Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Wirtschaftliche Herstellung von innenhochdruckumgeformten Bauteilen aus temperaturbeständigen Titanwerkstoffen

Die Fertigung von innenhochdruckumgeformten (IHU) Titan-Bauteilen ist aufwendig und kostenintensiv. Durch die geringe Umformbarkeit von Titanwerkstoffen bei Raumtemperatur sind zur Realisierung komplexer Geometrien mehrere IHU-Prozesse mit zwischengeschalteten Glühprozessen notwendig. Eine Möglichkeit zur Verkürzung der Prozessketten ist die Warmumformung (T-IHU). Erste Vorversuche bei bis zu 900°C haben das Potential aufgezeigt. Die hohen Werkzeugkosten und die Zunderbildung stellen noch Probleme dar.

Ziel des Projektes ist die die Weiterentwicklung der T-IHU, um eine wirtschaftliche Fertigung von Titan-Bauteilen im einstufigen IHU-Prozess zu ermöglichen. Zur Vermeidung der Zunderbildung kann die Umformtemperatur reduziert oder mit Schutzgas gearbeitet werden. Es soll eine Lösung für den Konflikt aus Wirtschaftlichkeit (Vermeidung Schutzgas; möglichst geringe Umformtemperaturen; Werkzeugkosten) und verbessertem Umformvermögen bei hohen Temperaturen gefunden werden.

Lösungsweg:

1. Definition der Anforderungen

2. Simulationsbasierte Prozessauslegung

3. Entwicklung von Werkzeugbeschichtungen

4. Grundlagenversuche zur T-IHU von Titan

5. Übertragung der Erkenntnisse auf Realbauteile

6. Transfermaßnahmen / Erstellung Leitfaden

7. Anfertigung Schlußbericht

Abschließend liegen Werkstoffkennwerte für eine Auslegung der T-IHU-Prozesse vor. Angaben zur Beschaffenheit des Umformwerkzeuges und zu den Prozessparametern für die T-IHU werden definiert.

Die Fertigung von Titan-IHU-Teilen wird von spezialisierten KMUs dominiert. Eine Implementierung der T-IHU steigert die Produktivität um >50% und senkt die Fertigungskosten um 50-70%. Die Anbieter sind daraufhin in der Lage die anwachsende Nachfrage aus der Automobilbranche zu bedienen, woraus ein hohes Wachstumspotential resultiert. Das Projekt setzt Standards bei der Beschichtung von Umformwerkzeugen für höhere Einsatztemperaturen und stärkt die Fachkompetenz der beteiligten Firmen.

Ergebniszusammenfassung:

Ziel des Projektes war die Entwicklung eines einstufigen Fertigungsprozesses zur Herstellung komplexer Bauteilgeometrien aus Titanrohren mittels Innenhochdruck-Umformung. Um dies zu erreichen, wurde ein isothermer Umformprozess inklusive der Möglichkeit des axialen Nachschiebens von Material in die Umformzone am Beispiel eines T-Stückes mit 30 mm Rohrdurchmesser umgesetzt.

Für die Umformversuche wurde ein Werkzeugaufbau basierend auf einem vorhandenem IHU-Basiswerkzeug entwickelt und umgesetzt. Die Werkzeugbeheizung erfolgt über Heizpatronen. Zur Kühlung der nicht beheizten Bereiche wurde Wasser verwendet. Zum Verschleißschutz der Werkzeugoberflächen wurden verschiedene Beschichtungen entwickelt und getestet.

Bei den Umformversuchen zeigte sich, dass eine Umformbarkeit des Materials realisiert werden konnte. Die Umformergebnisse zeigten eine gute Übereinstimmung mit der Simulation. Eine Trockenumformung ohne zusätzlichen Schmierstoff ist aufgrund der starken Adhäsionsneigung des Titans derzeit nicht möglich. In diesem Bereich sind weitere Entwicklungen notwendig.

Abschließend erfolgte die Übertragung der Erkenntnisse auf ein Realbauteil (Endrohr einer Abgasanlage eines Premium-PKW). Dabei zeigte sich, dass die temperierte Formgebung mit 400 °C Umformtemperatur mit gleichzeitigem axialem Nachschieben von Material in die Umformzone eine einstufige Innenhochdruck-Umformung des Bauteiles ermöglicht. Das am Fraunhofer IWU vorhandene Werkzeug zur Herstellung des Abgasbauteiles bei ca. 900 °C wurde abschließend konstruktiv an den entwickelten Prozess angepasst und die Werkzeugkosten wurden kalkuliert. Dabei zeigte sich eine enormes Einsparpotential im Vergleich zur bisher genutzten Hochtemperaturumformung. Insbesondere die eingesetzten Werkzeugwerkstoffe und deren Bearbeitung fallen deutlich günstiger aus. Des Weiteren kann auf die Verwendung von Schutzgas verzichtet werden.