Beschreibung
P 948 – Herstellung innovativer Stahlhalbzeuge mit wanddicke- und festigkeitsveränderlichen Eigenschaften für den Leichtbau durch Innendrückwalzen (IDW)
Leichtbaukonzepte sind bei Konstruktionen mit bewegten Massen wichtige Ansätze um die Bewegungsperformance und die Effizienz dieser Produkte zu optimieren. Insbesondere steigende Materialkosten und der (gesellschaftlich gewollte) verantwortungsvolle Umgang mit Ressourcen erfordern eine hohe Materialeffizienz bei der Konstruktion neuer Produkte. Beim Leichtbau basierend auf Stahllösungen, können diese Ziele nahezu ideal durch Verwendung von sog. „Tailored Produkten“ erreicht werden. Hier wird der Werkstoff im Bauteil durch definierte lokale Anpassung der mechanischen und geometrischen Eigenschaften an die Anforderungen optimal genutzt. Projiziert auf den Bereich der Stahlrohre und -profile begründet sich hiermit eine hohe Nachfrage hinsichtlich der Wanddickenkontur bzw. der lokalen Werkstoffeigenschaften angepasster Halbzeuge. Ziel des zugrundeliegenden Vorhabens war daher die Herstellung ebensolcher Rohre aus Stahlwerkstoffen mit Hilfe des Innendrückwalzens (IDW) technologisch zu untersuchen.
Im Vorhaben konnte nachgewiesen werden, dass mit dem IDW einzigartige und flexible Möglichkeiten zur Herstellung von wandstärkenveränderlichen (konturierten) Stahlrohren mit konstantem Außendurchmesser bzw. mit definiert konturierter Außenkontur bestehen. Wobei hervorzuheben ist, dass mit dem IDW hier beispielsweise lokale Wandstärkenreduktionen von bis zu 80% möglich sind. Dies macht den Einsatz von speziellen Prozessstrategien und Werkzeugsystemen erforderlich, die im Vorhaben – basierend auf entsprechenden grundlegenden Untersuchungen – erfolgreich entwickelt werden konnten. Die Leistungsfähigkeit des IDW konnte auch anhand der Fertigung von ausgesuchten Demonstratoren nachgewiesen werden. So konnte zum einen bei der Herstellung von IHU-Bauteilen für Abgasbehandlungsanlagen durch Einsatz spezieller wanddickenangepasster und durch das IDW gefertigter Halbzeuge ein großes Kosteneinsparpotenzial aufgezeigt werden. Damit konnte hier das erforderliche Halbzeuggewicht aus dem hochtemperaturfesten Edelstahl (1.4835) um 20 % im Vergleich zum Serienbauteil reduziert werden. Zum anderen konnten anhand der Fertigung von Lagersitzen an Rohren neben einer Materialersparnis durch die mit dem IDW mögliche Netshape Fertigung auch Zerspanungsprozesse und damit Kosten eingespart werden.
Das Ergebnis der Untersuchungen zeigt, dass das Innendrückwalzen ein besonderes Potential für die wirtschaftliche Herstellung von hochwertigen wandstärken- und eigenschaftsveränderlichen Halbzeugen bzw. bei der Bearbeitung von Bauteilen aus Stahl (mit ebensolchen Eigenschaften) als Basis für einen kosteneffizienten Leichtbau hat. Potentielle Anwendungsbereiche ergeben sich neben dem Fahrzeugbau insbesondere auch in der Luft- und Raumfahrttechnik, der Textilindustrie und natürlich dem allgemeinen Maschinenbau.
Das IGF-Vorhaben 17753 N der FOSTA – Forschungsvereinigung Stahlanwendung e. V., Düsseldorf, wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Das Vorhaben wurde an der Fakultät für Maschinenbau, Lehrstuhl für Umformende und Spanende Fertigungstechnik der Universität Paderborn durchgeführt.
Autoren:
Prof. Dr.-Ing. W. Homberg, Dipl.-Ing. E. Wiens
Veröffentlichung:
2018
