Heißmetallgasumformung - Hot metal gas forming
Heißes Metall Formiergas ( HMGF ) ist ein Verfahren der Matrize bildet , in der ein Metallrohr mit einem biegsamen Zustand erhitzt wird, in der Nähe , aber unterhalb dessen Schmelzpunkt , dann unter Druck gesetzt intern von einem Gas , um das Rohr zu bilden , nach außen in die Form definiert durch einen umschließenden Matrizenhohlraum. Die hohen Temperaturen ermöglichen es dem Metall, sich ohne Bruch in viel größerem Maße zu dehnen oder zu dehnen, als dies bei zuvor verwendeten Kalt- und Warmumformverfahren möglich ist. Darüber hinaus kann das Metall zu feineren Details geformt werden und erfordert insgesamt weniger Formkraft als herkömmliche Verfahren.
Geschichte und Vergleich mit früheren Techniken
HMGF ist eine Weiterentwicklung in der Kosteneffizienz und Anwendbarkeit von mehreren bestehenden kommerziellen Prozesse: superplastisches Formen , Warm Blasformen und Hydroforming .
Komplexe Rohre können aus mehreren Blechkomponenten hergestellt werden, die geformt und zusammengeschweißt werden. Dies verursacht jedoch unnötige Kosten und führt zu Qualitätsproblemen an den Verbindungen. Beim Hydroformen wird unter extremen Drücken Flüssigkeit verwendet, um Metallrohre zu bilden. Es wurde für die Sanitärindustrie entwickelt und erreichte 1990 Produktionseffizienzen, die für großvolumige Autos geeignet waren. Typischerweise wird das Hydroformen bei Umgebungstemperaturen durchgeführt und begrenzt die Formungsdehnung von Metallen auf eine Zunahme des Durchmessers von 8–12% für Aluminium und 25–40% für Stahl . Dies begrenzt die Komplexität der Teileform, die erzeugt werden kann. Darüber hinaus können die Arbeitszentren und Werkzeuge aufgrund der zur Bildung von Umgebungsrohren erforderlichen inneren Flüssigkeitsdrücke groß und teuer sein. HMGF ist in der Lage, Rohre mit größerer Formkomplexität in nur einem Formungsschritt und im Allgemeinen bei einem niedrigeren Innendruck als beim herkömmlichen Hydroformen von Rohren zu bilden.
Die Blasformung begann vor langer Zeit mit Glas und ist heute eine weit verbreitete Methode, um Kunststoff zu hohlen Strukturen zu formen. Auch hier bieten die Eigenschaften des erhitzten Materials viele Verarbeitungsvorteile. Das Warmumformen war in den letzten Jahrzehnten Gegenstand umfangreicher Forschungen. Es ist definiert als Bildung oberhalb der Umgebungstemperatur, aber unterhalb der Rekristallisationstemperatur einer Legierung und unter Verwendung von Hydroform-Prinzipien, kann an Rohren durchgeführt werden. Die Temperaturen sind typischerweise aufgrund von Sicherheitsbedenken in Bezug auf die erhitzten Umformflüssigkeiten begrenzt. Bei diesen Temperaturen können die Zykluszeiten noch relativ lang sein, und die Dehnungen nähern sich immer noch nicht der Warmumformung an.
Superplastisches Formen wird häufig in der Luft- und Raumfahrtindustrie angewendet, erfordert jedoch die Verwendung von sehr feinkörnigen Metalllegierungen, die bis zu sehr großen Dehnungswerten verformt sind, jedoch mit einer sehr geringen Dehnungsrate. HMGF ist daher möglicherweise schneller als die superplastische Bildung.
Als natürliche Entwicklung schuf der Bedarf an HMGF ab den 1990er Jahren Forschung. Schnelle Zykluszeiten, kostengünstige Werkzeuge und Maschinen, die sich aus Drücken ergeben, die um eine Größenordnung niedriger sind als beim Hydroformen, und extreme Umformverhältnisse aufgrund des Umformens bei hohen Temperaturen bilden ein überzeugendes Geschäftsmodell für die Herstellung kostengünstiger Stückzahlen mit hohem Volumen.
1999 begann die Entwicklung der HMGF-Techniken als Projekt des Advanced Technology Program (ATP), das vom US-amerikanischen National Institute of Standards and Technology (NIST) finanziert wurde. Dieses Projekt wurde 1993 abgeschlossen und Untersuchungen ergaben, dass bis zu 150% Expansionsverhältnisse für Aluminium und 50% mit Stahl möglich waren, wobei weitere Expansionsmöglichkeiten durch Endzufuhr von Material zur Minimierung der Wandverdünnung möglich waren.
Um mit der US-Forschung Schritt zu halten, wurde ein europäisches Projekt vom Forschungsfonds für Kohle und Stahl (RFCS) finanziert. Ab Juli 2004 untersuchte dieses Projekt mit einer Laufzeit von 3 Jahren den HMGF-Prozess weiter. Bis zum Jahr 2007 erwies sich das Konsortium der europäischen Forschungs- und kommerziellen Einrichtungen Konzepte einfacherer Heizung und Formenbau, und während auf dem anspruchsvolleren Stahllegierungen konzentriert, freie Verformung von 140% durch die Verwendung von Ende Fütterung Steuerwandverdünnung und Verzögerung dargestellt Bruch . Das in diesen Experimenten verwendete Verfahren ist unter dem US-Patent 7,285,761 patentiert .
Auch in Europa ergab die Parallelforschung einen innovativen Ansatz für das Konzept. Bis 2006 zeigte das HEATform-Verfahren zur Heißmetallgasumformung Hinweise auf einzigartige Metallformen, die "historisch nur im Bereich des Glasblasens und der Blasformteile möglich" waren, wobei Aluminium bei einem beabsichtigten Produktionszyklus ein Expansionsverhältnis von mehr als 270% bildete Zeit von 20 Sekunden. Unter Berufung darauf, dass das Aushärten und das anschließende Brechen die Bildung der Aluminiumlegierung unter 460 ° C (860 ° F) einschränken, wurde das beste Fließverhalten bei 550 ° C (1.022 ° F) beobachtet. Dies ist deutlich höher als die Fähigkeit zur Druckformung mit warmer Flüssigkeit oder warmem Gas. Die HEATform-Techniken zur Kontrolle der Endzufuhr erreichten eine gleichmäßige Wandstärke von bis zu 300% Dehnungswerten.
Während umfangreiche Forschungen zur Materialverträglichkeit und zu prädiktiven Analysetechniken durchgeführt werden, wurde die Heißmetallgasformung von mindestens einem Unternehmen kommerzialisiert, das eine Heißausdehnung in Verbindung mit einer Materialendzufuhr bereitstellt.
Anwendungen
Typische Anwendungen sind in der Automobil- und Luftfahrtindustrie, wo die Vorläufertechnologie des Hydroformens bekannt ist. Andere Anwendungen umfassen Sportgeräte und Möbel . Die Multimaterialfähigkeit wird in dekorativen Werkstücken und Sanitärarmaturen eingesetzt .
Materialien
Das HMGF-Verfahren ist mit nahezu jedem Metall kompatibel. Der wichtigste Vorteil von HMGF besteht darin, dass kälteformbeständige Materialien für die komplexe Formgebung geeignet sind. Oft werden Legierungen mit teuren Materialien angereichert , um das Kaltumformen zu ermöglichen und die Bearbeitbarkeit zu erhöhen. Mit HMFG kann jedoch eine kostengünstigere Legierung verwendet werden, die die Stückpreise senkt. Ein Beispiel ist die Verwendung von ferritischen rostfreien Stählen wie der 1.4512-Legierung für Abgaskomponenten. Typischerweise wird der teurere austenitische rostfreie Stahl wie die 1.4301-Legierung für Teile gewählt, die aufgrund seines 40% igen Vorteils bei der Umformbarkeit in der Umgebung eine komplexe Formgebung erfordern (38,5% gegenüber 27,4% typischem A%). In HMGF können härtbare Metalllegierungen (z. B. Borstähle) verwendet werden. In diesem Fall kann die Matrize nicht nur als Formwerkzeug, sondern auch als Temperierwerkzeug verwendet werden, so dass die endgültige Härte des geformten Rohrs nach dem Formen und Abkühlen erhöht wird. Der Prozess wird in diesem Fall oft als "Presshärten" bezeichnet.