Laserunterstu¨tzte Umformverfahren Vortrag im Rahmen von JOIN-EX 2008 Internationaler Fachkongress der Schweiss- und Verbindungstechnik

DI Dr. Alexander Kratky 09.Okt.2008

Kurzinhalt Als Mayman 1960 u ¨ber den ersten funktionierenden Festk¨orperlaser berichtete, ahnte noch niemand, dass der Laser eine derartig wichtige Rolle in der Fertigungstechnik einnehmen w¨ urde. Betrachtet man das Thema dieses Kongresses, so ist der Laser aus der automatisierten Verbindungstechnik nicht mehr wegzudenken. Die industriellen Strahlquellen haben sich u ¨ber die Jahrzehnte drastisch ver¨andert: Beginnend vom CO2 -Laser mit dem großen Nachteil, dass die Strahlf¨ uhrung von der Quelle zum Werkst¨ uck nur u ¨ber Spiegel erfolgen kann; weiter zu dem derzeit in der Schweißtechnik wohl am weitesten verbreiteten Laser dem Nd:YAG; bis hin zu den modernen Faserlaserger¨aten, stehen nun in der Automatisierungstechnik sehr flexibel einsetzbare Strahlquellen zur Verf¨ ugung. Gerade der Faserlaser bietet enormes Potenzial, da durch die Realisierung eines All in Fiber“ Konzepts die sonst sehr aufwendige Justage ” von Laserresonatoren entf¨allt und damit auch ein Ger¨at geschaffen wurde, das unter sehr rauhen“ Umgebungsbedingungen betrieben werden kann. ” Der Laser erm¨oglicht es, ber¨ uhrungslos Bauteile zu erw¨armen - um sie zu verbinden, zu trennen oder - wie in dem gegenst¨andlichen Vortrag erl¨autert wird - leichter umformen zu k¨onnen. Prozesse wie laserunterst¨ utztes Tiefziehen, Drahtziehen, Walzprofilieren, Innenhochdruckumformen und inkrementelles Umformen sollen betrachtet werden. Die Aspekte der lokalen Bauteilerw¨armung werden mit den entsprechenden Warmumformprozessen verglichen.

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Einleitung

Umformverfahren bei erh¨ohter Temperatur sind seit vielen Jahren in der Massivumformung u ¨blich. Hierbei geht es stets darum, die notwendigen Pressenkr¨afte zu verringern oder darum, die Umformumng durch Bauteilerw¨armung u ¨berhaupt erst zu erm¨oglichen. Im Bereich der Blechumformung war es bis auf vereinzelte Verfahren eigentlich nicht u ¨blich, die Umformung mit erw¨armten Werkst¨ ucken durchzuf¨ uhren.

Technische Universit¨ at Wien IFLT Institut f¨ ur Umformtechnik und Hochleisungslasertechnik Arsenal Objekt 207 1030 Wien Tel.: +43 798 33 21 DW 13 e-mail: [email protected]

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In der Automobilindustrie wurde in j¨ ungster Zeit der Konstruktionswerkstoff Stahl durch Leichtbauwerkstoffe wie Magnesium, Titan oder Aluminium in Frage gestellt. Diese Leichtbauwerkstoffe haben bei bedarfsgerecht konstruiertem Einsatz den Vorteil, dass das Bauteilgewicht gegen¨ uber Stahlbauteilen gesenkt werden kann. Durch eine Reduzierung von beispielsweise 100kg KFZ-Fahrzeugmasse kann der notwendige Kraftstoffverbrauch auf 100km um 0.5l gesenkt werden. Im Anbetracht der stetig steigenden Preise f¨ ur fossile Brennstoffe ein nicht zu vernachl¨assigender Faktor. Die Stahlindustrie hat sich, um in diesem Prozess nicht Marktanteile zu verlieren, intensiv mit qualitativ hochwertigeren Produkten und neuen Fertigungskonzepten (z.B. im Projekt New Steel Body“) besch¨aftigt.[29] ” Hochwertiger Stahl u ¨berzeugt durch eine gr¨oßere Streckgrenze und erlaubt damit, Blechbauteile mit geringerer Wandst¨arke f¨ ur die gleiche Aufgabe zu fertigen. Doch gerade diese gr¨oßere Streckgrenze, und damit die Tatsache, dass der Bereich der Gleichmaßdehnung und damit die Umformung selbst zu h¨oheren Spannungen hin verschoben ist, bewirkt bei gleicher Dehnung einen gr¨oßeren elastischen Anteil, und somit eine gr¨oßere R¨ uckfederung nach dem Umformvorgang. Die R¨ uckfederung ist ein nicht erw¨ unschter Effekt und bereitet Probleme in der Maßhaltigkeit von Bauteilen. Es gibt eine Reihe von Werkstoffen, wie z.B. Mangan-Bor-St¨ahle, die auf eine Temperatur von etwa 950◦ in einem Ofen erw¨armt und dann in einem gek¨ uhlten Werkzeug umgeformt werden. Die Abk¨ uhlung des Blechs im Werkzeug ist notwendig, um die hohen Festigkeiten von 1500M P a zu erreichen. Die Warmblechumformung“ hat also bereits in den Werkshallen ” Einzug gehalten. Der Laserstrahl kann in der Fertigungstechnik nicht nur f¨ ur die in der Einleitung beschriebenen direkten Verfahren, sondern auch als Unterst¨ utzung - beispielsweise f¨ ur Drehen oder Fr¨asen - verwendet werden.[1][11] Hierbei wird der Werkstoff partiell erw¨armt und es kommt zu einer lokalen Entfestigung. Vorteilhaft wirkt sich das auf den Zerspanprozess dadurch aus, dass es zu deutlich reduzierten Prozesskr¨aften sowie einem erheblich geringeren Werkzeugverschleiß bei gleichzeitig gesteigerten Zeitspanvolumina kommt. Auch gibt es Werkstoffe, die gerade erst durch diese Technologie sinnvoll bearbeitet werden k¨onnen. Wo kann nun in der Umformtechnik eine punktf¨ormige Strahlquelle wie der Laserstrahl sinnvoll als Hilfswerkzeug eingesetzt werden? M¨ ussen ganze Blechronden, wie bei dem zuvor genannten Mangan-Bor-St¨ahlen erw¨armt werden, gibt es kosteng¨ unstigere Verfahren als die Erw¨armung mit Laserstrahlen. Der Laserstrahl hat aber als Vorteil und Alleinstellungsmerkmal, dass es zu einer lokalen Bauteilerw¨armung kommt. Man kann also gezielt an bestimmten Punkten die Umformeigenschaften a¨ndern und somit den Materialfluss beeinflussen. Grundlagenarbeiten zu solchen Umformverfahren wurden am Institut f¨ ur Umformtechnik und Hochleistungslasertechnik unter der Anleitung von Prof. Schu¨ocker durchgef¨ uhrt.[26][15][19][27] Auch andere Institut haben sich mit dieser Thematik besch¨aftigt - wie z.B. Prof. Geiger (Universit¨at Erlangen-N¨ urnberg)[6] oder Prof. Vollertsen (Bremer Institut f¨ ur angewandte Strahltechnik)[3]. Betrachtet man nun die m¨oglichen Prozesse, so ist die folgende Klassifizierung der Umformverfahren naheliegend: ˆ W¨ armebehandlung vor oder nach einem Umformprozess ˆ Bauteilerw¨ armung w¨ahrend des Umformprozesses im offenen Werkzeug ˆ Bauteilerw¨ armung w¨ahrend des Umformprozesses im geschlossenen Werkzeug ˆ Umformprozess durch einen Temperaturgradienten im Bauteil

Die letzte genannte Gruppe der Umformverfahren unterscheidet sich zu den vorhergehenden dadurch, dass es hier nur zu einer Bauteilerw¨armung und im Anschluss zu der bleibenden 2

Verformung kommt, ohne dass es je zu einer mechanischen Ber¨ uhrung zwischen Bauteil und einem Umformwerkzeug gekommen w¨are. Im folgenden Abschnitt werden exemplarisch einige m¨ogliche Werkstoffe f¨ ur laserunterst¨ utzte Umformverfahren genannt.

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Werkstoffe

Die in der Einleitung getroffene Einteilung der Verfahren zum laserunterst¨ utzten Umformen macht nicht nur Sinn im Hinblick auf die Werkzeug- und Verfahrenstechnik, sondern auch in Hinblick auf die Werkstoffauswahl. Im Anschluss finden sie exemplarisch einige interessante Werkstoffe f¨ ur diese Prozessgruppen.

2.1

Werkstoffe fu armebehandlung vor oder nach einem ¨ r eine W¨ Umformprozess

Hierbei handelt es sich um Werkstoffe, die vor der Umformung lokal erw¨armt und dadurch lokal in einen besser umformbaren Zustand u uhrt werden. Die Umformung erfolgt dann ¨bergef¨ bei Raumtemperatur. Man hat also beispielsweise eine Blechronde vor sich liegen, die ¨ahnlich einem Tailored Blank oder einer Patchwork Blank“ unterschiedliche Werkstoffkennwer” ” ” te hat. Von Geiger [6] wurde hierzu der Begriff Tailored Heat Treated Blanks (THTB)“ ” eingef¨ uhrt. Der große Vorteil der THTB ist, dass es zu keiner Ver¨anderung der Blechoberfl¨ache kommt. Unterschiedliche Blechdicken sind z.B. in einem Tiefziehwerkzeug nachteilig, da es mit der stufigen Oberfl¨ache nur schwer m¨oglich ist, konstante Kr¨afte auf die Ronde aufzubringen. In der Literatur werden folgende Materialien f¨ ur diesen Prozess angef¨ uhrt: Aluminiumlegierung EN-AW6082 T6[3], AA6016 T4[10] oder auch Stahlwerkstoffe wie ¨ der MS-W 1200[32]. Ahnliche Effekte k¨onnen mit dem austenitischen Edelstahl X15CrNiSi20 12 nach bereits erfolgter Umformung erreicht werden.[18] Dieser Werkstoff kann aufgrund seiner Gef¨ ugestruktur nur durch Umformen eine Aufh¨artung erfahren und somit schlechtere Umformeigenschaften erhalten. Erw¨armt man dieses Material in einem Temperaturbereich von 1050◦ bis 1150◦ C so kann die Kaltverfestigung wieder r¨ uckg¨angig gemacht werden. [18] Es gibt auch Werkstoffe, die aufgrund Ihrer Gitterstruktur warm umgeformt werden sollen wie z.B. Magnesiumlegierungen.

2.2

Werkstoffe fu armebehandlung w¨ ahrend des Umform¨ r eine W¨ prozesses

Die Magnesiumlegierung AZ31 liegt bei Raumtemperatur (RT) in einer hexagonal dichtesten Packung vor. In dieser Gitterstruktur sind nur eine Gleitebene und drei Gleichtrichtungen vorhanden. Durch Erw¨armen des Werkstoffes in einem Bereich von 200◦ bis 225◦ C findet eine Erh¨ohung der Plastizit¨at statt. Dieser Werkstoff muss also warm umgeformt werden. Eine lokale Erw¨armung hat hierbei den Vorteil, dass man bei diesem Prozess bestimmen kann, wo die Umformung stattfindet. So sind beispielsweise Versuche publiziert, wo Tiefziehwerkzeuge zur Magnesiumumformung ausschließlich beheizt sind [4]; aber auch Versuche, wo der Stempel eines einfachen Napfziehwerkzeugs gek¨ uhlt und der Ziehring beheizt ist. Nachteilig an einer großfl¨achigen Bauteilerw¨armung ist aber stets die Tatsache, dass das Werkzeug und somit auch die Umformmaschine gleichfalls erw¨armt w¨ urde. Um die Anlagen vor der Erw¨armung zu sch¨ utzen, ist es daher notwendig, das Werkzeug gegen¨ uber der Presse isoliert 3

Abbildung 1: Fließkurve vom 1.4301 X5CrNi18 10 in Abh¨angigkeit von der Werkst¨ ucktemperatur.[20] einzubauen. Bei gezielter lokaler Erw¨armung ist die gesamt eingebrachte W¨arme entsprechend geringer und die Situation dadurch entsch¨arft. Auch der Leichtbauwerkstoff Titan kann durch Erw¨armung besser umformbar gemacht werden, wie in Arbeiten zum laserunterst¨ utzten Biegen dargestellt wurde.[28] [7] Will man nun einen derartigen Prozess auslegen, muss man temperaturabh¨angige Fließkurven vorliegen haben. Die Fließkurve gibt bei einem bestimmten Umformgrad an, welche Spannung notwendig ist um ein plastische Form¨anderung des Werkstoffs zu erreichen Am Beispiel des rostfreien Edelstahls 1.4301 (X5CrNi18 10) ist exemplarisch der Verlauf der Fließkurve bei unterschiedlichen Temperaturen zu sehen. Mit steigender Temperatur kommt es zu einem Absinken der Fließspannung, damit sinken auch die notwendigen Kr¨afte. Der 1.4301 eignet sich besonders gut f¨ ur laserunterst¨ utzte Umformung, da er im Vergleich zu anderen Tiefziehst¨ahlen eine schlechte W¨armeleitung hat. Die lokal eingebrachte W¨arme bleibt also relativ lange an der gew¨ unschten Position.

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Laser

Wie schon im Abschnitt 1 erl¨autert, k¨onnen die laserunterst¨ utzten Umformverfahren in vier Teilgruppen unterteilt werden. Je nach der gew¨ahlten Gruppe kommt es zu unterschiedlichen Anforderungen sowohl an das Werkzeug als auch an die Strahlquelle. Ist beispielsweise eine W¨armebehandlung vor oder nach einem Umformprozess“ erw¨ unscht (z.B. W¨armebe” handlung von Tiefziehblechen oder IHU-Bauteilen), so kann praktisch jeder beliebige Laser, dessen Wellenl¨ange vom Werkst¨ uck gut absorbiert wird, zum Einsatz kommen. Auch wird bei dieser Verfahrensvariante keine besondere Anforderung an die Laserverfahranlage gestellt. Es k¨onnen Laserschneid-, Schweiß- oder H¨artanlagen zum Einsatz kommen. Im Regelfall sind diese schl¨ usselfertigen Anlagen so konzipiert, dass keine besonderen Vorkehrungen getroffen werden m¨ ussen, um den Anwender vor der Strahlqulle zu sch¨ utzen. Betrachtet man hingegen die zweite Gruppe Bauteilerw¨armung w¨ahrend des Umform” prozesses im offenen Werkzeug“, so gilt es hier zu beachten, dass der Laserstrahl gut in die zu bestrahlende Zone zugef¨ uhrt werden kann. Denkt man beispielsweise an das Walzprofilieren, wo unmittelbar vor dem Eingriff einer Walze die Laserstrahlung das Werkst¨ uck erw¨armen soll, so muss sichergestellt werden, dass die Strahlung dem Werkst¨ uck ohne Gef¨ahrdung des Personals und ohne große Ver¨anderung der Anlage zugef¨ uhrt wird. Bei diesem Verfahren 4

Abbildung 2: Trumpf Nd:YAG Laser: HL3006D, Prozessfaser mit einem Durchmesser von 0.6µm und einer Strahlqualit¨at von 25mm · mrad. scheinen Strahlquellen, die in in einer Glasfaser gef¨ uhrt werden k¨onnen, vorteilhaft. Da die Strahlquelle unmittelbar vom Werkst¨ uck reflektiert werden kann, ist hier besonders eine Risikoanalyse bez¨ uglich der Gefahren f¨ ur das Bedienpersonal durchzuf¨ uhren. Insbesondere da die hier vorgeschlagenen Festk¨orperlaserstrahlquellen (siehe Abbildung 2) im Bereich von 1µm vom menschlichen Auge auf der Netzhaut fokussiert werden, es jedoch aufgrund des nicht Wahrnehmens“dieser Strahlung nicht zu einem nat¨ urlichen Lidschluss kommt. Auch ” die vierte Gruppe Umformen durch einen Temperaturgradienten im Bauteil“ ist, von der ” Seite der Strahlquelle aus gesehen, hier einzuorden. Als Beispiel w¨are hier das Drahtziehen zu nennen. Durch die Laserstrahlquelle kommt es zu einer lokal erw¨armten Zone, wo ohne Einwirkung eines Werkzeuges direkt die Umformung stattfindet. Der große Vorteil dabei ist, dass es zu keinem unerw¨ unschten W¨armeabfluss in das Werkzeug kommen kann. Die Dritte Gruppe unterscheidet sich von den vorhergehenden dadurch, dass die Strahlquelle direkt im geschlossen Werkzeug strahlt. Hierbei ist davon auszugehen, dass der Bediener nicht gef¨ahrdet ist, da die gesamte Strahlung im Werkzeug verbleibt. Es entsteht dabei aber ein besonderes Problem: Gew¨ohnlich sind die in der Blechumformung eingesetzten Werkzeug aus Stahl. Aufgrund der guten W¨armeleitung kommt es zu einem unerw¨ unschten Abfließen der Bauteilerw¨armung ins Werkzeug und damit ist es nicht mehr m¨oglich, das Bauteil lokal zu erw¨armen. Wie im Abschnitt 4.1 erl¨autert wird, muss hier mit besonderen Werkzeugwerkstoffen eine Isolierung vorgenommen werden. Ein Laserstrahl zeichnet sich in der Regel dadurch aus, dass die Energie auf einen sehr kleinen Punkt konzentriert werden kann. Hierbei werden Intensit¨aten erreicht, die es erm¨oglichen, die bekannten Verfahren wie Laserschweißen oder Schneiden zu erreichen, wo es zum Schmelzen oder Verdampfen des Werkst¨ ucks kommt. F¨ ur die laserunterst¨ utzen Umformverfahren ist es in der Regel nicht notwendig beziehungsweise sogar unerw¨ unscht, dass so hohe Intensit¨aten erreicht werden. Der Laserstrahl muss daher defokussiert werden, was in der Regel kein Problem darstellt. Betrachtet man die einzelnen Prozesse, so m¨ ussen unterschiedliche Bauteilgeometrien erw¨armt werden. Beim Drahtziehen wird nur eine punktf¨ormige Erw¨armung in der Umformzone ben¨otigt. Beim Dreipunktbiegen muss das Werkst¨ uck entlang der Biegelienie erw¨armt werden. Es muss also in der Regel eine Umwandlung der punktf¨ormigen Laserquelle auf eine linienf¨ormige stattfinden. Dies kann durch Scannertechnologie erfolgen, oder man reiht sogenannte Diodenarrays hintereinander an. Die gr¨oßte Herausforderung wird an die Strahlquelle gestellt, wenn eine fl¨achenhafte Erw¨armung erreicht werden soll, wie beispielsweise beim Tiefziehen. Hier muss das Werkst¨ uck in sehr vielen Bahnen erw¨armt werden. Als Alternative k¨onnen nat¨ urlich auch bei der Bau” teilerw¨armung w¨ahrend des Umformprozesses“ fl¨achenhafte Erw¨armungen durch die Anordung von punktf¨ormigen Strahlquellen erreicht werden. Beispielsweise k¨onnen eine Vielzahl von Glasfasern in ein Tiefziehwerkzeug integriert werden. In Abbildung 3 ist der Temperaturverlauf einer Ronde aus X5CrNi18 10 mit einer Dicke von 0.8mm, die durch eine Glasfaser 5

Abbildung 3: Temperaturverl¨aufe mit K-Typ Thermoelementen aufgezeichnet: 100mm Ronde mit einer Dicke von 0.8mm au X5CrNi18 10 wird mit 6.9W Laserleistung aus einer 600µm Faser am Rand erw¨armt. Das Thermoelement, korrespondierend zu dem h¨ochsten Temperaturverlauf, befindet sich u ¨ber dem Laserstrahl auf der anderen Seite der Ronde, der niedrigste in der Mitte der Ronde.[12]

Abbildung 4: Drehspiegel: Konzept zum Einkoppeln von Laserstrahlung in mehrere Glasfasern. In der Mitte ist der Drehspiegel zu sehen, der den aus der Betrachtungsrichtung kommenden Laserstrahl um 90◦ in die radial angeordneten 600µm Glasfasern umlenkt.[21] mit dem Druchmesser 600µm erw¨armt wird, zu sehen. Schon nach kurzer Zeit wird eine Maximaltemperatur von 110◦ C auf der Probenr¨ uckseite direkt unter der Faser erreicht. Die Erw¨armung der Ronde bereits im Abstand von wenigen Zentimetern ist aufgrund der schlechten W¨armeleitung sehr gering. Es kommt also zu einer lokalen Erw¨armung und damit zu lokal unterschiedlichen Werkstoffeigenschaften. Die hierbei eingesetzte Laserleistung betr¨agt lediglich 6.9 Watt. Will man zur Erzeugung solch einer mittleren Laserleistung einen Hochleistungslaser einsetzen, so kann man eine Vielzahl solcher Hot Spots“ f¨ ur ein Werkzeug, ” beispielsweise durch ein Drehspiegel (siehe Abbildung 4) erzeugen. Die Abbildung zeigt den rotierenden Spiegel von oben. In radialer Richtung sind hier 5 600µm Glasfasern zur Demonstration eingelegt. Diese Konstruktion k¨onnte 30 Fasern aufnehmen. Durch die zur Verf¨ ugung stehenden Faserlaser, die Ihre Laserstrahlung im Leistungsbereich bis 3kW aus etwa 100µm dicken Fasern emittieren, stellt es kein Problem dar, u ¨ber einen Umlenkspiegel in die Fasern einzukoppeln. Nat¨ urlich k¨onnte die Laserstrahlung auch von einzelnen fasergekoppelten Laserdioden oder durch Kombination von teildurchl¨assigen Spiegeln erreicht werden.

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Abbildung 5: Tiefziehen:Schema des Napfziehversuches; Lasererw¨armung im Bereich der Druckspannungen.

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Prozesse

In diesem Abschnitt sollen nun einige realisierte laserunterst¨ utzte Prozesse aufgezeigt werden. Die Aufz¨ahlung erhebt keinerlei Anspruch auf Vollst¨andigkeit. Noch viele weitere laserunterst¨ utzte Umformprozesse sind vorstellbar.

4.1

Tiefziehen

Betrachtet man den Prozess Tiefziehen“ und will diesen mit Laserunterst¨ utzung verbessern, ” so muss man sich mit den speziellen Spannungsverh¨altnissen in der Blechronde vertraut machen. In Abildung 5 kann man ein Werkzeug f¨ ur Napfz¨ uge sehen. Hierbei dr¨ uckt der Stempel eine kreisf¨ormige Ronde durch den Ziehring. Als fertiges Produkt wird aus der ebenen Ronde ein Hohlk¨orper, der sogenannte Napf erstellt. Bei der Umformung wird die Ronde neben der doppelten Biegung noch auf Zug in der Zargenwand, sowie auf Druck im Flansch belastet. Die Druckspannungen entstehen dadurch, dass der Durchmesser der unverformten Ronde beim Einzug auf den geringeren Durchmesser des Stempels reduziert werden mussen. Die hierzu notwendigen Druckspannungen werden u ¨ber den Stempel in die Ronde eingebracht. Wird also der Rondendurchmesser vergr¨oßert, ist eine h¨ohere Druckspannung notwendig, um den Außendurchmesser umformen zu k¨onnen und hiermit steigt auch die Zugbelastung im Flansch an. Ab einem gewissen Durchmesser k¨onnen die mit dem Stempel eingeleiteten Kr¨afte u ¨ber die Zarge nicht mehr u ¨bertragen werden und es kommt daher zu einem Werkst¨ uckversagen im Bereich der Napfwand. Bei der Umformung soll nun das Bauteil m¨oglichst geringen Zugkr¨aften ausgesetzt werden. Das kann bei einem vorgegebenen Rondendurchmesser nur dann erreicht werden, wenn man versucht, die zur Umformung notwendigen Druckkr¨afte zu reduzieren. Die richtige Position f¨ ur eine Lasererw¨armung liegt also im Bereich der Druckkr¨afte, da dadurch die notwendige Fließspannung herabgesetzt wird. Der Bereich, in dem die Zugspannungen auftreten,

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Abbildung 6: Tiefziehwerkzeug: Laserfinger erw¨armt eine Ronde in einem Tiefziehwerkzeug; zur thermischen Isolierung ist das Werkzeug mit Floatglas beschichtet.[12]

Abbildung 7: Ziehkraftverlauf unterschiedlicher Rondendurchmesser mit und ohne Lasererw¨armung.[12] soll nat¨ urlich nicht erw¨armt werden, da sonst die f¨ ur das Bauteil ertragbaren Spannungen herabgesetzt werden und es schneller zum Bruch kommt. Es sind also unterschiedliche Materialeigenschaften u ¨ber den Rondendurchmesser erw¨ unscht, die nun auf der einen Seite durch eine Erw¨armung w¨ahrend der Umformung erreicht werden k¨onnen, oder, wie schon im Abschnitt 2 erkl¨art, durch Verwendung von THTB. Bei der lokalen Erw¨armung im Werkzeug gilt es noch zu beachten, dass die in der Regel aus Stahl gefertigten Werkzeuge die eingebrachte W¨arme sofort abf¨ uhren. Es ist daher notwendig einen thermischen Isolator in das Werkzeug in den erw¨armten Zonen einzubauen.[13] In Abbildung 6 ist eine Werkzeugbeschichtung aus Glas zu sehen. Zwischen dem Niederhalter und dem Ziehring ist des weiteren ein Umlenkspiegel (schwarzer W¨ urfel) zu erkennen. Dieser Spiegel kann mit einer CNC-Verfahranlage in dem Werkzeug bewegt werden und unmittelbar vor der Umformung die Ronde erw¨armen. Die hierbei verwendete Isolierung hat zus¨atzlich noch den Vorteil, dass sie transparent f¨ ur die Wellenl¨ange von Festk¨orperlasern ist. Dieser Versuchsaufbau ist erfolgreich am IFLT erstellt und getestet worden. In Abbildung 7 ist der Kraftverlauf je zweier Tiefziehversuche mit und ohne Lasererw¨armung zu sehen. Die notwendige Ziehkraft ist bei den Versuchen mit Lasererw¨armung 8

Abbildung 8: Tiefziehen: Auf der linken Seite sind zwei Napfziehversuche zu sehen; die maximale Ziehkraft ist bei beiden Versuchen gleich; rechter Versuch ohne Lasererw¨armung, linker mit Lasererw¨armung; Im rechten Bild ist die Kontur des Restflansches zweier Napfziehversuche dargestellt. Versuch 28 hat mit punktf¨ormiger Erw¨armung (7W).[12]

Abbildung 9: Tiefziehwerkzeug zum laserunterst¨ utzen Tiefziehen aus Sapphire.[34] deutlich reduziert. Das linke Bild in Abbildung 8 zeigt zwei Tiefziehversuche mit einer Maximalkraftbegrenzung. Am linken Napf sind deutlich die Anlauffarben durch die Laserbestrahlung am Flansch zu erkennen. Der kalt umgeformte Napf ist deutlich weniger weit gezogen worden. In dieser Abbildung sind auf der rechten Seite noch die Umrisse des Restflansches zweier Tiefziehversuche zu sehen. Bei diesen Versuchen ist die Lasererw¨armung durch eine 600µm Faser ohne Auskoppeloptik direkt unter der Glasisolierung erfolgt. Deutlich ist an der Stelle, wo in der Graphik der Punkt markiert ist, eine Ausbeulung des Umrisses zu erkennen. Hierbei wurde lediglich eine Laserleistung von 7W nach der Glasisolierung gemessen. In Abbildung 9 ist ein Werkzeug f¨ ur die laserunterst¨ utzte Mikroumformung zu sehen. Auch in der Mikromaterialbearbeitung kann man sich die Effekte der Laserunterst¨ utzung zunutze machen. Effekte einer laserunterst¨ utzten Umformung k¨onnen wie folgt zusammengefasst werden: ˆ geringe R¨ uckfederung

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Abbildung 10: Laser Tiefziehen: Werkzeug zum Laserstrahl Mikroumformen mit Plasma.[2]

Abbildung 11: Tiefziehbauteil aus Al99.5 [2] ˆ Verringerung der Zipfelbildung: Z. B. f¨ uhrt bei der Umformung von Magnesium die Zipfelbildung oftmals zu Bauteilversagen; ˆ Materialflussbeeinflussung beispielswiese bei Taylored Blanks im Bereich der Schweißnaht. ˆ Beeinflussung der Wandst¨ arke des Bauteils

Zum Abschluss soll noch auf ein Laser-Plasma“ Tiefziehverfahren hingewiesen werden, ” das die Umformenergie aus der Laserstrahlung gewinnt. Auch diese Verfahren ist f¨ ur Microbauteile ausgelegt ist. Durch die gepulste Laserstrahlung kommt es zum Z¨ unden eines Plasmas. Die hierbei freigesetzte Energie verformt in einem Hochgeschwindigkeitsumformverfahren die Ronde. In Abbildung 10 ist der von Schulze in [2] vorgeschlagene Versuchsablauf zu sehen, nach diesem Verfahren erstellte Bauteile in Abbildung 11.

4.2

IHU

Das IHU-Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass in einem Arbeitsgang aus einem rohrf¨ormigen Ausgangsmaterial ein Werkst¨ uck mit fast beliebiger Kontur hergestellt werden kann. Die Umformung erfolgt dadurch, dass das Rohr durch hohen Innendruck eines Wirkmediums an die umliegende Werkzeugkontur gepresst wird. Erste industrielle Anwendungen dieses Verfahrens waren die Produktion von Fittingen aus Kupfer f¨ ur Wasserinstallationen etwa 1970. Das Verfahren hat in den letzten Jahren Einzug in die Automobilindustrie gefunden - sowohl als Konstruktionselement f¨ ur KFZ-Rahmen als auch im Bereich des Medientransports zum und vom Motor. Der große Nachteil dieses Verfahrens ist, dass die Zykluszeit 10

Abbildung 12: IHU-Werkzeug[17]

Abbildung 13: IHU: lokal lasergegl¨ uhtes IHU Bauteil aus X15CrNiSi20 12.[17] pro Bauteil verh¨altnism¨aßig lang ist. Oftmals ist das fertige Bauteil nicht in einem Umformschritt darstellbar. Muss es dann zu einer weiteren IHU-Umformung kommen, so ist in der Regel dazwischen ein Gl¨ uhprozess zu installieren, damit wieder geeignete Materialkennwerte eingestellt werden. Soll in diesem Schritt nur noch eine Kalibrierung des Bauteils stattfinden - also beispielsweise nur ein Rundungsradius ausgeformt werden - dann kann es sinnvoll sein, nur das Halbzeug lokal zu erw¨armen und nicht das ganze Bauteil zu gl¨ uhen. Gerade Werkstoffe wie z.B. X15CrNiSi20 12 werden aufgrund der Materialeigenschaften gerne im Abgasstrang von KFZ eingesetzt. Mit diesem Material konnte in einem Projekt erfolgreich gezeigt werden, dass dieses lokale Gl¨ uhen ausreicht, um die letzte Umformstufe eines mehrstufigen IHUProzesses zu fertigen.[17] Abbildung 12 zeigt ein Rohr in einem IHU-Werkzeug. Abbildung 13 zeigt unterschiedliche Erw¨armungsstrategien - erkennbar anhand der blauen Anlauffarbe - auf einem schon in der ersten Stufe umgeformten IHU-Bauteil. In Abbildung 14 ist auf der linken Seite der Querschnitt des auszuformenden IHU-Doms vor der zweiten Stufe zu sehen, in der Mitte ein Bauteilversagen, da dieser Teil nicht gegl¨ uht wurde, und auf der rechten Seite ein im Bereich des Doms gegl¨ uhter Bauteil, der erfolgreich kalibriert werden konnte. ¨ Die Anderung des Querschnitts von der ersten zur zweiten Stufe ist deutlich zu erkennen und es kann beobachtet werden, dass die Wandst¨arke eines IHU-Bauteils u ¨ber den Querschnitt nicht konstant ist. Eine Alternative zu dem zuvor dargestellten Verfahren stellt die IHU-Umformung mit erw¨armten Wirkmedien da. Gerade bei Leichtbauwerkstoffen, die schon bei relativ geringer Temperatur erheblich verbesserte Umformeigenschaften aufweisen, k¨onnen solche Verfahrensans¨atze sehr sinnvoll sein. Hier k¨onnen sowohl Gase als auch W¨armetr¨ager¨ole als Wirkmedium eingesetzt werden. Dabei entstehen nat¨ urlich wieder Probleme durch die Erw¨armung von Werkzeug und Maschine. In Arbeiten von Lars Engelbrecht [31] [30] [5] am Laser Zentrum Hannover wurden erfolgreich Nebenformelemente durch Laserstrahlung erzeugt. Hierbei war der Ausgangspunkt, dass oftmals unn¨otig hohe Pressenkr¨afte notwendig sind, um ein Nebenformelement bei einem wirkmedienbasierten Umformverfahren herzustellen. Die Idee war, die Bereiche lokal zu 11

Abbildung 14: Querschnitt eines domf¨ormigen IHU-Bauteils; von links nach rechts: erste Umformstufe, zweite Umformtstufe ohne Lasererw¨armung (Bauteilversagen), zweite Umformstufe mit lokalem Laserzwischengl¨ uhen.[17]

Abbildung 15: Wirkmedienbasierte Umformung: Erzeugung eines Nebenformelementes durch Lasererw¨armung[30] erw¨armen und dadurch bei geringeren Schließkr¨aften der Presse die Ausformung zu erreichen. Ein Beispiel eines ausgeformten Doms ist in Abbildung 15 zu sehen.

4.3

Drahtziehen

Beim konventionellen Drahtziehen wird der Drahtdurchmesser eines dicken“ Drahtes durch ” Ziehen durch ein Ziehhol oder einen Ziehstein verringert. Aufgrund der in der Umformtechnik stets anzunehmenden Volumenkonstanz und der Querschnittsverminderung im Ziehstein, wird der Draht von der ablaufenden Trommel langsamer gezogen, als er auf der auflaufenden Trommel aufgewickelt wird. Treibt man nun entsprechend dieser Ablaufgeschwindigkeiten die zwei Trommeln an und erw¨armt dazwischen den Draht, so kommt es an der erw¨armten Stelle zu einer Reduktion der Fließspannung und somit zu einer Querschnittsverringerung an dieser Stelle. Dabei ist es nicht mehr n¨otig, den Draht mechanisch umzuformen. Der große Vorteil an diesem Verfahren ist die M¨oglichkeit, variable Drahtquerschnitte w¨ahrend des Ziehens herzustellen, da der Querschnitt ja nicht mehr von dem Durchmesser des Ziehhols abh¨angig ist, sondern aufgrund der Laserleistung und den unterschiedlichen Drahtgeschwindigkeiten entsteht. ¨ Ahnliche Verfahren wurden schon mit Induktion statt der Lasererw¨armung erfolgreich umgesetzt. In Arbeiten am IFLT konnte die Machbarkeit dieses Prozesses mit Laserunterst¨ utzung demonstriert werden.[9][25]

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Abbildung 16: Profilwalzen: Schema mit m¨oglicher Position des Laserstrahls.[24]

Abbildung 17: Profilwalzen mit bewegter Walze und Diodenlaser Dilas DL010.[14]

4.4

Walzprofilieren

Als weiteres Verfahren kann das Walzprofilieren [16] [24] genannt werden. In Abbildung 16 ist das Verfahrensschema sowie die m¨ogliche Positionierung des Laserstrahls zu sehen. Abbildung 17 zeigt den Aufbaue eines Versuchs am IFLT, der zum Walzprofilieren von d¨ unnen Blechen erstellt worden ist. In diesem Fall wurde - statt das Blech durch ein feststehendes Walzenger¨ ust zu ziehen - ein Aufbau gew¨ahlt, wo sowohl der Diodenlaser Dilas DL010 als auch eine Walze u ¨ber das feststehende Blech gezogen wird. Anhand der Zustellung der beweglichen Walze in Bild 18 sieht man, dass bei konstanter Kraft eine gr¨oßere Umformung erreicht werden kann. Der große Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, dass der Laserstrahl als Punktquelle gen¨ utzt werden kann und durch die Bewegung des Blechs eine linienf¨ormige Erw¨armung am Bauteil stattfindet.

4.5

3-Punkt Biegen

Das 3-Punkt Biegen“oder auch Abkanten“ bezeichnet ein Blechumformverfahren, das sehr ” ” große Verbreitung hat. Erst durch entsprechende Abkantungen wird aus einem biegeweichen Blech ein stabiles funktionales Bauteil. Beim 3-Punkt Biegen sind sowohl die minimal erreichbaren Biegeradien als auch der maximal erreichbare Biegewinkel von Faktoren wie der Gesenkweite und der Materialst¨arke abh¨angig. Durch Laserunterst¨ utzung kann der Biegewinkel erh¨oht und der Biegeradius verkleinert werden. [35][7][8][22]

4.6

Inkrementelles Umformen

Inkrementelle Umformverfahren haben den Vorteil, dass ohne die Herstellung eines kostenaufwendigen Werkzeugs Bauteile aus Blech hergestellt werden k¨onnen. Durch punktf¨ormiges 13

Abbildung 18: Profilwalzen: Kraft-Weg Diagramm; die Profilwalze wurde jeweils mit der gleichen Kraft beaufschlagt. Durch die Lasererw¨armung ist es zu einer st¨arkeren Umformung gekommen.[14]

Abbildung 19: Inkrementelles Umformen: Durch einen Pneumatikstempel wird ein Blechst¨ uck inkrementell umgeformt; auf der rechten Seite befindet der Auskoppelkopf des Lasers Trumpf HL3006D.[14] Umformen entsteht aus einem ebenen Blech ein r¨aumliches Werkst¨ uck. Wie in Abbildung 19 gezeigt, kann auf einer Seite die Krafteinwirkung erfolgen und auf der anderen Seite eine lokale Bauteilerw¨armung zur Unterst¨ utzung. [22]

4.7

Dru ¨ cken

Dr¨ ucken ist ein Umformverfahren, wo ¨ahnlich dem Tiefziehen, aus ebenen Ronden rotationssymmetrische Hohlk¨orper hergestellt werden. Da auch hier die Umformung punktf¨ormig erfolgt, eignet sich dieses Verfahren sehr gut f¨ ur Laserunterst¨ utzung. Grundlegende Arbeiten sind am Fraunhofer IPT zur Umformung von Titanlegierungen am Beispiel von Katalysatortrichter und Felgenring erfolgt. [33]

4.8

Laserbiegen

Als letztes Verfahren soll noch kurz das Laserbiegen erw¨ahnt werden. Dieses Verfahren kommt g¨anzlich ohne mechanische Krafteinwirkung aus. Die Umformung wird nur durch Temperaturfelder aufgrund der Lasereinstrahlung erzeugt. Anwendungen befinden sich sowohl im Bereich der Mikrobearbeitung und hier im speziellen der Justagetechnik (siehe Abbildung 20) als auch zur Herstellung von Makrobauteilen.[23] Es k¨onnen sowohl beliebig gekr¨ ummte Bleche erzeugt, als auch beispielsweise Rohre [36] (siehe Abbildung 21) gebogen 14

Abbildung 20: Galvanisch hergestellte Fachwerkstruktur: Durch Laserstrahlung kann das Fachwerk unterschiedlich positioniert werden.[23]

Abbildung 21: Laserbiegen: Rohre nur durch Laserstrahlerw¨armung gebogen.[36] werden.

Danksagung Der Autor m¨ochte im Namen des Instituts folgenden F¨ordergebern und Partnern in alphabetischer Reihenfolge danken, die die hier dargestellten Arbeiten erm¨oglicht haben: Argelas (Arbeitsgemeinschaft f¨ ur Lasertechnik), BMVIT (Bundesministerium f¨ ur Verkehr, Inovation und Technologie), Firma ELB Form (Vandans), FFG (Forschungsf¨orderungsgesellschaft mbH) und der TRUMPF Maschinen Austria GesmbH & Co KG. Des weiteren soll auch den Kollegen, die diese Arbeiten durchgef¨ uhrt haben der Dank ausgesprochen werden: Dr. Robert Bielak, DI Herbert Boden, Dr. Bernhard Holzinger, DI Innitzer Greogor, Dr. Martin Kaltenbrunner, Prof. Dr. Gerhard Liedl, DI Alberto Marino, DI Santiago Murga, DI Pablo Perez Perez und Dr. Christian Zeinar. Schließlich gilt der Dank Prof. Schu¨ocker, der in den letzten Jahren unerm¨ udlich diese Klasse von Prozessen gef¨ordert und viele Arbeiten angestoßen hat.

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