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Umformen zwischen fest und flüssig

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ThixoschmiedenUmformen zwischen fest und flüssig

Das Umformen von teilflüssigen Metallen vereint Vorteile von Gießen und Schmieden. An den Erwärmungsvorgang der Rohteile sind, zur Erreichung des teilflüssigen Zustandes, hohe Anforderungen geknüpft. Diese erfordern, insbesondere bei bestimmten Legierungen, eine messtechnische Überwachung des Verhältnisses zwischen noch festem und bereits flüssigem Material im Rohteil. Wie weit ein erwärmtes Rohteil bereits verflüssigt ist lässt sich bei der induktiven Erwärmung durch die Analyse des Induktionsspulenstroms berührungslos erfassen. Weitere Herausforderungen birgt der Skin-Effekt, der bei der induktiven Erwärmung dazu führt, dass ein Rohteil ungleichmäßig erhitzt wird. Dieser Effekt kann jedoch zur gezielten Anpassung des Messbereichs genutzt werden.

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Erwärmung einer Titanlegierung

In der ur- bzw. umformenden Metallverarbeitung sind die primären Verarbeitungsformen das Schmieden und das Gießen. Während beim Gießen auch sehr komplexe Geometrien hergestellt werden können, zeichnen sich geschmiedete Werkstücke typischerweise durch eine hohe Festigkeit aus.

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Das relativ neue Verfahren der Umformung von Materialien im teilflüssigen Bereich, das sogenannte Thixoschmieden, vereint die Vorteile von Gießen und Schmieden. Hierzu müssen die Rohteile zunächst erwärmt werden, bis ein Gemisch aus fester und flüssiger Materialkomponente vorliegt, um sie direkt im Anschluss in einer Presse umzuformen. Damit prozesssicher und reproduzierbar Werkstücke hergestellt werden können, ist es erforderlich, dass ein definiertes Fest-Flüssig-Verhältnis im Rohteil erreicht wird.

Die dafür nötige Erwärmung erfolgt meistens induktiv, vergleichbar mit dem Prinzip eines Induktionsherds aus dem Haushaltsbereich. Die induktive Erwärmung lässt aufgrund der induzierten Wirbelströme die Wärme direkt im inneren des Rohteils entstehen und kann sehr präzise gesteuert werden.

Um das gewünschte Fest-Flüssig-Verhältnis einstellen zu können, ist es jedoch notwendig, dieses während der Erwärmung messen zu können. Da die korrekte messtechnische Erfassung während des Aufheizvorgangs schwierig ist, hat das Thixoschmieden trotz seiner Vorteile bisher nur eine geringe Verbreitung in der Umformtechnik erfahren. Insbesondere ist es auf Legierungen beschränkt, bei denen Toleranzen im Erwärmungsprozess nur zu einer geringen Änderung des Fest-Flüssig-Verhältnisses führen.

Ansätze zur Erwärmungsregelung

Im industriellen Einsatz wird häufig die zugeführte Energie gemessen und die Erwärmung beendet, wenn die zum Erreichen des gewünschten Fest-Flüssig-Verhältnisses typischerweise benötigte Energiemenge erreicht wurde. Diese wird vorab durch Versuche ermittelt. Das Verfahren ist einfach, setzt aber voraus, dass die notwendige Energiemenge für jedes Rohteil gleich ist, was in der Praxis schlicht nicht der Fall ist. So können geänderte Umgebungsbedingungen, Toleranzen in der Materialzusammensetzung oder der Geometrie des Rohteils die benötigte Energiemenge verändern.

Umgeformt durch Thixoschmieden

Das Verfahren kann somit nur bei Prozessen eingesetzt werden, wo entsprechend große Schwankungen des Fest-Flüssig-Verhältnis toleriert werden können. Für viele Anwendungsfälle und Materialien gibt es, abgesehen von Verfahren welche bisher nur im Labor funktionieren, kein Verfahren, um eine prozesssichere Erwärmung zu gewährleisten.

Das Institut für Steuerungstechnik der Werkzeugmaschinen und Fertigungseinrichtungen der Universität Stuttgart (ISW) hat eine Methode entwickelt, um das Fest-Flüssig-Verhältnis in induktiven Erwärmungsprozessen zu bestimmen. Hierzu wird der Strom in der zur Erwärmung verwendeten Induktionsspule gemessen und aus dessen zeitlichem Verlauf eine elektrische Zeitkonstante bestimmt. Diese steht in physikalischem Zusammenhang mit dem Fest-Flüssig-Verhältnis.

Für das Verfahren ist neben der Strommessung keine weitere Messtechnik erforderlich, weswegen es sich einfach und robust in bestehende Anlagen integrieren lässt. Es ist jedoch durch die Anforderungen an den Stromverlauf bislang auf Erwärmungsanlagen ohne Schwingkreis beschränkt, die aktuell noch einen geringen Anteil an den industriell eingesetzten Erwärmungsanlagen besitzen. Durch Fortschritte in der Halbleitertechnik wird der Einsatz solcher Anlagen jedoch zunehmend attraktiver.

Das Problem der Homogenität

Am ISW wird mit dem neuartigen Messverfahren zudem ein Ansatz verfolgt, um einen weiteren Nachteil konventioneller Verfahren auszugleichen: Während der induktiven Erwärmung ist der elektrische Strom im Rohteil ungleich verteilt. Dicht unter der Rohteiloberfläche ist der Stromfluss am größten während er in Richtung Rohteilmitte exponentiell abfällt. Dieser sogenannte Skin-Effekt sorgt dafür, dass das Rohteil ungleichmäßig erwärmt wird und im Extremfall Randbereiche bereits schmelzen und abtropfen, während das Rohteilinnere noch vollkommen fest ist.

Um ein vollständiges Aufschmelzen der Randbereiche zu verhindern, wird häufig nur mit geringer Leistung erwärmt. Zusätzlich werden feste, empirisch ermittelte Wartezeiten für die Wärmediffusion ins Rohteilinnere vorgesehen, um einen für das Thixoschmieden erforderlichen gleichmäßig verteilten Anteil an flüssiger Materialkomponente im gesamten Rohteil zu erhalten. Dies führt zu längeren Prozesszeiten als im Optimalfall nötig wäre und birgt aufgrund der langen Wartezeiten bei hohen Temperaturen die Gefahr einer ungewollten Kornvergröberung mit einhergehenden schlechteren Materialeigenschaften gefertigter Teile. Für einen optimierten Prozess ist somit die Kenntnis ob und wann eine gleichmäßige Verteilung im Rohteil vorliegt von großer Bedeutung.

Mit dem Verfahren des ISW kann der Nachteil der ungleichmäßigen Stromverteilung nun als Vorteil für das Messsystem genutzt werden: Nur dort wo Ströme fließen werden auch elektrische Größen wie die Zeitkonstante gemessen. Dies ermöglicht es, den effektiven Messbereich über den Skin-Effekt zu bestimmen. Da der Skin-Effekt wiederum von der Frequenz des Wechselstroms abhängt, mit welcher die Induktionsspule versorgt wird, kann über eine Frequenzänderung der Messbereich angepasst werden. Somit kann zwischen zwei kurz hintereinander erfolgten Messungen mit unterschiedlicher Frequenz festgestellt werden, ob verschiedene Fest-Flüssig-Verhältnisse vorliegen. Liefern beide Messungen hingegen den gleichen Fest-Flüssig-Anteil, ist das Rohteil gleichmäßig durchwärmt und es kann direkt umgeformt werden.

Die Frequenz des Induktionsspulenstroms kann, vor allem bei Anlagen ohne Schwingkreis, in weiten Grenzen variiert werden. Dies lässt sich neben der Variation des Messbereichs auch zur gezielten Beeinflussung der Erwärmung durch die Änderung der Stromverteilung im Rohteil nutzen. Es ergibt sich aus der Verwendung einer Erwärmungsanlage ohne Schwingkreis also der doppelte Vorteil einer Erfassung des Fest-Flüssig-Verhältnisses im Rohteil und einer besseren Möglichkeit die Erwärmung zu steuern.

Mittels der am ISW entwickelten Messung der elektrischen Zeitkonstante für die induktive Erwärmung von metallischen Rohteilen ist ein robuster und reproduzierbarer Erwärmungsvorgang mit daran anschließender Umformung im teilflüssigen Bereich möglich. Die Ausnutzung des frequenzabhängigen Skin-Effekts bietet zudem das Potential in unterschiedlichen Bereichen des Rohteils messen zu können und wird derzeit genauer untersucht.

Bislang sind in verschiedenen Projekten das Thixoschmieden von Werkstücken aus Aluminium-Silizium-Legierungen und Aluminium-Kupfer-Legierungen erfolgreich auf die Anwendung der vom ISW entwickelten Methode untersucht worden. Die Erwärmung verschiedener Stahllegierungen wurde ebenfalls betrachtet. Dabei zeigte sich ein hohes Potential, welches in Zukunft weiter untersucht wird. Damit erschließen sich durch die größere Anzahl verwendbarer und in der Industrie üblicher Werkstoffe neue Anwendungsgebiete für das Thixoschmieden. Johann Uphoff, Oliver Gerlach, Alexander Verl/cs

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