Die wirtschaftliche Nutzung umformtechnischer Verfahren erfordert fundierte Kenntnisse in Bezug auf die Werkzeug- und Prozessgestaltung. Ein Umformprozess ist abhängig von vielen Prozessparametern, die es bei der Entwicklung zu berücksichtigen gilt. Schon kleine Abweichungen von den Idealparametern können dazu führen, dass ein Umformprozess nicht mehr wirtschaftlich zu betreiben ist.

Aufgrund der langjährigen Erfahrung im Bereich der technologischen Prozessauslegung, ist das IFUM ein zuverlässiger Partner bei der Neuauslegung und Optimierung von Umformprozessen. Mit unserem Know-how unterstützen wir Sie dabei, Ihren Umformprozess bauteilgerecht, kosteneffizient und nach Ihren individuellen Bedürfnissen zu gestalten. Dies kann sowohl auf theoretischer Basis mithilfe einer Simulation, als auch auf praktischer Basis in diversen Praxisversuchen erfolgen.

Das IFUM unterstützt Sie bei der Entwicklung neuer Umformwerkzeuge und –prozesse. Unser Angebot umfasst die Auslegung und Konstruktion von Umformprozessen, die Erarbeitung individueller Werkzeugkonzepte und die Entwicklung neuer, innovativer Prozessrouten. Weiterhin können Machbarkeitsanalysen durchgeführt werden und Prozesse in Bezug auf ihre Skalierbarkeit untersucht werden.

Im Sinne der Qualitätssicherung und der Minimierung von Ausschussteilen unterstützten wir Sie bei der messtechnischen Erfassung und Überwachung Ihrer Umformprozesse. Das IFUM verfügt über diverses Equipment zur Prozessüberwachung und -regelung und steht Ihnen mit seinem Know-how hinsichtlich geeigneter Messtechnik beratend zur Seite. Auch die Implementierung von anwendungsspezifischer Sensorik in neue oder bestehende Werkzeugsysteme gehört zu den Tätigkeitsbereichen des IFUMs.

Das IFUM unterstützt Sie mit seinem Know-how bei der Optimierung bestehender Umformprozesse, von der Anpassung der Werkzeuge bis hin zur Analyse und Optimierung geeigneter Prozessparameter. Mithilfe der institutseigenen Pressen und Pressenwerkzeuge sind wir ebenfalls in der Lage, eigene Umformversuche mit unterschiedlichen Bauteilgeometrien durchzuführen. Dabei können neben neuen Werkzeugen oder Werkzeugbeschichtungen auch neue Werkstoffe und/oder Schmierstoffe untersucht werden.

Durch die Quantifizierung von Reibung lassen sich Aussagen über das tribologische System in umformtechnischen Prozessen treffen.

Im Bereich der Warmmassivumformung werden zu diesem Zweck Zylinder- oder Ringstauchversuche durchgeführt. Am IFUM stehen dazu Anlagen mit automatischen Sprüheinrichtungen zur Verfügung, um einen reproduzierbaren Schmierstoffauftrag zu gewährleisten.

Im Bereich der Blechumformung steht eine Streifenziehanlage mit und ohne Umlenkung bereit, mit der sich die Reibverhältnisse sowohl an Ziehradien als auch an Flanscheinzugsbereichen experimentell bestimmen lassen. Hierfür wird ein Blechstreifen entweder durch Flachbacken oder über einen zylindrischen Prüfkörper gezogen. In Abhängigkeit der sich einstellenden Kräfte lässt sich so der Reibwert für die jeweils untersuchte Materialpaarung ermitteln.

In Produktionsprozessen wird das tribologische System im Umformprozess hauptsächlich durch den Werkzeugverschleiß bewertet. Das IFUM bietet Möglichkeiten Verschleißmechanismen, wie z.B. Thermoschock, isoliert zu betrachten oder das gesamte Belastungskollektiv im industrienahen Serienschmiedeprozess mit einer vollautomatisierten Schmiedezelle zu untersuchen. Die belasteten Werkzeuge werden in regelmäßigen Abständen mit unserem Messmakroskop optisch vermessen und die Oberflächenrauheit gemessen. Im Anschluss an die Untersuchungen findet die metallographische Untersuchung von Schliffbildern und die Auswertung von Mikrohärteverläufen Anwendung.

Auch im Bereich der Blechumformung steht mit dem Verschleißprüfstand (VPS) eine Anlage bereit, mit der sich der an den Ziehradien eines Umformwerkzeuges auftretende Verschleiß experimentell nachbilden und analysieren lässt. Hierbei wird ein Ziehprozess dahingehend nachgebildet, dass ein Spaltband zyklisch über den Viertelkreisradius eines Prüfkörpers gezogen wird. Die Kontaktspannung kann hier sowohl über ein Einstellen der Zugkraft als auch durch eine Änderung der Probengeometrie für den individuell zu untersuchenden Fall eingestellt werden. Der Verschleißfortschritt kann so reproduzierbar über den Hubverlauf gemessen und analysiert werden.

Mithilfe optischer und taktiler Messtechnik können so verschleißkritische Bereiche beobachtet, Ursachen identifiziert und Gegenmaßnahmen verifiziert werden.

Die topographische und geometrische Vermessung von Bauteilen und Werkzeugen ist ein wichtiges Bewertungskriterium in der Umformtechnik. Für topographische Messungen steht am IFUM das optische Messmakroskop VR3200 der Firma Keyence zur Verfügung. Das Messgerät ermöglicht die Erfassung von dreidimensionalen Oberflächenkonturen und Rauheitsprofilen. Für die vollständige geometrische Erfassung von Bauteil- und Werkzeugkonturen verfügt das IFUM über eine Atos 2 400 Messsystem der Firma GOM. Hiermit lassen sich 3-D CAD Modelle einer gescannten Bauteilgeometrie erzeugen, was einen Abgleich mit der ideellen angestrebten Geometrie ermöglicht. Die Messsysteme stellen somit die Basis für Qualitäts- und Prozessbewertungen von Umformprozessen bereit.

Für dreidimensionale Vermessungen von kleinen und mittel großen Objekten zur Qualitätskontrolle und Reverse Engineering steht ein optischer 3-D Scanner Atos 2 400 von der Firma GOM am IFUM bereit. Das System ist einsetzbar für die Vermessung und Inspektion von Teilen wie Blechen, Werkzeugen und Matrizen, Turbinenschaufeln, Prototypen sowie Spritzguss- und Druckgussteilen. Das erreichbare Auflösungsvermögen liegt bei 0,14 mm. Weitere technische Spezifikationen des Messsystems sind untenstehend aufgeführt.

Für die Durchführung von Dimensionsmessungen in 2D sowie Konturmessungen von Bauteilen steht ein optisches Messmakroskop VR 3200 von der Firma Keyence am IFUM bereit. 3-D Messungen können mit dem VR 3200 bis zu einer Höhe von 10 mm (± 5 mm) (Breitbild-Modus) durchgeführt werden. Hierbei lassen sich zahlreiche Messwerkzeuge zur Winkelmessung, Höhenmessung oder Querschnittsmessung verwenden. Flächenversmessungen können ebenso durchgeführt werden. So lassen sich Parameter, wie Fläche, Umfang, Durchmesser und Rundheit automatisch ermitteln. Auch Rauheitswerte von Oberflächen können nach der Norm DIN EN ISO 25178-2 mit dem Messsystem durchgeführt werden. Einige technische Spezifikationen des VR3200 sind in untenstehender Tabelle aufgeführt.

Die geometrische Genauigkeit und die Oberflächengüte von Blechbauteilen sowie der Verschleiß der eingesetzten Werkzeuge werden einerseits durch die Prozessparameter und andererseits durch die statischen und dynamischen Wechselwirkungen zwischen Presse und Werkzeug bestimmt.

Sowohl für den Pressenhersteller als auch für den Anwender ist eine qualitative Beschreibung der Maschineneigenschaften von besonderer Bedeutung. Für den Pressenhersteller bietet sich die Möglichkeit, auf Basis solcher Daten eine Bewertung von Neuentwicklungen im Vergleich zu Vorgängermaschinen durchzuführen. Darüber hinaus ist eine Verfolgung der Änderungen der Eigenschaften einer Maschine (statisch und dynamisch) über der Einsatzdauer möglich. Für den Anwender ergibt sich aus den Kennwerten eine differenzierte Aussage zur Kaufentscheidung, ob eine Maschine für einen betrachteten Anwendungsfall geeignet ist.

Das IFUM bietet statische und dynamische Pressenvermessungen in Anlehnung an die DIN 55189 sowie die VDI 3145 an. Zusätzlich können die Tisch- und die Stößeldurchbiegung erfasst werden. Sollte die Vermessung mit GOM Pontos aus Gründen der Sichtbarkeit oder Zugänglichkeit des Messobjektes nicht durchführbar sein, kommen auch herkömmliche Lösungen mittels taktiler oder laseroptischer Messmittel an. Auf Basis langjähriger Erfahrung können die Ergebnisse verglichen und bewertet werden.

Am Institut für Umformtechnik stehen eine Reihe leistungsfähiger Materialprüfmaschinen zur Verfügung. Je nach benötigtem Einsatzbereich bzw.  gewünschter Probengeometrie bieten wir eine individuelle Beratung und Auswahl eines geeigneten Versuchsverfahrens. Eine Übersicht der gängigen Fließkurvenaufnahmemöglichkeiten in unserem Versuchsfeld ist in den folgenden Tabellen dargestellt.  Nach Absprache lassen sich darüber hinaus auch vielfältige Erweiterungen individuell realisieren.

¹ = konvektive Erwärmung in Thermokammer oder Thermobehälter

² = konduktive Widerstanderwärmung

³ = indutkive Erwärmung

Dem Institut für Umformtechnik steht für Gefügeuntersuchungen das leistungsfähige Dilatometer DIL805 der Firma TA Instruments zur Verfügung. Neben der standardmäßigen Abschreckeinheit (805A) können im Haus je nach Anwendungsfall auch auf die Druck- (805D) und Zugeinheit (805T) zurückgegriffen werden. Mit diesen Aufbauten können vielfältige Versuche zur Charakterisierung von thermischen Materialeffekten wie z. B. Phasenumwandlungsverhalten im Rahmen von Aufheiz- (Zeit-Temperatur-Austinitisierungsschaubildern (ZTA)) oder Abschreckversuchen (Zeit-Temperatur-Umwandlungsschaubildern (ZTU)) durchgeführt werden. Die Erwärmung erfolgt über eine induktive Erwärmungseinheit, wobei die Temperatur über Thermoelemente überwacht wird. Zudem kann die Längenausdehnung kontinuierlich über Schubstangen ermittelt werden. Die dabei verwendeten Proben können nach der Versuchsdurchführung in unserer erfahrenen und gut ausgestatteten Metallographie ausgewertet werden.

Aus der folgenden Tabelle können die Randbedingungen für durchführbare Versuche entnommen werden. Nach Absprache können diese Versuche individuell angepasst und auf verschiedene Probentypen optimiert werden. Die Abkühl- bzw. Aufheizraten können nach Absprache eingestellt.

In der Prozessauslegungsphase ist die genaue Kenntnis über das materialspezifische Formänderungsvermögen oder die Schädigungsentwicklung im Werkstoff sehr hilfreich. Am Institut für Umformtechnik und Umformmaschinen bestehen viele Möglichkeiten zur Schädigungscharakterisierung bzw. Ermittlung des Formänderungsvermögens sowie zur Parametrisierung und Validierung von Schädigungsmodellen, welche kontinuierlich weiterentwickelt werden. Außer konventioneller Nakajima- und Marciniak Versuche zur Aufnahme von FLC können bspw. Butterfly-Versuche mit einer eigens am IFUM entwickelten Probengeometrie durchgeführt werden, wobei Spannungsbereiche im Bereich von Scherung bis uniaxialem Zug dank einer variablen Versuchsvorrichtung erfasst werden können.

Mit dem TI 950 TriboIndenter der Firma Hysitron wird eine mechanische wie auch tribologische Charakterisierung von Materialien auf der Nanoskala ermöglicht. Das Transducer-basierte System erlaubt es dank einer Feedback-Kontrolle, Diamantprobenkörper definierter Geometrien mit einer maximalen Last von 10 mN entweder auf eine last- oder auf eine weg-kontrollierte Mechanik in das zu untersuchende Material zu drücken. Hierbei lässt sich die Diamantspitze mit einer lateralen Genauigkeit von ca. 10 nm auf der Probenoberfläche positionieren. Es werden vollständige Be- und Entlastungszyklen (Kraft-Eindring-Kurven) aufgenommen, anhand derer dann über entsprechende Modelle auf die mechanischen Eigenschaften (vgl. Tabelle) der Probe geschlossen werden kann. Mittels der vorhandenen XPM-Einheit ist es möglich bis zu 6 Indents pro Sekunde durchzuführen, um umfassende quantitative nanomechanische Eigenschaftskarten und Eigenschaftsverteilungsstatistiken in einer Rekordzeit zu erhalten. Das System ist vollständig automatisierbar und kann skriptbasiert mehrere Proben nacheinander bearbeiten. Am IFUM wird dieses System zur mechanischen wie auch tribologischen Charakterisierung verschiedenster Materialien eingesetzt. Zudem ist es am Institut möglich, den TI 950 TriboIndenter mit der Erwärmungseinheit x-Sol 800 zu kombinieren. Hiermit können nanomechanische Charakterisierungsversuche im Temperaturbereich bis 800 °C durchgeführt werden.

Forschungsschwerpunkte:

• Charakterisierung von Fügezonen artgleicher/artfremder Materialkombinationen
• Bestimmung von Fließeigenschaften
• Aufnahme von Eigenschaftskarten und -verteilungen (wie E-Modul und Härtewerte)
• Durchführungen von Verschleißmessungen auf Nanoebene (Nanowear)
• Ermittlung von tribologischen Eigenschaften von Oberflächen und Beschichtungen

Dem Institut für Umformtechnik stehen eine Vielzahl an Simulationsprogrammen sowie moderner Hardware für die numerische Simulation verschiedenster Prozesse aus den Bereichen Blechumformung, Massivumformung sowie der Biomedizintechnik zur Verfügung. Durch unsere langjährige Erfahrung im Beriech der Materialcharakterisierung, - Modellierung und Prozesssimulation, können wir auf komplexe, innovative forschungs- und industriespezifische Fragestellungen einzugehen. Ein Fokus liegt dabei immer auf der ganzheitlichen gekoppelten Simulation aller Prozessschritte, wie der Erwärmung, Umformung und einer möglichen Wärmebehandlung aber auch die Analyse der aus den Prozessen resultierende Werkzeugbelastungen sowie die Verschleißvorhersage. Weiter unten finden sie eine Übersicht über die Möglichkeiten der numerischen Prozesssimulation hier am Institut für Umformtechnik und Umformmaschinen.

Die Simulation von Massivumformprozessen zählt seit vielen Jahren zu den Kernkompetenzen des IFUMs. Basierend auf einem Erfahrungsschatz aus zahlreichen erfolgreichen Projekten akademischer oder industrieller Natur sowie neuesten und anwendungsorientierten Analysemethoden, kann eine Vielzahl an Fragestellungen aus der Massivumformung betrachtet werden. Hierfür stehen dem IFUM Softwareprogramme wie Simufact Forming oder Forge NxT zur Verfügung, welche eine detaillierte Untersuchung sowohl von Kalt-, Halbwarm- und Warmumformvorgängen als auch von Wärmebehandlungen erlauben.

Hierbei legen wir stets Wert auf eine ganzheitliche Betrachtung der Prozessketten. Auf diese Weise lassen sich die Einflüsse zum Beispiel auf die Qualität eines Schmiedeteils anhand der durchgängigen virtuellen Prozesskette aus Erwärmen, Vorformen, Fertigschmieden, Entgraten, Abkühlen und Vergüten identifizieren.

Dank einer simulativen Prozessanalyse kann der Umformprozess hinsichtlich der Anforderungen an das Equipment und die Materialausnutzung effizient ausgelegt werden. Darüber hinaus lassen sich die Produkte bereits virtuell auf Fehler wie Falten oder kritische Bereiche und der Ermüdungsfestigkeit vom Werkzeug untersuchen. Neben der Produktbezogenen Analyse, setzen wir die Prozesssimulation auch zur Beurteilung und Optimierung der Werkzeugstandzeit ein.

Für die numerische Abbildung von Blechumformprozessen stehen dem Institut mehrere FE-Programme zur Verfügung. Darunter zählen die Simulationsprogramme LS-DYNA von DYNAmore, Abaqus FEA von Simulia und Simufact Forming von MSC.Software. Mit diesen Programmen lassen sich konventionelle Prozesse wie das Tiefziehen, thermomechanische Prozesse wie das Formhärten oder neuartige Prozesse wie Dickblechumformungen oder auch Scherschneidprozesse realitätsnah abbilden. Um den jeweiligen Prozess exakt darstellen zu können, werden detaillierte Materialdaten und -modelle sowie Schädigungsmodelle benötigt, die ebenfalls am Institut gemäß der betrachtenden Prozessroute aufgenommen und erstellt werden können. Je nach Anwendungsfall können so vielfältige Fragestellungen beantworten.

Das IFUM hat im Bereich der Prozesssimulation von faserverstärkten Kunststoffen weitreichende Erfahrung aus erfolgreich abgeschlossenen und laufenden Forschungsprojekten. Darunter zählen Simulationen von Einzelprozessen, wie z.B. der Umformung bzw. dem Thermoformen von Organoblechen, UD-Tapes/-Laminaten und Sandwichverbunden oder dem Fließpressen von Glasmattenverstärktem Thermoplast (GMT), sowie Simulationen von gekoppelten Prozessen, wie z.B. eine Organoblechumformung mit Fließpressen/Spritzgießen von Verstärkungsrippen oder UD-Tapelegen mit nachgeschaltetem Fließpressen. Ziel der Prozesssimulationen sind die Unterstützung der Bereiche Werkzeugkonstruktion und -entwicklung, Prozessauslegung sowie Prozessoptimierung durch die Analyse des prozessspezifischen thermomechanischen Materialverhaltens. Bei gekoppelten Prozesssimulation wird darüber hinaus die Fluid-Struktur Interaktion zwischen Kunststoff-Kunststoff oder Metall-Kunststoff berücksichtigt. Aussagekräftige Simulationen benötigen zum einen geeignete Materialkennwerte zur Parametrisierung der thermomechanischen Materialmodelle (Link zur Charakterisierung von FVK) und zum anderen eine Validierung anhand von Realversuchen, welche ebenfalls am Institut durchgeführt werden können.

In Abhängigkeit vom Umformprozess, Werkstoff sowie der Zielstellung werden unterschiedliche Simulationsprogramme verwendet, welche in der nachfolgenden Tabelle aufgelistet sind.

Das übergeordnete Ziel des Sonderforschungsbereiches 1153 „Tailored Forming“ ist die Realisierung neuartiger Prozessketten zur Herstellung von belastungsangepassten hybriden Massivbauteilen unter Verwendung von vorgefügten Halbzeugen. Mögliche Materialkombinationen dieser hybriden Halbzeuge stellen Stahl-Stahl, Stahl-Aluminium oder Titan-Aluminium Kombinationen dar. Für die effiziente Auslegung der innovativen Prozesse bzw. Prozesskette spielt die numerische Simulation eine wichtige Rolle. Aus den betrachteten Prozessketten und den eingesetzten hybriden Halbzeugen resultieren eine Vielzahl an Fragestellung. Der Fokus liegt hierbei immer auf einer ganzheitlichen Berücksichtigung der einzelnen Prozesse. So wird bereits für die Halbzeugherstellung mittels Strangpressens die Entwicklung der intermetallischen Phase unter Berücksichtigung des thermomechanischen Belastungskollektivs numerisch vorhergesagt. Bei der Umformung hybrider Halbzeuge mit stark verschiedenen Eigenschaften liegt eine Herausforderung in der Angleichung des unterschiedlichen Fließverhaltens durch gezielt inhomogene Erwärmungskonzepte. Mit Hilfe der numerischen Simulation kann sowohl die induktive Erwärmung und daraus resultierende Temperaturverteilung als auch der Materialfluss der unterschiedlichen Materialien effizient analysiert und optimiert werden. Somit können durch Einsatz der numerischen Simulation auch komplexe verkettete Prozessketten ausgelegt und Prozessfehler wie Risse in der Fügezone während der Umformung oder ein ungünstigstes Wachstum von intermetallischen Phasen während Erwärmung und Abkühlprozessen vermieden werden. 

Ein Ziel der numerischen Auslegung von Umformprozessen ist es eine sichere Prozessführung zu gewährleisten und Prozessfehler zu minimieren. Ein typischer Bauteilfehler in Schmiedeprozesses ist die Bildung von Schmiedefalten, die zu einer Reduktion der mechanischen Eigenschaften an dieser Stelle führen und einen Einfluss auf die weiteren Prozessschritte haben. Durch eine topologische Überprüfung aller Randknoten, der gewählten Vernetzung des Schmiedebauteils, können Falten in der virtuellen Prozessentwicklungsphase identifiziert werden. Diese Möglichkeit bieten verschiedene kommerzielle Finite-Element Softwarepakte an. Die Faltenerkennung in Simufact Forming wurde am IFUM mitentwickelt und ist ab Version v.16 implementiert.

In der Prozessauslegungsphase ist die Kenntnis über Umformgrenzen und Schädigungsentwicklungen im Material sehr hilfreich. So kann das Potential bestehender und auch innovativer Werkstoffe durch eine genaue Kenntnis der Grenzen der Formänderung voll ausgenutzt werden. Das Institut für Umformtechnik und Umformmaschinen besitzt eine langjährige Erfahrung in der Parametrisierung, der Weiterentwicklung und der Implementierung von Schädigungsmodellen insbesondere für die Blechumformung. So kann für jeden Prozess unter Berücksichtigung der Materialauswahl und Prozessrandbedingungen das geeignete Schädigungsmodell ausgewählt werden. Neben konventionellen Grenzformänderungsdiagrammen, welche durch neu entwickelte Versuchsmethodiken auch bei sehr hohen Temperaturen isotherm aufgenommen werden können, liegt der Fokus auf dem Einsatz von spannungsbasierten Schädigungsmodellen. Diese ermöglichen die Beschreibung der Schädigungsentwicklung unter Berücksichtigung des Spannungszustandes im Material und gestatten somit bspw. bei hochfesten Stählen eine realitätsgenaue Abbildung der Schädigung wo konventionelle Grenzformänderungsdiagramme an ihre Grenzen stoßen.

Neben den Bauteilen liegt ein Fokus auf der Analyse und Vorhersage der Werkzeuglebensdauer unter thermomechanischer Belastung. Insbesondere Schmiedewerkzeuge oder auch Werkzeuge aus Sonderverfahren wie dem Thixoschmieden unterliegen einer extremen thermischen und mechanischen Belastung, die zur Rissbildung und schließlich dem Werkzeugausfall führt. Durch Parametrisierung und Implementierung von Modellen wie dem Ansatz nach Coffin-Manson-Basquin oder dem Sehitoglu-Modell kann die Lebensdauer von Werkzeugen unter Berücksichtigung der lokal wirkenden Belastung abgeschätzt werden. Somit lassen sich Prozesse sowohl gezielt optimieren als auch eine effiziente Planung der Produktion und der Rüstzeiten umsetzen. Die benötigten Materialdaten können am Institut für Umformtechnik und Umformmaschinen unter einer Variation des thermischen und mechanischen Belastungskollektiv in zyklischen Versuchen ermittelt werden, sodass eine realitätsnahe Abbildung ermöglicht wird.

Die numerische Verschleißberechnung ist im Rahmen der Prozesssimulation einer Umformung von hohem Interesse. Durch die Berücksichtigung der Härteentwicklung von Warmarbeitsstählen im Betrieb kann eine verbesserte Verschleißvorhersage für Schmiedewerkzeuge und eine bessere Planung der Losgrößen und der Werkzeugrüstzeiten erfolgen. Außerdem können durch genauere Vorhersagen des Verschließverhaltens Optimierungsmaßnahmen bei der Werkzeugauslegung abgeleitet werden.  Das Institut für Umformtechnik und Umformmaschinen beschäftigt sich hier sowohl mit der Weiterentwicklung und der Implementierung von Verschleißmodellen als auch der experimentellen Charakterisierung des Materialverhaltens von Werkzeugstählen unter variablen zyklisch aufgebrachten thermomechanischen Belastungen.