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Sonderforschungsbereich (SFB) 708 3D-Surface Engineering für Werkzeugsysteme der Blechformteilefertigung - Erzeugung, Modellierung, Bearbeitung -

Die Herstellung hochfester Formteile und Strukturelemente aus Blech für die Automobil- und Luftfahrtindustrie mittels umformtechnischer Fertigungsverfahren erfordert den Einsatz von besonders leistungsfähigen Werkzeugsystemen. Diese müssen einerseits hohe Standzeiten bei der Umformung von hochfesten Stahlblechen in der Mittel- bzw. Großserienfertigung gewährleisten können. Andererseits erfordert die Erzielung einer hohen und gleichbleibenden Bauteilqualität auch eine hohe Formgenauigkeit und Oberflächengüte bei den eingesetzten Werkzeugen. Diese Eigenschaften müssen die Werkzeuge, welche in der Regel eine sehr komplexe Geometrie aufweisen, auch über eine große Anzahl an Umformvorgängen erhalten.

Die Entwicklung und Fertigung von Umformwerkzeugen ist ein äußerst zeit- und kostenintensiver Prozess. Ein frühzeitiger Werkzeugverschleiß führt nicht nur zum Verlust der Abbildungsgenauigkeit bei den Blechformteilen, sondern mit fortschreitendem Verschleiß auch zum Maschinenstillstand. Neben dem Austausch der Werkzeuge verursacht auch die Nacharbeit fehlerhaft geformter Blechteile z.T. erhebliche Kosten. Vor diesem Hintergrund ist es leicht ersichtlich, dass der optimalen Auslegung von Umformwerkzeugen, vor allem hinsichtlich ihrer Verschleißbeständigkeit und ihrer Abbildungsgenauigkeit, eine besondere Bedeutung zukommt.

Um der genannten Problemstellung entgegenzutreten, entwickelt und erforscht der Sonderforschungsbereich (SFB) 708 eine neuartige Fertigungsmethodik zur wirtschaftlichen und ressourcenschonenden Herstellung hochverschleißfester Werkzeugoberflächen für die Umformtechnik auf Basis konturnah applizierter thermisch gespritzter Schichten. Die Abbildung zeigt die Beschichtung eines segmentierten Umformwerkzeugs mittels des Hochgeschwindigkeitsflammspritzens feiner WC-12Co Pulver und vor- bzw. nachgelagerte Prozessschritte wie die Bahnplanung, Roboterprozessführung und die Nachbearbeitung der Schichtoberfläche.

Die neuartige Fertigungsmethode des „Augmented 3D-Surface-Engineering“ ist durch die zusätzliche durchgängige virtuelle Modellierung aller Fertigungsschritte gekennzeichnet. Der Zweck der virtuellen Modellierung ist die praktikable Verbindung eines breiten Spektrums von Fertigungsverfahren der Oberflächentechnik bestehend aus Fräsen, thermischen Spritzen Walzen und Schleifen zu einer Fertigungsprozesskette sowie die simulationsbasierte Validierung des Umformens mit dem resultierenden Werkzeug. Die virtuelle Modellierung dient neben der iterationsarmen Herstellung eines qualitativ hochwertigen Werkzeugs der Reduktion, bzw. im Idealfall der völligen Elimination von Trial-and-Error-Versuchen. Das übergeordnete Ziel des SFB 708 ist die Realisierung des Augmented 3D-Surface-Engineering zur Herstellung von beschichteten Umformwerkzeugen. Damit ist eine Vielzahl zu lösender anspruchsvoller Forschungsfragen der Werkstofftechnik, der Fertigung, der Umformung, der mathemischen Modellierung, der Simulation und Optimierung sowie der effizienten Algorithmen und Datenstrukturen verbunden, die Gegenstand der Teilprojekte des SFB sind. Um dies zu ermöglichen, liegt die Besonderheit des SFBs in der interdisziplinären Zusammenarbeit zwischen Ingenieur- und Methodenwissenschaftlern aus den Bereichen Maschinenbau, Mathematik, Informatik und Statistik an der Technischen Universität Dortmund.

Collaborative Research Centre (SFB) 708

3D-Surface Engineering of Tools for the Sheet Metal Forming

- Manufacturing, Modelling, Machining -

The production of high-strength sheet metal components and structural elements for the automotive and the aerospace industries using forming processes requires the use of highly productive tool systems. On the one hand these tools have to provide a long service life for the forming of high-strength steel sheets in the middle or large-scale production. On the other hand the tools have to feature a high dimensional accuracy and surface quality to achieve a high and consistent component quality. These properties have to be provided by the tools, which generally feature a very complex geometry, even at a large number of forming operations.

The development and manufacturing of forming tools is a time-consuming and cost-intensive process. An early tool wear does not only lead to loss of the shape accuracy of the formed components, but with advancing wear also to a machine breakdown. Apart from the exchange of the tools, the rework of faulty shaped sheet metal parts also causes considerable costs. Against this background, it is obvious, that the optimal design of forming tools, especially with regard to their wear resistance and its shape accuracy, is of particular importance.

To counteract this problem, the Collaborative Research Centre (SFB) 708 develops and investigates a novel manufacturing methodology for the economical and resource-efficient production of highly wear-resistant tool surfaces for the forming technology based on thermally sprayed near net shape coatings. The figure shows the coating of a segmented forming tool by means of HVOF spraying using fine WC-12Co powders as well as pre- and postproduction process steps such as path planning, robot handling operation and finishing of the coating surface. The novel manufacturing method of the "Augmented 3D Surface Engineering" is characterized by the additional integrated virtual modeling of all manufacturing steps. The purpose of the virtual modeling is the practical connection of a wide range of surface engineering manufacturing techniques consisting of milling, thermal spraying, rolling and grinding to a manufacturing process chain as well as the simulation-based validation of the forming using the resulting tool. Beside the production of high quality tools with a low amount of iteration steps the virtual modeling serves to reduce, or in the ideal case to eliminate trial-and-error experiments. The overall objective of the SFB 708 is the realization of “Augmented 3D Surface engineering” for the production of coated forming tools. This comprises a variety of sophisticated questions related to the material engineering, the manufacturing, the forming, the mathematical modeling, the simulation and optimization as well as efficient algorithms and data structures, which have to be solved and are the subject of the projects in the SFB 708. To realize this, a special feature of SFBs lies in the interdisciplinary cooperation between engineers and methodologists from the fields of mechanical engineering, mathematics, computer science and statistics at the Technische Universität Dortmund.

Ansprechpartner / Contact persons

 

Sprecher / Spokesperson
Prof. Dr.-Ing. Dipl.-Wirt.Ing. Wolfgang Tillmann
Lehrstuhl für Werkstofftechnologie
Technische Universität Dortmund
Leonhard-Euler-Str. 2
44227 Dortmund

Telefon:

0231 755 2583

Telefax:

0231 755 4079

E-Mail:

wolfgang.tillmann@tu-dortmund.de

Geschäftsführer / Managing director

Dr.-Ing. Ingor Baumann

Lehrstuhl für Werkstofftechnologie

Technische Universität Dortmund

Leonhard-Euler-Str. 2

44227 Dortmund

 

Telefon:

0231 755 5318

Telefax:

0231 755 4079

E-Mail:

ingor.baumann@tu-dortmund.de

 

Sekretariat / Secretariat

Michael Wedekind

Lehrstuhl für Werkstofftechnologie

Technische Universität Dortmund

Leonhard-Euler-Str. 2

44227 Dortmund

 

Telefon:

0231 755 7312

Telefax:

0231 755 4079

E-Mail:

michael.wedekind@tu-dortmund.de