massivumformung energieeffizienz leichtbau hm2011 dahme · 2014. 5. 19. · 18.03.2011 1...
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18.03.2011
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Massivumformung für Energieeffizienz und Leichtbau 1 von 28
Suppliers Convention auf der Hannover-Messe
05. April 2011
Dipl.-Ing. Michael DahmeLeiter Ausschuss Forschung und Technikim Industrieverband Massivumformung
Massivumformung für Energieeffizienz und Leichtbau
Massivumformung für Energieeffizienz und Leichtbau 2 von 28
A Vorstellung der Branche der Massivumformung
B Energieeffizienz durch entsprechend
1. ausgelegte BauteileØ Konstruktiven Leichtbau
Ø Stofflichen Leichtbau» Stahl, Alu
» Aktuelle Werkstoffentwicklungen
» Versagensorientierte Bauteilauslegung
2. gefertigte Bauteile Ø Reduzierung des Materialeinsatzes
Ø Effiziente Einbringung und Nutzung der Wärme» Reduzierten Wärmeeinsatz (kalt, hw statt w)
» Integrierte WBH, Härtung ...
» Nutzung Abwärme
3. Bauteilbetrieb
Gliederung
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Massivumformung für Energieeffizienz und Leichtbau 3 von 28
Übersicht „Umformung“
Blechumformung
Kaltumformung
Halbwarmumformung
Warmumformung
Kombinationsverfahren
Massivumformung
Umformung
Quelle: (Blechteile): Pockauer Werkzeugbau
Massivumformung für Energieeffizienz und Leichtbau 4 von 28
A Branchenvorstellung / Teilespektrum
Quelle: Industrieverband Massivumformung
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Massivumformung für Energieeffizienz und Leichtbau 5 von 28
§ Bild
Produktionsleistung
2,6 Mio. Tonnen
Produktionswert
6,9 Mrd. Euro
250 Unternehmen
29.500 Beschäftigte
Daten 2010
A Branchenvorstellung
Quelle: Industrieverband Massivumformung
Massivumformung für Energieeffizienz und Leichtbau 6 von 28
Produktionsleistung
2,6 Mio. Tonnen
Produktionswert
6,9 Mrd. Euro
250 Unternehmen
29.500 Beschäftigte
Daten 2010
A Branchenvorstellung
Quelle: Industrieverband Massivumformung
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Massivumformung für Energieeffizienz und Leichtbau 7 von 28
B1 Konstruktiver Leichtbau
Geschmiedete Ausgleichswelle (Bild: Stahl-Informations-Zentrum, Düsseldorf)
Topologieoptimierung eines Schwenklagers (Grafik: Hirschvogel Automotive Group)
Massivumformung für Energieeffizienz und Leichtbau 8 von 28
• Ersatz von Stahl durch Aluminium
B1 Stofflicher Leichtbau
Gewichtsreduzierung auf Grund Verwendung eines Alu-Schmiedeteiles
um 1,8 kg (bei geänderter Achskonstruktion)
Radträger alte C-Klasse Radträger neue C-Klasse
Quelle: Hirschvogel
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Massivumformung für Energieeffizienz und Leichtbau 9 von 28
• Aktuelle Werkstoffentwicklungen (Stahl)Grundsätzliche Idee: „Beim Einsatz höherfester Werkstoffe benötigt man weniger Werkstoff“Entsprechende aktuelle Entwicklungen sind:
Ø „Neue Werkstoffe und angepasste Prozessketten für höherfeste
Stahlwerkstoffe (AFP-M) in geschmiedeten Strukturbauteilen“
Ø „Effiziente Prozessketten und neue hochfeste (bainitische) Stähle
zur flexiblen Darstellung hoch beanspruchter Strukturbauteile“
Ø „Schmiedestähle mit verbesserter Betriebsfestigkeit durch
verformungsinduzierte Phasenumwandlung (TRIP)“
B1 Stofflicher Leichtbau
Massivumformung für Energieeffizienz und Leichtbau 10 von 28
B1 Vergleich Werkstoffeigenschaften
Quelle: Hirschvogel
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Massivumformung für Energieeffizienz und Leichtbau 11 von 28
Ø Stofflicher Leichtbau• Aktuelle Werkstoffentwicklungen
Ø „Neue Werkstoffe und angepasste Prozessketten für höherfeste
Stahlwerkstoffe (AFP-M) in geschmiedeten Strukturbauteilen“
B1 Energieeffizienz durch Bauteilauslegung
Quelle: Neue Werkstoffe und angepasste Prozessketten für höherfeste Stahlwerkstoffe in geschmiedeten Strukturbauteilen
Massivumformung für Energieeffizienz und Leichtbau 12 von 28
B1 Werkstoffentwicklungen
Am Beispiel Achsschenkel wurden mit
Pilotschmelzen im Vergleich mit den
Ausgangswerkstoffen folgende
Verbesserungen erreicht:
Ø Streckgrenze verbessert sich
um 100 – 280 MPa
Ø Zugfestigkeit verbessert sich
um 115 – 250 MPa
Ø Streckgrenzenverhältnis verbessert
sich von ca. 0,60 auf bis zu 0,73
Ø Die Dauerfestigkeit steigt mit der
statischen Festigkeit.
Ø Die gewünschte Zähigkeit wird mit
bainitischen Gefüge erreicht.
Streckgrenze [MPa]
Zugfestigkeit [MPa]
Streckgrenzen-verhältnis
Bruchdehnung [%]
Zähigkeit bei RT [J]
Ziel > 800 > 1000 > 0,80 > 10 > 27
Quelle: Neue Werkstoffe und angepasste Prozessketten für höherfeste Stahlwerkstoffe in geschmiedeten Strukturbauteilen
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Massivumformung für Energieeffizienz und Leichtbau 13 von 28
B1 Werkstoffentwicklungen
Streckgrenze [MPa]
Zugfestigkeit [MPa]
Bruchdehnung [%]
Zähigkeit bei RT [J]
Ziel > 850 > 1200 > 10 > 27
Am Beispiel Achsschenkel und
Common Rail konnten die
angestrebten mechanischen
Eigenschaften erreicht werden
Ø Streckgrenze 720 – 780 MPa
Ø Zugfestigkeit 1260 – 1280 Mpa
Ø Bruchdehnung 10 -15
Ø Zähigkeit 25 - 33.
Ø Bainitanteil 97 – 99 %
NFZ-
AchsschenkelQuelle: Neue Werkstoffe und angepasste Prozessketten für höherfeste Stahlwerkstoffe in geschmiedeten Strukturbauteilen
Massivumformung für Energieeffizienz und Leichtbau 14 von 28
Ø Stofflicher Leichtbau• Versagensorientierte Bauteilauslegung
Grundsätzliche Idee: „Eine auf Basis realitätsnaher Belastungsprofile und Versagenskriterien sowie unter Berücksichtigung lokaler Bauteilbelastungen und –eigenschaften durchgeführte Dimensionierung von Bauteilen führt gegenüber der pauschalisierten Bemessung zu geringerem Materialbedarf“Entsprechende aktuelle Entwicklungen sind:
Ø „Betriebssichere Auslegung von Fahrwerkssicherheitsbauteilen
aus AFP-Stahl“
Ø „Einfluss von Faserverlauf und Gefüge auf die Schwingfestigkeit
von AFP-Stählen“
Ø „Untersuchung der Versagenskriterien von Schmiedeteilen in Stahl
und Aluminium“
B1 Energieeffizienz durch Bauteilauslegung
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Massivumformung für Energieeffizienz und Leichtbau 15 von 28
• Versagensorientierte BauteilauslegungØ „Einfluss von Faserverlauf und Gefüge auf die Schwingfestigkeit
von AFP-Stählen“
B1 Stofflicher Leichtbau
30 mm
Stauchprobe
Rohling
Quelle: Hirschvogel
Massivumformung für Energieeffizienz und Leichtbau 16 von 28
Quelle: Böhler, Breitenfeld, EWS, IFW
Stahlschmelze
Strangguss
Warmwalzen
Rundmaterial
In der Schmelze ist Schwefel in Eisen löslich.
Während der Erstarrung scheidet sich Schwefel
aus und verbindet sich mit Mangan zu MnS.
Ø Einfluß des FaserverlaufsStahlerzeugung
MnS-Faser
Werkstoff: 38MnSiVS5 Quelle: Hirschvogel
B1 Energieeffizienz durch Bauteilauslegung
Walzrichtung
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Massivumformung für Energieeffizienz und Leichtbau 17 von 28
Einfluss Faserlage auf Zugfestigkeit und Dehngrenze
Zugfestigkeit Rm und Dehngrenze Rp0,2steigen mit abnehmendem Schwefelgehalt.
Die Faserorientierung spielt keine signifikante
Rolle.
Rp0,2
Rm
Werkstoff: 38MnSiVS5
Bruchdehnung A und Brucheinschnürung Z
sind abhängig von der Faserorientierung zur
Belastungsrichtung (längs/quer).
Außer bei der Brucheinschnürung Z in
Querrichtung hat der Schwefelgehalt keinen
signifikanten Einfluss.
SHL = S hoch, längs SHQ = S hoch, quer
SNL = S niedrig, längs SNQ = S niedrig,quer
ZA5m
Quelle: Einfluss von Faserverlauf und Gefüge auf die Schwingfestigkeit von AFP Stählen, AVIF Projekt A245
Massivumformung für Energieeffizienz und Leichtbau 18 von 28
Einfluss Faserlage auf Dauerfestigkeit
Probenabmaße: l = 80mm, d = 12mm
Werkstoff: 38MnSiVS5
Längs
orientiert
Quer
orientiert
Die Dauerfestigkeit ist abhängig von der Faserorientierung zur Belastungsrichtung
(längs/quer).
Längs orientierte Proben weisen eine höhere Dauerfestigkeit auf als quer orientierte.
Ein hoher S-Gehalt senkt zusätzlich die Dauerfestigkeit.
Quelle: Einfluss von Faserverlauf und Gefüge auf die Schwingfestigkeit von AFP Stählen, AVIF Projekt A245
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Massivumformung für Energieeffizienz und Leichtbau 19 von 28
B2 Reduzierung des Materialeinsatzes
kleine Stückzahl
geringe Anpassung
an Fertigform
mittlere Stückzahl
mäßige Anpassung
an Fertigform
große Stückzahl
gute Anpassung
an Fertigform
Fertigteil
Schmiedeteil
Bearbeitung
Fertigung
Werkstoff
Werkzeug
Koste
n
Bearbeitung
Fertigung
Werkstoff
Werkzeug
Bearbeitung
Fertigung
Werkstoff
Werkzeug
Fertigteil
Schmiedeteil
Fertigteil
Schmiedeteil
Quelle: Industrieverband Massivumformung
Massivumformung für Energieeffizienz und Leichtbau 20 von 28
• Near-Net-Shapeund Net-Shape-Bauteile
B2 Reduzierung des Materialeinsatzes
Quelle: Hirschvogel
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Massivumformung für Energieeffizienz und Leichtbau 21 von 28
Stromerzeugung
Erwärmen
UmformenWärmebehandlung
Energiebilanz für Massivumformteile
Stahlwerk
Stranggießen
Walzwerk
Primärenergiebedarf= 20,9 GJ/to (68%)
Primärenergiebedarf= 9,8 GJ/to (32%)
ΣΣΣΣ = 100%
B2 Energieeffizienz bei der Bauteilfertigung
Quelle: Projektskizze: 3389 Erhöhung der Energieeffizienz in der Massivumformung (ENERMA)
Massivumformung für Energieeffizienz und Leichtbau 22 von 28
B2 Energieeffizienz bei der Bauteilfertigung
Energieeinsatz ist abhängig von
• Stahlerzeugung
(Rohstahl / Elektrostahl)
• Umformverfahren
4 Kg
PKW-Getriebewelle
Quelle: Hirschvogel
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Massivumformung für Energieeffizienz und Leichtbau 23 von 28
B2 Nutzung Wärme
Die entlang des Umformprozesses
entstehende Abwärme wird heute
überwiegend nur zu Heizzwecken genutzt.
Das BMBF geförderte Projekt ENERMASS
hat zum Ziel, die Nutzung der eingesetzte
Prozessenergie zu verbessern:
• Einsatzmaterial einsparen
• Wärme im Bauteil zur
Wärmebehandlung nutzen
• Wärmen effektiver ermöglichen
• Wärme auf hohem Temperaturniveau
sammeln um sie besser nutzen zu
können
Quelle: Erhöhung der Energieeffizienz in der Massivumformung (ENERMASS) BMBF 02PO2000
Massivumformung für Energieeffizienz und Leichtbau 24 von 28
• Integrierte Wärmebehandlung, Härtung ...
B2 Effiziente Einbringung und Nutzung der Wärme
Schematische Darstellung der Wärmebehandlungsverfahren bei Gesenkschmiedeteilen aus Stahl
*Austenitisieren und Abschrecken
Vergüten(V)
Aus der Schmiedewärme kontrolliert abkühlen,
isothermisch umwandeln (BG oder BF)
Aus der Schmiedewärme kontrolliert abkühlen,
kontinuierlicher Verlauf (P)
Quelle: Industrieverband Massivumformung
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Massivumformung für Energieeffizienz und Leichtbau 25 von 28
• Integrierte Wärmebehandlung, Härtung ...
Ø Forschung:
Integration der Wärmebehandlung, einer verfestigenden
Lauwarmumformung und der Heißzerspanung in eine
sensorkontrollierte Abkühlung aus der Schmiedehitze.
RT
Zeit
Tem
pe
ratu
r
Heiß-
Umformung
FP-Glühen
Kalt-Umformung
Kalt-Zerspanung
(Einsatz)-Härten
Sensorgeregelte
Abkühlung
Lauwarm-Umformung
Heiß-ZerspanungA3
A1
Quelle: Erhöhung der Energieeffizienz in der Massivumformung (ENERMASS) BMBF 02PO2000
B2 Effiziente Einbringung und Nutzung der Wärme
Massivumformung für Energieeffizienz und Leichtbau 26 von 28
Energie-einsparung bei rotatorisch betriebenen Bauteilen durch Reduktion nicht tragender Querschnitte
B3 Energieeffizienz beim Bauteilbetrieb
Quelle: Hirschvogel
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Massivumformung für Energieeffizienz und Leichtbau 27 von 28
B3 Energieeffizienz beim Bauteilbetrieb
Reduzierte Massen und Querschnitte
Funktionsintegration
Belastbarkeit die nur von Umformteilen und entsprechenden Werkstoffen geleistet werden können
Quelle: Hirschvogel
Massivumformung für Energieeffizienz und Leichtbau 28 von 28
Energieeffizienz und Leichtbau
in der Massivumformung
Vielen Dank für Ihr Interesse
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