2011-04 energieeffizienz und leichtbau hirschvogel hannover messe 2013
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Energy efficiency and light constructionTRANSCRIPT
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18.03.2011
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Massivumformung fr Energieeffizienz und Leichtbau 1 von 28
Suppliers Convention auf der Hannover-Messe05. April 2011
Dipl.-Ing. Michael DahmeLeiter Ausschuss Forschung und Technikim Industrieverband Massivumformung
Massivumformung fr Energieeffizienz und Leichtbau
Massivumformung fr Energieeffizienz und Leichtbau 2 von 28
A Vorstellung der Branche der MassivumformungB Energieeffizienz durch entsprechend
1. ausgelegte Bauteile Konstruktiven Leichtbau Stofflichen Leichtbau
Stahl, Alu Aktuelle Werkstoffentwicklungen Versagensorientierte Bauteilauslegung
2. gefertigte Bauteile Reduzierung des Materialeinsatzes Effiziente Einbringung und Nutzung der Wrme
Reduzierten Wrmeeinsatz (kalt, hw statt w) Integrierte WBH, Hrtung ... Nutzung Abwrme
3. Bauteilbetrieb
Gliederung
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Massivumformung fr Energieeffizienz und Leichtbau 3 von 28
bersicht Umformung
Blechumformung
Kaltumformung
Halbwarmumformung
Warmumformung
Kombinationsverfahren
Massivumformung
Umformung
Quelle: (Blechteile): Pockauer Werkzeugbau
Massivumformung fr Energieeffizienz und Leichtbau 4 von 28
A Branchenvorstellung / Teilespektrum
Quelle: Industrieverband Massivumformung
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Massivumformung fr Energieeffizienz und Leichtbau 5 von 28
Bild
Produktionsleistung2,6 Mio. TonnenProduktionswert
6,9 Mrd. Euro250 Unternehmen
29.500 Beschftigte
Daten 2010
A Branchenvorstellung
Quelle: Industrieverband Massivumformung
Massivumformung fr Energieeffizienz und Leichtbau 6 von 28
Produktionsleistung2,6 Mio. TonnenProduktionswert
6,9 Mrd. Euro250 Unternehmen
29.500 Beschftigte
Daten 2010
A Branchenvorstellung
Quelle: Industrieverband Massivumformung
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Massivumformung fr Energieeffizienz und Leichtbau 7 von 28
B1 Konstruktiver Leichtbau
Geschmiedete Ausgleichswelle (Bild: Stahl-Informations-Zentrum, Dsseldorf)
Topologieoptimierung eines Schwenklagers (Grafik: Hirschvogel Automotive Group)
Massivumformung fr 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 genderter Achskonstruktion)
Radtrger alte C-Klasse Radtrger neue C-Klasse
Quelle: Hirschvogel
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Massivumformung fr Energieeffizienz und Leichtbau 9 von 28
Aktuelle Werkstoffentwicklungen (Stahl)Grundstzliche Idee: Beim Einsatz hherfester Werkstoffe bentigt man weniger WerkstoffEntsprechende aktuelle Entwicklungen sind:
Neue Werkstoffe und angepasste Prozessketten fr hherfeste Stahlwerkstoffe (AFP-M) in geschmiedeten Strukturbauteilen
Effiziente Prozessketten und neue hochfeste (bainitische) Sthle zur flexiblen Darstellung hoch beanspruchter Strukturbauteile
Schmiedesthle mit verbesserter Betriebsfestigkeit durch verformungsinduzierte Phasenumwandlung (TRIP)
B1 Stofflicher Leichtbau
Massivumformung fr Energieeffizienz und Leichtbau 10 von 28
B1 Vergleich Werkstoffeigenschaften
Quelle: Hirschvogel
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Massivumformung fr Energieeffizienz und Leichtbau 11 von 28
Stofflicher Leichtbau Aktuelle Werkstoffentwicklungen
Neue Werkstoffe und angepasste Prozessketten fr hherfeste Stahlwerkstoffe (AFP-M) in geschmiedeten Strukturbauteilen
B1 Energieeffizienz durch Bauteilauslegung
Quelle: Neue Werkstoffe und angepasste Prozessketten fr hherfeste Stahlwerkstoffe in geschmiedeten Strukturbauteilen
Massivumformung fr Energieeffizienz und Leichtbau 12 von 28
B1 Werkstoffentwicklungen
Am Beispiel Achsschenkel wurden mit Pilotschmelzen im Vergleich mit den Ausgangswerkstoffen folgende Verbesserungen erreicht: Streckgrenze verbessert sich
um 100 280 MPa Zugfestigkeit verbessert sich
um 115 250 MPa Streckgrenzenverhltnis verbessert
sich von ca. 0,60 auf bis zu 0,73 Die Dauerfestigkeit steigt mit der
statischen Festigkeit. Die gewnschte Zhigkeit wird mit
bainitischen Gefge erreicht.
Streckgrenze [MPa]
Zugfestigkeit [MPa]
Streckgrenzen-verhltnis
Bruchdehnung [%]
Zhigkeit bei RT [J]
Ziel > 800 > 1000 > 0,80 > 10 > 27
Quelle: Neue Werkstoffe und angepasste Prozessketten fr hherfeste Stahlwerkstoffe in geschmiedeten Strukturbauteilen
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B1 Werkstoffentwicklungen
Streckgrenze [MPa]
Zugfestigkeit [MPa]
Bruchdehnung [%]
Zhigkeit bei RT [J]
Ziel > 850 > 1200 > 10 > 27
Am Beispiel Achsschenkel und Common Rail konnten die angestrebten mechanischen Eigenschaften erreicht werden Streckgrenze 720 780 MPa Zugfestigkeit 1260 1280 Mpa Bruchdehnung 10 -15 Zhigkeit 25 - 33. Bainitanteil 97 99 %
NFZ-
AchsschenkelQuelle: Neue Werkstoffe und angepasste Prozessketten fr hherfeste Stahlwerkstoffe in geschmiedeten Strukturbauteilen
Massivumformung fr Energieeffizienz und Leichtbau 14 von 28
Stofflicher Leichtbau Versagensorientierte Bauteilauslegung
Grundstzliche Idee: Eine auf Basis realittsnaher Belastungsprofile und Versagenskriterien sowie unter Bercksichtigung lokaler Bauteilbelastungen und eigenschaften durchgefhrte Dimensionierung von Bauteilen fhrt gegenber der pauschalisierten Bemessung zu geringerem MaterialbedarfEntsprechende aktuelle Entwicklungen sind: Betriebssichere Auslegung von Fahrwerkssicherheitsbauteilen
aus AFP-Stahl Einfluss von Faserverlauf und Gefge auf die Schwingfestigkeit
von AFP-Sthlen Untersuchung der Versagenskriterien von Schmiedeteilen in Stahl
und Aluminium
B1 Energieeffizienz durch Bauteilauslegung
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Versagensorientierte Bauteilauslegung Einfluss von Faserverlauf und Gefge auf die Schwingfestigkeit
von AFP-Sthlen
B1 Stofflicher Leichtbau
30 mm
Stauchprobe
Rohling
Quelle: Hirschvogel
Massivumformung fr Energieeffizienz und Leichtbau 16 von 28
Quelle: Bhler, Breitenfeld, EWS, IFW
Stahlschmelze
Strangguss
Warmwalzen
Rundmaterial
In der Schmelze ist Schwefel in Eisen lslich. Whrend der Erstarrung scheidet sich Schwefel aus und verbindet sich mit Mangan zu MnS.
Einflu des FaserverlaufsStahlerzeugung
MnS-Faser
Werkstoff: 38MnSiVS5 Quelle: Hirschvogel
B1 Energieeffizienz durch Bauteilauslegung
Walzrichtung
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Einfluss Faserlage auf Zugfestigkeit und DehngrenzeZugfestigkeit Rm und Dehngrenze Rp0,2steigen mit abnehmendem Schwefelgehalt.
Die Faserorientierung spielt keine signifikante Rolle.
Rp0,2Rm
Werkstoff: 38MnSiVS5
Bruchdehnung A und Brucheinschnrung Z sind abhngig von der Faserorientierung zur Belastungsrichtung (lngs/quer).
Auer bei der Brucheinschnrung Z in Querrichtung hat der Schwefelgehalt keinen signifikanten Einfluss.
SHL = S hoch, lngs SHQ = S hoch, querSNL = S niedrig, lngs SNQ = S niedrig,quer
ZA5m
Quelle: Einfluss von Faserverlauf und Gefge auf die Schwingfestigkeit von AFP Sthlen, AVIF Projekt A245
Massivumformung fr Energieeffizienz und Leichtbau 18 von 28
Einfluss Faserlage auf Dauerfestigkeit
Probenabmae: l = 80mm, d = 12mm
Werkstoff: 38MnSiVS5
Lngs
orientiert
Quer
orientiert
Die Dauerfestigkeit ist abhngig von der Faserorientierung zur Belastungsrichtung (lngs/quer).Lngs orientierte Proben weisen eine hhere Dauerfestigkeit auf als quer orientierte. Ein hoher S-Gehalt senkt zustzlich die Dauerfestigkeit.
Quelle: Einfluss von Faserverlauf und Gefge auf die Schwingfestigkeit von AFP Sthlen, AVIF Projekt A245
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Massivumformung fr Energieeffizienz und Leichtbau 19 von 28
B2 Reduzierung des Materialeinsatzes
kleine Stckzahl
geringe Anpassungan Fertigform
mittlere Stckzahl
mige Anpassungan Fertigform
groe Stckzahl
gute Anpassungan Fertigform
Fertigteil
Schmiedeteil
Bearbeitung
Fertigung
Werkstoff
Werkzeug
Kosten
Bearbeitung
Fertigung
Werkstoff
Werkzeug
Bearbeitung
Fertigung
Werkstoff
Werkzeug
Fertigteil
Schmiedeteil
Fertigteil
Schmiedeteil
Quelle: Industrieverband Massivumformung
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Near-Net-Shapeund Net-Shape-Bauteile
B2 Reduzierung des Materialeinsatzes
Quelle: Hirschvogel
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Massivumformung fr Energieeffizienz und Leichtbau 21 von 28
Stromerzeugung
Erwrmen
UmformenWrmebehandlung
Energiebilanz fr Massivumformteile
Stahlwerk
Stranggieen
Walzwerk
Primrenergiebedarf= 20,9 GJ/to (68%)
Primrenergiebedarf= 9,8 GJ/to (32%)
= 100%
B2 Energieeffizienz bei der Bauteilfertigung
Quelle: Projektskizze: 3389 Erhhung der Energieeffizienz in der Massivumformung (ENERMA)
Massivumformung fr Energieeffizienz und Leichtbau 22 von 28
B2 Energieeffizienz bei der Bauteilfertigung
Energieeinsatz ist abhngig von Stahlerzeugung
(Rohstahl / Elektrostahl) Umformverfahren
4 Kg
PKW-Getriebewelle
Quelle: Hirschvogel
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Massivumformung fr Energieeffizienz und Leichtbau 23 von 28
B2 Nutzung Wrme
Die entlang des Umformprozesses entstehende Abwrme wird heute berwiegend nur zu Heizzwecken genutzt.Das BMBF gefrderte Projekt ENERMASS hat zum Ziel, die Nutzung der eingesetzte Prozessenergie zu verbessern: Einsatzmaterial einsparen Wrme im Bauteil zur
Wrmebehandlung nutzen Wrmen effektiver ermglichen Wrme auf hohem Temperaturniveau
sammeln um sie besser nutzen zu knnen
Quelle: Erhhung der Energieeffizienz in der Massivumformung (ENERMASS) BMBF 02PO2000
Massivumformung fr Energieeffizienz und Leichtbau 24 von 28
Integrierte Wrmebehandlung, Hrtung ...
B2 Effiziente Einbringung und Nutzung der Wrme
Schematische Darstellung der Wrmebehandlungsverfahren bei Gesenkschmiedeteilen aus Stahl
*Austenitisieren und Abschrecken
Vergten(V)
Aus der Schmiedewrme kontrolliert abkhlen,
isothermisch umwandeln (BG oder BF)
Aus der Schmiedewrme kontrolliert abkhlen,
kontinuierlicher Verlauf (P)
Quelle: Industrieverband Massivumformung
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Massivumformung fr Energieeffizienz und Leichtbau 25 von 28
Integrierte Wrmebehandlung, Hrtung ... Forschung:
Integration der Wrmebehandlung, einer verfestigenden Lauwarmumformung und der Heizerspanung in eine sensorkontrollierte Abkhlung aus der Schmiedehitze.
RT
Zeit
Tem
pe
ratu
r
Hei-
Umformung
FP-Glhen
Kalt-Umformung
Kalt-Zerspanung
(Einsatz)-Hrten
Sensorgeregelte
Abkhlung
Lauwarm-Umformung
Hei-ZerspanungA3
A1
Quelle: Erhhung der Energieeffizienz in der Massivumformung (ENERMASS) BMBF 02PO2000
B2 Effiziente Einbringung und Nutzung der Wrme
Massivumformung fr 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 fr 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 knnen
Quelle: Hirschvogel
Massivumformung fr Energieeffizienz und Leichtbau 28 von 28
Energieeffizienz und Leichtbauin der Massivumformung
Vielen Dank fr Ihr Interesse