UMFORMtechnik (Massiv)

 
 
   

Gebrauchsfertige Teile aus Metallspänen herstellen

Die Hochschule Ostwestfalen-Lippe hat untersucht, wie sich aus dem Abfallprodukt Metallspäne gebrauchsfertige Bauteile formen lassen. Mittel zum Zweck ist dabei die Umformtechnik. In der entwickelten Prozesskette entfallen das Einschmelzen wie auch die Herstellung des Halbzeugs.

Mehr zum Thema

For our English speaking readers:
Ready-to-use solid parts made from metal chips
Ostwestfalen-Lippe University of Applied Sciences has investigated how metal chips can be proceeded into ready-to-use solid parts. The means to an end is the forming technology. The developed process chain eliminates melting as well as semi-finished products.

Gerade in der heutigen Zeit ist es notwendig, nach Produktionsverfahren mit einem geringen Abfall- und Energieverbrauch zu suchen. Besonders bei einer ganzheitlichen Betrachtung für die Herstellung von Bauteilen wird oft der erforderliche Energieverbrauch vernachlässigt. Im Rahmen eines gemeinsamen Projektes mit einem Industriepartner und dem Labor für Umformtechnik an der Hochschule Ostwestfalen Lippe wurde eine Machbarkeitsstudie für eine ressourcenschonende Prozesskette durchgeführt. Hierbei wurden Methoden entwickelt, um aus Spänen, die als Abfall in der Produktion anfallen, mit einem geringen Energieeinsatz neue gebrauchsfertige Teile mit bestmöglichen technologischen Eigenschaften herzustellen.

Bei der ressourcenschonenden Prozesskette entfällt die Energie für den Transport sowohl für den Einschmelzprozess als auch für die Herstellung des Halbzeugs. Für die in Bild 1 gezeigte Prozesskette wurden die verwendeten Messingspäne zu Beginn in einer Anlage gereinigt. Vorhergehende Untersuchungen hatten gezeigt, dass der Reinigungsprozess einen wichtigen Einfluss auf die spätere Gebrauchseigenschaft der Teile ausübt. Als problematisch erwiesen sich die Spanform und der anhaftende Restschmierstoff von der vorausgegangenen spanenden Fertigung. Die Restfeuchte der Teile konnte durch einen separaten Trocknungsvorgang entfernt werden. 

50 % Energieeinsparung möglich

Anschließend wurden die Späne geglüht und durch einen Stauchvorgang vorkompaktiert. Im folgenden Fließpressprozess wurde durch eine Verfahrenskombination ein Druckstück hergestellt. Da es sich hier um einen spröden Werkstoff handelt und die Presskraft der Maschine nicht ausreichte, wurden die Teile vorher erwärmt. Die Erwärmung der Teile trägt nicht vollständig zu einer Erhöhung der Energiebilanz bei, da hierdurch die Fließspannung des Werkstoffs sinkt und zu einer Verringerung der benötigten Umformenergie beiträgt. Um eine hinreichende Festigkeit zu bekommen, sollten während des Pressvorgangs hohe Umformgrade mit entsprechendem Schiebungsanteil angestrebt werden. Wie das zugehörige Schliffbild in Bild 2 zeigt, ist der Stoffzusammenhalt aufgrund der günstigen Umformbedingungen im Randbereich besonders günstig ausgeprägt. Anschließend wurden die Teile im Schaftbereich durch Drehen nachbearbeitet und ein Gewinde hergestellt. Hierbei konnte eine gute Zerspanbarkeit festgestellt werden. 

Um den Umformvorgang zu simulieren, wurde für den Fließpressvorgang eine FEM-Berechnung durchgeführt. Ausgehend von einem Vollmaterial sind die hierfür üblichen Prozessparameter verwendet worden. Um eine Übertragbarkeit der FEM-Berechnung auf den realen Prozess zu überprüfen, sind in Bild 3 die Kraftverläufe der Teile aus Vollmaterial und den Spänen sowie die FEM Berechnung dargestellt. Wie die Berechnung zeigt, war die maximale Kraft nahezu gleich gegenüber den umgeformten Teilen. Lediglich beim Kraftverlauf lagen Abweichungen vor, da die fehlenden realen Prozessbedingungen nicht vollständig bei der FEM Berechnung berücksichtigt wurden. 

Bei den vorkompaktierten Teilen lag die max. Kraft etwas höher, da der Umformwiderstand durch veränderte Prozessbedingungen größer war. Erste Voruntersuchungen zeigten, dass die Festigkeit der aus Spänen hergestellten Teile ausreichend war. Das Druckstück war in der Lage bei Belastung Zugkräfte von 40 kN zu übertragen. Neben der Gebrauchstauglichkeit der Teile sind der Energieverbrauch, die Umweltverträglichkeit sowie die eingesparten Kosten für den späteren Einsatz von Bedeutung. Wenn die Teile aus Spänen – dem Abfall – hergestellt werden, können nach ersten Abschätzungen etwa 50 % der Energiekosten bei der optimalen Herstellung des Druckstücks gegenüber der konventionellen Fertigung eingespart werden. Das höchste Einsparpotenzial bei der Energie kann durch den Wegfall der Logistik, den Einschmelzprozess sowie bei der entfallenden Halbzeugherstellung in der ressourcenschonenden Prozesskette erreicht werden. 

Zusammenfassung

Es lässt sich zusammenfassend feststellen, dass aus Abfall, in diesem Fall Späne, bei einem geringen Energie- und Kosteneinsatz gebrauchsfertige Teile hergestellt werden können. Um ein bestmögliches Fertigungsergebnis zu bekommen, ist auf einen optimierten Reinigungsprozess zu achten. Der hierfür notwendige Maschineneinsatz ist wesentlich geringer als bei der konventionellen Produktion. Mit der Verwendung eines Mehrstufenwerkzeuges in der optimierten Prozesskette können zusätzliche Energieanteile eingespart werden. Weitere Versuche sollen die Tauglichkeit dieser Prozesskette für Stahlwerkstoffe überprüfen. 

Friedhelm Jütte und Erwin Schadt, Hochschule OWL, sowie Christian Pflughaupt, Phoenix Contact

Hochschule Ostwestfalen-Lippe
Labor für Umformtechnik
Liebigstraße 87
32657 Lemgo
Ansprechpartner ist Friedhelm Jütte
friedhelm.juette@hs-owl.de
www.hs-owl.de

Phoenix Contact GmbH+Co. KG
Flachsmarktstraße 8, 32825 Blomberg
Ansprechpartner ist Christian Pflughaupt
Tel.: +49 5235 348436
cpflughaupt@phoenixcontact.com
www.phoenixcontact.com