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Fügen durch Form-Knickbauchen – Verfahrenserweiterung zur Erhöhung der Verbindungsfestigkeit und Erweiterung des Anwendungsspektrums

Laufzeit:2 Jahre
Förderung:EFB/AiF
Kontakt:femifum.uni-hannover.de

Motivation

Bei Verbindungen, bei denen Rohre an Rohre oder Flansche gefügt werden, bietet sich das Fügen durch Knickbauchen als Alternative zu Schmelzschweißverfahren an. Bei der Grundvariante des Fügens durch Knickbauchen wird ein Rohrabschnitt axial gestaucht, so dass ein umlaufender Knick entsteht. Anschließend wird z.B. ein gelochtes Blech auf den Knick gelegt und ein weiterer Knick erzeugt. Allerdings bestehen derzeit noch ungeklärte technische und wissenschaftliche Fragestellungen. Bislang wurden überwiegend voll ausgeformte Knicke untersucht. In Analogie zum 180°-Biegen von Blechen ist davon auszugehen, dass das Zusammendrücken des Knicks zu einer Schädigung bzw. Rissbildung führt, die die Verbindung beeinträchtigt. Systematische Untersuchungen zur Schädigung des Rohrmaterials im Knickbereich sind nicht bekannt. Ferner erlauben die überwiegend untersuchten axialsymmetrischen Knickformen nur ein geringes Anwendungsspektrum (Rohr-Flansch- und Rohr-Rohr-Verbindungen im Überlappstoß) und sind dabei nicht an die Belastung angepasst. Wird die Verbindung überwiegend auf Biegung oder Torsion belastet oder ist eine Verdrehsicherung gefordert, erscheinen andere  (z.B. wellenförmige) Knicke vorteilhafter, die allerdings bislang kaum untersucht wurden. Weiterhin werden komplexere Knickgeometrien ebenfalls benötigt, um das Anwendungspotenzial des Knickbauchens zum Fügen von Rohren und Profilen an gekrümmte Fügepartner (z.B. an Rohre im T-Stoß und Schrägstoß, an gekrümmte Rohre oder Formteile) auszuweiten.

Zielsetzung

Das Forschungsvorhaben verfolgt folgende Ziele:

  • Schaffen von CAE Tools zur Identifikation optimaler Knickformen und zur Machbarkeitsanalyse von Knickbauchverbindungen auf Basis von „Form-Knicken“
  • Erhöhen der Verbindungsfestigkeit, Verbesserung der Lasteinleitung an der Verbindungsstelle und Vermeidung von Bauteilfehlern bzw. Reduktion der Schädigung durch optimierte Knickformen
  • Entwicklung einer Methodik zur Charakterisierung des Schädigungsverhaltens von Rohren bei der Umformung durch Knickbauchen
  • Parametrisierung und Erprobung von spannungsbasierten Modellen für duktile Schädigung und Scherversagen
  • Entwicklung von Konzepten für modulare Werkzeuge und mobile Anlagen

Arbeitsprogramm

  • Definition von Werkstoffen und Demonstratorbauteilen
  • Definition von Demonstratorbauteilen und Werkstoffen, Ableitung von Maß- und Formtoleranzen von Rohren in Anlehnung an die DIN-Norm und Festlegung der Anforderungen an die Halbzeuge
  • Identifikation last- und geometrieangepasster Knickformen
  • Konstruktive Auslegung der Knickgeometrien sowie Erstellung und Parametrisierung der CAD-Modelle und Optimierung der Knickgeometrie durch FE-Simulation
  • Entwicklung einer Methodik zur Charakterisierung des Schädigungsverhaltens von Rohren
  • Herstellung und Analyse der Probengeometrien aus Rohrhalbzeugen, Auswahl und Durchführung von Versuchen zur Bestimmung des Materialversagens bei unterschiedlichen Spannungszuständen und Auswertung und Definition des Versagensvergleichsumformgrads der zu untersuchenden Materialien
  • Parametrisierung des spannungsbasierten Schädigungsmodells und simulative Auslegung des Form-Knickbauchprozesses
  • Parametrisierung der Versagensmodelle, Validierung der Versagensmodelle durch konv. Knickbauchprozess und simulative Auslegung des Form-Knickbauchprozesses
  • Experimentelle Untersuchung des Form-Knickbauchens und Herstellung von Füge-verbindungen
  • Konstruktion / Fertigung der Umformwerkzeuge, Untersuchung der Prozessgrenzen, Fügeversuche durch Knickbauchen mit unterschiedlichen Knickgeometrien und Herstellung von Prüfkörpern und Demonstratoren
  • Bauteilprüfung / Bauteilqualität
  • Metallographische Untersuchungen, experimentelle Untersuchungen zu statischen Verbindungsfestigkeiten, experimentelle Untersuchungen zu dynamischen Verbindungsfestigkeiten und Korrosionsverhalten
  • Werkzeugkonzepte für den mobilen Einsatz
  • Konzeption und Auslegung von Einspannvorrichtungen der Fügepartner, Konzeption von Antrieben für den Knickbauchvorgang und Konzepte für modulare Werkzeuge

 

Abbildung 1: Verbindungsbeispiele durch Knickbauchen von Rohren mit verschiedenen Profilen

Übersicht