HydroFrame * Titelthema Aufsatz. Innovatives Herstellungsverfahren für Fahrradrahmen. 1 Einleitung. 2 Verbundprojekt HydroFrame

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1 Titelthema Aufsatz Umformtechnik, Blechbearbeitung, Produktionstechnik HydroFrame * Innovatives Herstellungsverfahren für Fahrradrahmen P. Groche, D. Elsenheimer, M. Türk, F. Vogler Im vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Verbundprojekt HydroFrame findet eine Weiterentwicklung eines auf Innenhochdruck-Umformung basierenden Fügeverfahrens statt. Es erlaubt das winklige Fügen von Hohlkörpern zu Rahmen - strukturen. Am Beispiel eines ausgewählten Knotens an einem Fahrrad rahmen wird der Prozess des Innenhochdruck-Fügens (IHF) dargestellt und das Potential des Verfahrens aufgezeigt. HydroFrame Innovative production technology for bicycle frames In the research project HydroFrame, funded by the Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF), a development of a joining process based on hydroforming is beeing advanced. The process allows angular joining of hollow workpieces to obtain frame structures. The potential of the joining process is presented for a bicycle frame structure. 1 Einleitung Der Produktionsstandort Deutschland ist mit wachsender Konkurrenz aus den Ländern in Osteuropa und Fernost konfrontiert. In diesen Ländern werden aufgrund geringer Lohnund Nebenkosten niedrige Produktionskosten erzielt. Dieser Faktor fällt insbesondere bei Produkten ins Gewicht, deren Herstellung eine Bearbeitung von Hand notwendig macht. Hierunter fallen unter anderem auch Fahrradrahmen. In Deutschland und Europa sind Strategien gefordert, um sich erfolgreich den neuen Wettbewerbern stellen zu können. Innovative Fertigungstechnologien und Produkte sind Erfolg Prof. Dr.-Ing. Dipl.-Wirtsch.-Ing. Peter Groche, Dipl.-Ing. Dirk Elsenheimer, Dipl.-Ing. Markus Türk, Dipl.-Ing. Falko Vogler Institut für Produktionstechnik und Umformmaschinen Technische Universität Darmstadt Petersenstr. 30, D Darmstadt Tel. +49 (0)6151 / , Fax +49 (0)6151 / elsenheimer@ptu.tu-darmstadt.de Internet: Info 1 Das Forschungsprojekt HydroFrame Fluidbasiertes, flexibles Fügen hohlförmiger Rahmenstrukturen wird mit Mitteln des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) innerhalb des Rahmenkonzeptes Forschung für die Produktion von morgen gefördert und vom Projektträger Forschungszentrum Karlsruhe, Bereich Produktion und Fertigungstechnologien (PTKA-PFT), betreut (Laufzeit ). Info 2 * Bei diesem Beitrag handelt es sich um einen reviewten Fachaufsatz: Autoren-unabhängig von Experten auf diesem Fachgebiet wissenschaftlich begutachtet und freigegeben. Bild 1. Beispiele mittels Innenhochdruck-Fügen (IHF) hergestellter Knoten versprechende Ansätze für die Standortsicherung. Bei Produkten mit ausgeprägtem Design-Anspruch oder emotionsbeladenen Erzeugnissen kann die Umsetzung dieser Ansätze Allein stellungsmerkmale gegenüber Mitbewerbern ermög - lichen, welche durch einen Wissensvorsprung in der Fertigungstechnologie für einen zumindest vorübergehenden Wettbewerbsvorteil sorgen [1]. Zudem ist der Imagegewinn eines Unternehmens als Technology Leader positiv zu bewer ten. Durch innovative Fertigungstechnologien ist es auch möglich, komplexe und kostenintensive Prozessketten zu verkürzen und damit Kostenvorteile bei der Produktion zu erreichen. Im Verbundprojekt HydroFrame, gefördert vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF), erfolgt die Weiterentwicklung einer auf Innenhochdruck-Umformung (IHU) basierenden Fügetechnologie in Richtung Serienreife. Mit dem Unternehmen Storck Bicycle GmbH ist im Rahmen des laufenden Projekts ein erfolgreicher erster Schritt zur Umsetzung der oben genannten Ansätze erfolgt. Der Einsatz der neuen Technologie gestattet unter anderem eine neue Formensprache, die einen Anreiz für anspruchsvolle Käufer bietet. Ein Ziel bei der Weiterentwicklung dieser Technologie ist es, die Fertigung von Fahrradrahmen, die aus Kostengründen zurzeit fast ausschließlich in Asien stattfindet, wieder wirtschaftlich in Deutschland durchführbar zu machen. Dies soll durch die mit dem Verfahren erreichbare Verkürzung der Prozesskette gegenüber der konventionellen Fertigung mittels Schweißen erreicht werden. Neben der Herstellung von Fahrradrahmen sind vielfältige weitere Anwendungen denkbar, die teilweise auch im Projekt betrachtet werden. 2 Verbundprojekt HydroFrame Das Projekt HydroFrame setzt eine Entwicklung des Insti tuts für Produktionstechnik und Umformmaschinen (PtU) an der TU Darmstadt fort. Die Technologie des Innenhochdruck-Fügens (IHF) erlaubt die Herstellung von Rahmen - strukturen aus hohlförmigen Bauteilen mittels Innenhochdruck-Umformen. Bild 1 zeigt Bauteile aus vorangegangenen Untersuchungen. Alle Rechte vorbehalten. Copyright Springer-VDI-Verlag GmbH & Co. KG, Düsseldorf wt Werkstattstechnik online Jahrgang 96 (2006) H

2 Neben der hier dargestellten Entwicklung des Verfahrens für die Fahrradproduktion ist ein betrachtetes Produktsegment der Möbelbereich. Ziel ist es weiterhin, für das Verfahren notwendige Prozessstoffe untereinander abgestimmt zu entwickeln. Daher haben sich im Verbundprojekt folgende Firmen zur Erarbeitung des Verfahrens zusammengeschlossen: Storck Bicycle GmbH (Anwendung I: Fahrradrahmen), Kusch + Co Sitzmöbelwerke GmbH & Co KG (Anwendung II: Objektmöbel), Ingenieurbüro für Fugentechnik am Polymer Institut Dr. R. Stenner GmbH (Klebstoffentwicklung), Fontargen GmbH (Lotentwicklung), Zeller+Gmelin GmbH & Co. KG (Schmierstoffe), Schuler Hydroforming GmbH & CO. KG (Anlagentechnik) und das Institut für Produktionstechnik und Umformmaschinen an der TU Darmstadt (Prozessentwicklung). 3 Innenhochdruck-Fügen (IHF) Bild 2. Verfahrensablauf des IHF Bild 3. Knotenstruktur Steuerrohr IHU-Anwendungen bieten eine große Variabilität in der Gestaltung von hohlen Strukturbauteilen [2]. Dieser Vorteil wird im HydroFrame mit einem in den Umformprozess integrierten Füge vorgang umgesetzt. Auch die Kombination mit Kleb- oder Lötvorgängen ist möglich. Dies führt zu einer kurzen Prozesskette und verspricht deutliche Kostenvorteile gegenüber einem Prozess mit nachgelagerter Fügeoperation. Beim IHF werden zwei hohlförmige Halbzeuge winklig zueinander in einer Werkzeugkavität positioniert (Bild 2). Das Basisbauteil wird durch einen IHU-Vorgang ausgeformt. Dabei bildet sich ein Dom in dem nicht von der Gravur gestützten Bauteilbereich aus, der sich in das Fügebauteil hineinformt und dort eine Überlappung der Bauteile erzeugt. Nach dem Druckabbau und Öffnen des Werkzeugs kann das gefügte Bauteil entnommen werden. Gegenüber dem Schweißen, das neben einer aufwendigen und somit kostenintensiven Prozesskette eine Schwächung der Materialstruktur aufgrund des Wärmeeinflusses bewirkt, wird beim IHF die Festigkeit durch Kraft- oder Formschluss erzeugt [3]. Hierzu wird in dem überlappenden Bereich eine hohe Kontaktnormalspannung erzeugt, um kraftschlüssig zu fügen. Aus einer Hinterschneidung in diesem Bereich folgt eine formschlüssige Verbindung. Zusätzlich lässt sich durch Kleben oder Löten eine höhere Festigkeit durch Stoffschluss erreichen. Ein Vorteil des Fügeverfahrens ist die Möglichkeit, verschiedene Materialien miteinander verbinden zu können. 4 Anwendung am Fahrradrahmen Kommentar Der Artikel stellt Forschungsergebnisse aus einem mit Industrie partnern durchgeführten und vom BMBF geförderten Forschungs projekt vor. Die Ausführungen stellen in verständlicher und übersichtlicher Form Verfahrensprinzipien aber auch Verfahrensgrenzen, das Fügen von dünnwandigen Stahl- beziehungsweise Aluminiumrohren am Beispiel eines Fahrradrahmens dar. Die Ergebnisse zu dem dargestellten Verfahren sind inhaltlich nachvollziehbar und technologisch verständlich beschrieben. Neben dem Verfahrensprinzip werden Berechnungsergebnisse zum Umformvorgang sowie die zugehörige Werkzeug- und An - lagentechnik genannt. Der Beitrag schließt mit der Darstellung von Versagensfällen und möglichen Fügefehlern. Inhaltlich ist der Beitrag somit neu und zeigt wissenschaftlichen Erkenntnisgewinn sowie Übertragbarkeit auf ähnliche Problemstellungen auf. Als Demonstratorknoten wurde das Steuerrohr eines Rennradrahmens mit den Anbindungen an das Ober- und Unterrohr ausgewählt. Bild 3 zeigt ein auf dem Markt befindliches Rennrad der Firma Storck Bicycle GmbH. Der Rahmen wird derzeit aus kohlefaserverstärktem Kunststoff (CFK) in Handarbeit hergestellt. Ziel war es, die Vorteile dieser Struktur (beispielsweise die freie Formgebung) mit den Vorteilen des Werkstoffs Aluminium (Kosten, maschinelle Herstellung) zu verbinden. Hierzu sollte das dargestellte Steuerrohr mit Hilfe des Innenhochdruck-Fügens aus der Aluminiumlegierung AlMgSi0,5 hergestellt und die Bauteileigenschaften in nachfolgenden Untersuchungen bestimmt werden. 5 Prozessauslegung Gegenüber bisher realisierten IHF-Prototypen [4] besitzt die Geometrie des Steuerrohres die Besonderheit von zwei Domen. Bei Erreichen der Prozessgrenze in Form von Bauteilversagen in einem der beiden Dome kann auch der zweite nicht weiter ausgeformt werden, da sich kein Druck mehr aufbauen lässt. Aufgrund dieser Besonderheit wird das Ermitteln der Alle Rechte vorbehalten. Copyright Springer-VDI-Verlag GmbH & Co. KG, Düsseldorf wt Werkstattstechnik online Jahrgang 96 (2006) H

3 PFT Produktionsforschung Bild 4. Finite-Elemente (FE)-Simulation des Füge- und Umformvorgangs (Animation) optimalen Kombination der Prozessparameter bei der Herstellung erschwert. Zur Prozessauslegung erfolgten numerische Untersuchungen mit dem Finite-Elemente-Programmpaket Abaqus Das Ziel der Untersuchungen bestand darin, die grundsätzliche Machbarkeit der Herstellung des Steuerrohres durch IHF nachzuweisen. Des Weiteren erlaubt die Simulation eine Abschätzung der optimalen Prozessparameter. Bei der konventionellen IHU muss die optimale Kombination der Parameter Druck (zeitlicher Verlauf, Start- und Enddruck) und Nachschiebeweg für jedes Bauteil ermittelt werden. Findet die Umformung bei erhöhten Temperaturen statt, werden die Prozessparameter noch um die Temperaturprofile in Halbzeug und Gesenk sowie die Umformgeschwindigkeit erweitert. Die IHF-Technologie erhöht die Zahl der zu wählenden Parameter nochmals. Es müssen die initialen Abstände der miteinander zu verbindenden Halbzeuge sowie die Positionen eventuell notwendiger Gegenhalter festgelegt werden. Bild 5. Werkzeugkonzept Alle Rechte vorbehalten. Copyright Springer-VDI-Verlag GmbH & Co. KG, Düsseldorf Die Ermittlung des Prozessfensters für jedes Bauteil ist daher, im Vergleich zur konventionellen IHU, deutlich komplexer. Aufgrund der geringen Bruchdehnung der Aluminiumlegierung AlMgSi0,5 bei Raumtemperatur ist eine Umformung unter erhöhten Temperaturen vorteilhaft [8]. Die Modellierung der Materialeigenschaften bei erhöhten Temperaturen erfolgte durch Annahme einer konstanten Temperatur im Werkstück und Vorgabe der Materialfließkurve bei dieser Temperatur. Es wurde der Temperaturbereich von 230 C bis 250 C untersucht. Bild 6. Werkzeug in eingebautem Zustand mit Axialstempeln und eingelegten Halbzeugen wt Werkstattstechnik online Jahrgang 96 (2006) H

4 Bild 7. Mit optimalen Prozessparametern gefertigtes Steuerrohr (Animation) Bild 8. Versagensfälle und deren Voraussage durch FE-Simulation Die Simulationsergebnisse zeigten, dass eine Begrenzung der Domausbildung durch einen Gegenhalter notwendig ist. Hiermit wird ein höherer Kalibrierdruck ohne Materialversagen und damit eine bessere Formausfüllung und Ausbildung von Kontaktflächen ermöglicht. Das Ergebnis der Simulation der günstigsten Parameterkombination ist in Bild 4 dargestellt. Die Animation zeigt ebenfalls deutlich die Möglichkeit des Verfahrens, simultan zu Fügen und design-orientierte Geometrien erzeugen zu können. Diese Eigenschaft stellt ein Alleinstellungsmerkmal der Technologie gegenüber anderen Fügeverfahren dar. Die Ergebnisse der Simulationen verifizieren somit die Machbarkeit der Herstellung von Knotenelementen aus Aluminium durch IHF bei erhöhten Temperaturen unter Zuhilfenahme von Gegenhaltern. 6 Werkzeug- und Anlagentechnik Da im Fall der Innenhochdruck-Umformung axiale Kräfte durch die Nachschiebezonen in die Umformzone geleitet werden müssen, ist es nicht zielführend, das gesamte Halbzeug zu erwärmen. Mit dem Einsatz von flüssigem, erwärmtem Wirkmedium (Wärmeträgeröl) wird Wärme an das gesamte Halbzeug abgegeben. Daher müssen Bereiche, deren Erwärmung den Prozess behindern würde, aktiv gekühlt werden. Aus diesem Grund wurde ein Werkzeugkonzept mit konduktiv erwärmter Umformzone und wassergekühlten Nachschiebebereichen gewählt (Bild 5). Die einzelnen Bereiche werden durch Isolationsplatten und Luftspalte thermisch weitgehend entkoppelt. Dieses Werkzeugkonzept hat sich in bisherigen Forschungsprojekten am PtU Darmstadt bewährt [5]. Die zur Umformung verwendete Anlage umfasst eine hydraulische 8000-kN-Presse zur Schließkrafterzeugung, das beschriebene Umformwerkzeug mit Kühl- und regelbarer Heizperipherie, einen Öltank mit Erwärmungseinrichtung, einen Badumlaufthermostat sowie einen Medientrenner (Öl/Öl- Druckübersetzer mit Übersetzungsverhältnis 1:1), welcher der Trennung zwischen dem Primär-Hydrauliksystem zur Energiebereitstellung und dem erwärmten Wirkmedien-Kreislauf zur Umformung dient. Die Anlage lässt Maximaldrücke bis 30 MPa zu. Die Halbzeuge müssen vor der Produktion auf die notwendige Länge getrennt und entgratet werden, wobei die Füge- Bild 9. Prinzipdarstellung der Prüfvorrichtung, Unterrohr horizontal Bild 10. Kraft/Weg-Verlauf im Zugversuch (links), geprüftes Bauteil (rechts) Alle Rechte vorbehalten. Copyright Springer-VDI-Verlag GmbH & Co. KG, Düsseldorf wt Werkstattstechnik online Jahrgang 96 (2006) H

5 bauteile mit einer Gehrung versehen werden. Eine weitere Vorbereitung der Rohre ist nicht notwendig. Bild 6 zeigt das realisierte Werkzeug mit eingelegten Halbzeugen vor dem Umform- und Fügeprozess. 7 Ergebnisse 7.1 Herstellung von Prototypen Ausgehend von der in den vorangegangenen Simulationen ermittelten Parameterkombination wurden in einer Versuchsreihe Steuerrohre hergestellt. Bild 7 zeigt ein mit optimalen Prozessparametern gefertigtes Gutteil. Der Einsatz der Finite- Elemente-Methode in der Umformtechnik ist Stand der Technik. Die Ergebnisse der Simulationen dienen der Prozessauslegung und tragen wesentlich zum Prozessverständnis bei. Bei ausreichend genauer Definition von Randbedingungen können gute Übereinstimmungen mit der Realität erzielt werden [6]. Die Ergebnisse der durchgeführten Simulationsrechnungen wiesen eine hohe Übereinstimmung mit den Versuchsergebnissen auf. Dies verdeutlichen auch die zwei nachfolgend beschriebenen Beispiele aus der durchgeführten Versuchsreihe. Bild 8 zeigt bei der Produktion aufgetretene Bauteilfehler durch Überschreiten der Prozessgrenzen sowie deren Vorhersage durch die numerische Simulation. Bei zu groß gewählten axialen Nachschiebewegen am Basisbauteil tritt ein Einknicken der Dome auf (Bild 8, links). Wird der initiale Abstand zwischen Basis- und Fügebauteilen zu gering gewählt, werden die Fügebauteile beim Ausformen der Dome radial nach innen eingezogen und es bilden sich Falten (Bild 8, rechts). Bild 11. Rahmen mit ersetztem Steuerrohr Ansprechpartner für weitere Informationen Peter Groche, Dirk Elsenheimer, Markus Türk, Falko Vogler Kontaktdaten siehe vorne Dr.-Ing. Uwe Krause Forschungszentrum Karlsruhe GmbH Projektträger Forschungszentrum Karlsruhe Bereich Produktion und Fertigungstechnologien (PTKA-PFT) Außenstelle Dresden Hallwachsstr. 3, D Dresden Tel. +49 (0)351 / , Fax +49 (0)351 / uwe.krause@ptka.fzk.de Internet: Bauteileigenschaften Zum Ermitteln der Bauteileigenschaften wurden die hergestellten Steuerrohre statischen und dynamischen Festigkeitsuntersuchungen unterzogen. Hierzu wurde eine Spannvorrichtung konstruiert, die es ermöglicht, die Probekörper in vier Positionen zu fixieren, sodass die beiden Fügebauteile (Ober- und Unterrohr des Fahrradrahmens) jeweils horizontal und vertikal positioniert sind (Bild 9). Die erste Prüfung bestand aus einer quasistatisch bis zum Versagen aufgebrachten axialen Prüflast auf Unter- und Oberrohr (Ober- beziehungsweise Unterrohr waren vertikal positioniert). Die besten Ergebnisse zeigten die Bauteile, deren Festigkeit durch Weichlöten erhöht worden war. Hier ertrugen die Oberrohre Zuglasten bis zu etwa 15 kn, bei den Unterrohren konnten sogar Kräfte über 22 kn erreicht werden. Es zeigte sich, dass nicht die Fügestellen, sondern die gesamte Struktur durch übermäßige Verformung versagt. Materialversagen trat in den Bereichen direkt neben den Fügestellen auf (Bild 10). Um die Bauteileigenschaften unter dynamischen Belastungen zu ermitteln, wurden am Ober- und Unterrohr zyklische Biegekräfte aufgebracht, wozu die entsprechenden Rohre in der Vorrichtung horizontal positioniert wurden. Die Krafteinleitung erfolgte rein schwellend (Belastung bis zur maximalen Kraftamplitude, anschließend Reduktion der Prüfkraft auf den Wert Null) an den Rohrenden, senkrecht zur Rohrachse. Die größten im Betrieb auftretenden Biegebelastungen in Ober- und Unterrohr entstehen bei einer Vollbremsung des Vorderrades. Daher wurden die entsprechenden Kräfte auch für die zyklischen Festigkeitsuntersuchungen gewählt. Gängige Prüfvorschriften für Fahrradrahmen sehen eine Schwingspielzahl von Zyklen für eine Prüfung vor. Es zeigte sich durchgängig keinerlei Schwächung der IHFgefertigten und gelöteten Steuerrohre innerhalb dieser Schwingspielzahl. 8 Zusammenfassung und Ausblick Im bisherigen Verlauf des Verbundprojekts HydroFrame konnte die Herstellbarkeit eines Fahrrad-Steuerrohres mit dem neu entwickelten Verfahren des Innenhochdruck-Fügens am Institut für Produktionstechnik und Umformmaschinen (PtU) der TU Darmstadt nachgewiesen werden. Innenhochdruck-gefügte und zusätzlich weichgelötete Versuchsbauteile konnten mit Festigkeitswerten realisiert werden, welche die Anforderungen, die im praktischen Einsatz an Fahrradrahmen gestellt werden, statisch und dynamisch deutlich überschreiten. In einem nächsten Arbeitsschritt wird ein bereits gebauter Versuchsrahmen (Bild 11) statischen Torsionsbelastungen unterzogen und die entsprechende Struktursteifigkeit ermittelt. Nach erfolgreichem Abschluss der Untersuchungsphase mit der vereinfachten Geometrie wird eine aus Design- und technologischen Gesichtspunkten für das neue Verfahren optimierte Steuerrohr-Geometrie realisiert und möglichst bis zur Serienreife weiterentwickelt. Derzeit findet die Herstellung von Knotenstrukturen aus Leichtmetalllegierungen im Tem- Alle Rechte vorbehalten. Copyright Springer-VDI-Verlag GmbH & Co. KG, Düsseldorf wt Werkstattstechnik online Jahrgang 96 (2006) H

6 peraturbereich von bis zu 250 C statt. Im Laufe des Projekts wird eine Anlage realisiert und am PtU in Betrieb genommen, mit der die Innenhochdruck-Umformung bei deutlich höheren Temperaturen unter Verwendung von Gasen als Wirkmedien möglich ist (HEATforming [7]). Von der möglichen Steigerung der Umformtemperatur erwartet das Projektkonsortium eine weitere Erhöhung der erreichbaren Umformgrade sowie umfangreichere Gestaltungs- und Formgebungsmöglichkeiten. Die derzeit in den Experimenten dem Umform- und Fügeprozess nachgelagerten Schritte Weichlöten sowie Kleben werden im Rahmen des Projekts in diesen Prozess integriert. Literatur [1] Schuh, G.; Breuer, T.; Rosier, C.: Technological Uniqueness - Aim for Running Technology Driven Companies. Production Engineering Vol. XII/2, Hrsg.: Wissenschaftliche Gesellschaft für Produktionstechnik, Braunschweig, 2005 [2] Vöhringer, K. D.: Quo vadis Umformtechnik? Neue Herausforderungen durch den Wandel in der Automobilindustrie. 7. Umformtechnisches Kolloquium Darmstadt, 2000 [3] Tibari, K.; Vogler, F.: Fluidbasiertes Fügen hohlförmiger Rahmenstrukturen. 9. Umformtechnisches Kolloquium Darmstadt, [4] Groche; P.; Tibari, K.: Cooperative ProDesign Project I - Preparing Production Engineers & Product Designers for Tomorrow. Production Engineering XIII/1, Hrsg.: Wissenschaftliche Gesellschaft für Produktionstechnik, Braunschweig, 2006 [5] Groche, P; Dörr, J.: Tube Hydroforming at Locally Elevated Temperatures. Production Engineering XII/1, Hrsg.: Wissenschaft - liche Gesellschaft für Produktionstechnik, Braunschweig, 2005 [6] Groche, P.; Peter, A.; Schäfer, R.: Modelling of Tube Hydro - forming Processes with Adaptive friction coefficients. Production Engineering XII/1, Hrsg.: Wissenschaftliche Gesellschaft für Produktionstechnik, Braunschweig, 2005 [7] Amborn, P.; Kipry, K.; Groche, P.; Elsenheimer, D.: HEATforming als Weiterentwicklung des IHU an der Schwelle zur Massivumformung. 9. Umformtechnisches Kolloquium Darmstadt, [8] Lange, K.: Umformtechnik. Band 1 2. Auflage. Berlin: Springer-Verlag 1984 wt Werkstattstechnik online Jahrgang 96 (2006) H