Ziel die elektrische Leitfähigkeit dieser neuartigen Verbundwerkstoffe zu ermitteln. Damit soll in Erfahrung gebracht werden, ob diese als Leiterwerkstoff und damit als leichte und günstigere Alternative zu Kupfer verwendet werden können.

Dieses Projekt wird durch Mittel der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert.

Ansprechpartner: Dr.-Ing. Maik Negendank

Die zunehmende Forderung nach innovativem Leichtbau verlangt den Einsatz von Magnesium als Konstruktionswerkstoff. Mittels verschiedener Legierungselemente und Fertigungsprozessen konnten die mechanischen Eigenschaften von Magnesium stetig gesteigert werden. Besonders hervorzuheben ist die Steigerung der mechanischen Eigenschaften von Magnesium durch die Behandlung mit Servere-Plastic-Deformation-Prozessen. Jedoch weißt Magnesium nach dem Strangpressen oder Walzen durch seine Hexagonale Gitterstruktur und die Notwendigkeit der Zwillingsbildung zur Verformung Unterschiede der Fließgrenzen in Abhängigkeit von Druck- oder Zugspannung (Strength Differential Effect, SDE) sowie der Belastungsrichtung im Verhältnis zur Strangpress- bzw. Walzrichtung (Anisotropie) auf. Da in der Realität vorwiegend mehrachsige Spannungszustände auftreten, stellen der SDE und die Anisotropie einen Nachteil von Magnesium dar. Um das Spektrum der Anwendungsmöglichkeiten von Magnesiumlegierungen als Konstruktionswerkstoff zu erhöhen, sind grundlagenwissenschaftliche Kenntnisse über die Beeinflussung des SDE bzw. der Anisotropie von großer Bedeutung. In diesem Projekt sollen durch innovative Prozessführung die Mikrostruktur und letztendlich die mechanischen Eigenschaften zum einen durch eine Verstärkung der Schubspannungsanteile, zum anderen durch eine Erhöhung der Druckspannungsanteile beeinflusst werden. Dabei wird der Schubspannungsanteil konstruktiv durch Integration der ECAP-Umformung und durch Vorkammern in der ursprünglichen Pressmatrize erhöht. Der Druckspannungsanteil wird durch die Bolzenvorbehandlung mittels Schmieden vor dem Strangpressen erhöht.

Dieses Projekt wird durch Mittel der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert.

Ansprechpartner: M. Sc. Martin Jähnke

Wesentliche Fragestellungen für die Lieferanten von Aluminiumprofilen und die Automobilhersteller für eine Crashanwendung betreffen die optimale Kombination von Festigkeit, Duktilität und Profilgeometrie. Die finalen mechanischen Eigenschaften von Aluminiumprofilen hängen von der chemischen Zusammensetzung, den Strangpressparametern, den anschließenden Wärmebehandlungen (Abschreckung, Warmauslagerungen) und der Belastungssituation ab. Da die Anzahl der Einflussfaktoren umfangreich und das Prozessfenster nicht deutlich ist, sind für eine gegebene Legierung keine einfachen Beziehungen zwischen den Prozessparametern und den gewünschten mechanischen Merkmalen für ein optimiertes Crashverhalten vorhanden.

Das Ziel des Projekts ist die Entwicklung einer für KMU umsetzbaren Methodik zur Bewertung der Crashtauglichkeit stranggepresster Aluminiumprofile auf Basis von Prozessparametern und spezifischen mechanischen Merkmalen. Die Arbeitshypothese besteht darin, dass die Zusammenhänge des Crashverhaltens von unterschiedlichen Profilen mit den Fertigungsschritten mit Hilfe von ausgewählten Merkmalen aus Proben- und Komponentenversuchen sowie Simulationen unter Einsatz mathematischer Prozessmodelle wie künstlichen neuronalen Netzwerken zuverlässig zu ermitteln sind. Dabei wird ein zweistufiger Modellansatz entwickelt. Das erste Teilmodell (Strangpress-Modell) liefert quantitative Aussagen zu den Profilmerkmalen. Diese Werte stellen die Eingangsgrößen für das zweite Teilmodell (Crashtest-Modell) dar. Das vorgeschlagene Projekt beinhaltet eine Untersuchungskette von der Herstellung von strangpressten Aluminiumprofilen über die Ermittlung ihrer mechanischen und Mikrostruktur-Merkmale bis zur Bestimmung ihres gesamten Crashverhaltens. Neben umfangreichen experimentellen Untersuchungen werden Prozess- und Crashsimulationen sowie mathematische Analysemethoden zur Identifizierung von verschiedenen Merkmalen und zur Bestimmung der Korrelationen zwischen diesen Merkmalen und dem Crashverhalten eingesetzt.

Mit der Methode sollen Fertigungsprozesse hinsichtlich der Crashtauglichkeit optimiert und die zu erwartenden Crasheigenschaften bei variierenden Prozessparametern vorhergesagt werden können.

Dieses Projekt wird im Rahmen der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) durch Mittel des Bundesministerium für Wirtschaft und Energie gefördert.

Ansprechpartner: Dipl.-Ing. René Nitschke

Abgeschlossene Projekte

Die geringen Dichten von Aluminium- und besonders Magnesiumlegierungen und die daraus resultierenden hohen spezifischen Festigkeiten machen diese Metalle attraktiv für Leichtbaukonstruktionen im Automobil- und Flugzeugbau. Das Gewicht von stranggepressten Hohlprofilen in diesen Transportmitteln ließe sich weiter senken, wenn es möglich wäre große Wandstärken nur an besonders stark belasteten Stellen eines Profils zu realisieren und in den übrigen Bereichen eine geringere Wanddicke zu erzeugen. Auf diese Weise müsste nicht das gesamte Hohlprofil mit dem größten Querschnitt produziert werden. Ziel des Vorhabens ist es, durch das Umformverfahren „indirektes Strangpressen“ zunächst mittels axial beweglicher Dornspitze Rund- und Formrohre mit über die Länge variabler Wandstärke in einem einzigen Prozessschritt herzustellen. Zu einem späteren Zeitpunkt sollen dann komplexere Hohlprofile durch geeignete Konstruktion von Kammerwerkzeugen produziert werden. Die Strangpressversuche werden durch mikrostrukturelle Charakterisierung der Pressprodukte begleitet, um die Einflüsse der Pressparameter auf den Pressprozess und auf die Eigenschaften der Pressprodukte zu untersuchen. Dabei kommen Licht- und Elektronenmikroskopie, sowie röntgenographische Untersuchungsverfahren zum Einsatz. Die mechanischen Eigenschaften der Hohlprofile sollen durch Zug- und Druckversuche an entnommenen Materialproben sowie durch Druckversuche an ganzen Hohlprofilabschnitten bestimmt werden.

Dieses Projekt wurde durch Mittel der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert.

Ansprechpartner: Dr.-Ing. Maik Negendank

Im Zuge erhöhter Bemühungen um einen modernen Leichtbau hat Magnesium als leichtester metallischer Konstruktionswerkstoff in den letzten 10 Jahren wieder an Bedeutung gewonnen. Jedoch werden Magnesiumlegierungen im Automobilbau fast ausschließlich als Gussbauteile verwendet, obgleich sie grundsätzlich strangpressbar sind. Stranggepresste Profile aus Magnesiumknetlegierungen werden in der Serienfertigung derzeitig noch nicht eingesetzt. Dies ist unter anderem in der mangelnden Korrossionsbeständigkeit und Schweißbarkeit der heutzutage verfügbaren Magnesiumknetlegierungen begründet. Aus diesen Überlegungen heraus, stellen Profile aus Magnesiumknetlegierungen mit einer Hülle aus einer korrossionsbeständigen und konventionell schweißbaren Aluminiumlegierung einen möglichen Lösungsansatz dar. Jedoch ergibt sich aufgrund des unterschiedlichen Verformungsverhaltens von Magnesium- und Aluminiumlegierungen beim Strangpressen eine Durchmengung der beiden Werkstoffe im Bereich der Pressnähte. Basierend auf den mittels FEM-Simulationen des Materialflusses von Magnesium und Aluminium sowie des Magnesium-Aluminiumverbundes beim Strangpressen durch ein Kammerwerkzeug gewonnenen Erkenntnissen werden speziell für die Coextrusion optimierte Werkzeuge in Abhängigkeit der Prozessparameter bestimmt, so dass Verbundprofile mit homogenen Eigenschaften über den Querschnitt und die Länge prozesssicher hergestellt werden können.

Dieses Projekt wurde durch Mittel der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert.

Ansprechpartner: Priv.-Doz. Dr.-Ing. Sören Müller

Durch das Umformverfahren Strangpressen ist die Herstellung von Magnesiumblechen in einem Prozessschritt möglich. Zudem weisen stranggepresste Mg-Flachprofile im Vergleich zu gewalzten Blechen Unterschiede in ihrer Mikrostruktur und in ihren mechanischen Eigenschaften auf. So wird in den stranggepressten Profilen eine ausgeprägte Anisotropie in der Blechebene beobachtet. Für nachfolgende Umformprozesse sind aber möglichst isotrope Materialeigenschaften wünschenswert. Hieraus ergibt sich das Ziel, durch eine geeignete Wahl der Mg-Legierung und der Prozessparameter, unter Verwendung des direkten Strangpressens, einfache sowie komplexe Mg-Bleche mit einer Breite > 150 % des Aufnehmerdurchmessers herzustellen, die sich durch ein möglichst umformfreundliches Materialverhalten auszeichnen. Begleitend werden Finite Elemente Simulationen durchgeführt, um zum einen kritische Prozessparameter, die zu einem instabilen Materialfluss führen, zu identifizieren bzw. zu lokalisieren und zum anderen um die Ursache für den starken Anstieg der Profilaustrittstemperatur während des Mg- Strangpressens zu klären. Zur Bewertung der Umformbarkeit der Bleche werden neben Tiefungsversuche auch Grenzformänderungsschaubilder bei erhöhten Temperaturen ermittelt. Hierzu wird das Verfahren angepasst und weiterentwickelt und der Versuchsstand modifiziert.

Dieses Projekt wurde durch Mittel der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert.

Ansprechpartner: Priv.-Doz. Dr.-Ing. Sören Müller

Der Trend, verstärkt Werkstoffverbunde auf Aluminiumbasis als Leitermaterialien einzusetzen, macht vielfältige Strategien zur Verbundprofilherstellung notwendig. Das Strangpressen von zwei oder mehr Werkstoffpartnern bietet eine Möglichkeit der Herstellung von Hybridprofilen in einem einzigen Umformschritt. Für den Erfolg des Verbundstrangpressens ist das gleichmäßige Fließen der Materialpartner in der Umformzone über den kompletten Pressprozess hinweg erforderlich. In vorangegangenen Untersuchungen wurde gezeigt, dass mittels des hydrostatischen Strangpressens makroskopisch fehlerfreie Cu/Al-Verbundstangen produziert werden können. Demnach liegen dabei offenbar geeignete Fließbedingungen vor, die einen gleichmäßigen Materialfluss für beide Werkstoffe und somit zur Verbundherstellung gewährleisten. Verfahrenstechnisch ist das hydrostatische Strangpressen durch das Befüllen des Blockaufnehmers mit einem Druckübertragungsmedium vor dem Pressbeginn allerdings deutlich aufwändiger und weniger produktiv als die Verfahrensalternativen des direkten und indirekten Strangpressens. Des Weiteren müssen die Bolzen bei diesem Verfahren stets konisch ausgestaltet sein, wodurch der Aufwand der Bolzenpräparation bei diesem Pressverfahren deutlich erhöht ist. Im Gegensatz dazu bietet das indirekte Strangpressen ähnlich wie das hydrostatische Strangpressen ebenfalls einen sehr homogenen Materialfluss, jedoch ohne die beschriebenen Nachteile. Allerdings können durch den im Vergleich zum hydrostatischen Pressen abweichenden Spannungszustand auch andere Fließbedingungen vorherrschen und somit die Verbundqualität beeinflussen. Ziel des vorliegenden Antrags ist es daher, Cu/Al-Werkstoffverbunde durch das indirekte Strangpressverfahren herzustellen und deren Eigenschaften in Abhängigkeit von den verwendeten Prozessparametern zu charakterisieren. Aus dieser Zielsetzung ergeben sich unterschiedliche grundlagenwissenschaftliche Fragestellungen, die im Rahmen des Vorhabens untersucht werden sollen. Hierzu zählen unter anderem die Klärung der Einflüsse des vorliegenden Spannungs- und Dehnungszustands, des Materialflusses und der Reibungsverhältnisse auf die Bedingungen zur Verbundausbildung bei Verwendung des indirekten Pressverfahrens.

Dieses Projekt wurde durch Mittel der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert.

Ansprechpartner: M. Sc. Stefan Kuhnke

Hohlprofile mit komplexer Querschnittsgeometrie werden überwiegend über Kammerwerkzeuge stranggepresst. Durch die Matrizeneinläufe wird das Pressmaterial zunächst in zwei oder mehrere Teilstränge geteilt und schließlich in der Schweißkammer vor dem Austreten aus dem Matrizendurchbruch wieder zusammengeführt. Dabei entstehen Längsnähte und bei nachfolgenden Pressungen zusätzlich Quernähte im Pressprofil. Die Pressnahtausbildung ist für die Profilqualität von entscheidender Bedeutung. Während das Strangpressen von Hohlprofilen mit Hilfe von Kammerwerkzeugen bei Aluminium-werkstoffen weitgehend bekannt ist, wurden derartige Arbeiten mit Magnesiumlegierungen bisher kaum durchgeführt. Das Fehlen notwendiger Erkenntnisse zur Nahtbildung in Hohlprofilen aus Magnesiumlegierungen, zur mikrostrukturellen Charakteristik der Naht und zu den Auswirkungen auf die mechanischen Eigenschaften machen grundlegende Untersuchungen notwendig. Im Rahmen dieses Projekts wird einerseits eine umfassende Charakterisierung der mikrostrukturellen und der mechanischen Eigenschaften der Strangpressnähte in Abhängigkeit der am Pressprozess beteiligten Parameter durchgeführt. Andererseits werden begleitend FE-Simulationen zur Optimierung des Strangpressens von Magnesiumhohlprofilen mittels Kammerwerkzeuge realisiert.

Dieses Projekt wurde durch Mittel der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert.

Ansprechpartner: Priv.-Doz. Dr.-Ing. Sören Müller

Aufgrund des bisherigen Erkenntnisstands, lassen sich die derzeit unbefriedigenden Simulationsergebnisse auf die mangelhaften Erkenntnisse bezüglich der Reibvorgänge im Presskanal und somit auch auf die unkorrekt angewandten Ansätze bei der FEM – Modellierung und -Berechnung, insbesondere beim Reibungsmodell, zurückführen.

Zur Erzielung einer exakten Simulation ist es jedoch erforderlich sowohl eine Verifikation aller Entwicklungsschritte durch experimentellen Abgleich anhand von einer parametersensitiven Spezialmatrize als auch eine FEM – Implementierung durch den Software-Entwickler durchzuführen.

Durch den Einsatz eines sensitiven Matrizendesigns ist es möglich, die Einflüsse der wesentlichen ‘Werkzeug-Prozessparameter‘ auf den Materialfluss erkennbar zu machen und zeitgleich ein geeignetes Referenzmodell für die Verifizierung eines theoretischen Reibmodells in den Händen zu halten. Die Ergebnisse aus den experimentellen Untersuchungen zum Einfluss der Presskanalgeometrie und damit auch der im Presskanal herrschenden Reibungsverhältnisse, auf die Strangaustrittsgeschwindigkeit wurden mit den anhand numerischer Methoden erzielten Ergebnissen verglichen werden.

Darüber hinaus trugen die aus den experimentellen Untersuchungen gewonnenen neuen Erkenntnisse hinsichtlich der Presskanalreibung und deren Mechanismen zur Entwicklung der notwendigen Modellerweiterungen bei, um auch für dieses Fertigungsverfahren ein geeignetes Tool zur rechnergestützten Planung der Prozesse zu liefern. Dies geschah in enger Zusammenarbeit sowohl mit dem Werkzeughersteller als auch mit dem Software-Entwickler.

 

Dieses Projekt wurde im Rahmen der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) durch Mittel des Bundesministerium für Wirtschaft und Energie gefördert.

Ansprechpartner: Priv.-Doz. Dr.-Ing. Sören Müller