Superplastische Umformung 101: Ein ausführlicher Leitfaden für Anfänger und Experten

Durch die superplastische Umformung ist es möglich, Teile mit einzigartigen Formen herzustellen, die im Gegensatz zum Formen leicht und sehr stabil sind.

Dieser komplexe Ansatz wird in verschiedenen Bereichen umgesetzt, darunter Luft- und Raumfahrt und Automobilindustrie, medizinische Geräte und Unterhaltungselektronik.

Was ist superplastische Umformung?

Superplastisches Umformen ist ein Herstellungsverfahren, bei dem ein heißes Metallblech gestreckt und mittels Gasdruck in komplizierte Designs geformt wird.

Sie geben das Metall bei einer Temperatur in den Ofen, die das Metall in einen superplastischen, gedehnten Zustand umwandelt, ohne dass das Metall reißt. Anschließend nutzen Sie den Gasdruck, um den Formvorgang in einer Matrize seriell durchzuführen.

Superplastische Umformtechnik

Dies erreichen Sie entweder, indem Sie die Grundstruktur in eine komplexe und detaillierte Form bringen oder indem Sie die Grundstruktur verbessern. In der Luft- und Raumfahrt- und Automobilindustrie ist es üblich, das Gewicht des Teils niedrig zu halten und gleichzeitig die Festigkeit und Leistungsfähigkeit zu erhöhen.

Vorteile der superplastischen Umformung.

Kosteneinsparungen durch Einzelteilbildung

Es ermöglicht Ihnen nicht nur, mehrere Komponenten zu einem Teil zu kombinieren, sondern auch zwei wertvolle Ressourcen eines Unternehmens zu schonen.

Dies ist auf die Tatsache zurückzuführen, dass die in einem einzigen Arbeitsgang hergestellten Formen komplex sind, was dazu führt, dass weniger Teile für den Zusammenbau benötigt werden. Weniger Montageschritte und damit verbundene Arbeitskosten, was letztendlich zu enormen Kosteneinsparungen in der Produktion führt.

Bessere Produktionsfähigkeit

Diese Technologie ermöglicht es Ihnen, gleich große oder größere, stärkere und leichtere Teile herzustellen, die mit herkömmlichen Methoden nicht herzustellen sind.

Diese Komponenten sind ideal für die Luft- und Raumfahrt, die Automobilindustrie und viele andere Branchen konzipiert, in denen das Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht eine entscheidende Rolle spielt.

Weniger Rückfederung

Superplastische Verformung hat eine geringe Rückfederung, die dafür sorgt, dass die Teile nach der Verformung ihre Form im endgültigen Profil perfekt beibehalten.

Die Fähigkeit dieser Funktion, enge Toleranzen und eine hohe Maßgenauigkeit zu erzeugen, macht Anpassungen oder Nacharbeiten nach dem Formen überflüssig.

Anforderung an ein einziges Werkzeug.

Während die superplastische Umformung nur eine Form erfordert, folgt sie einem einfacheren Verfahren mit den Werkzeugen und reduziert die Werkzeugkosten. Im Gegensatz zu herkömmlichen Formgebungsverfahren, die für komplizierte Formen möglicherweise mehrere Werkzeuge erfordern.

Durch die superplastische Verbundformung können mit einem einzigen Werkzeug komplexe Formen erzeugt werden, was die Produktion vereinfacht und die Gesamtkosten minimiert.

Komplexe Formen

Mit der superplastischen Umformung können Sie mit herkömmlichen Methoden komplizierte, schwierige oder unmögliche Formen herstellen. Mit dieser Technik können Sie Stücke mit feinen Kurven, Winkeln und Details herstellen, die normalerweise den Anforderungen moderner Designs entsprechen.

Reduzierte Sekundäroperationen

Durch den Wegfall komplizierter Bearbeitungs- oder Fügevorgänge verkürzt die superplastische Formgebung von acb die Produktionsnormen und -zeiten und spart gleichzeitig Kosten. Diese einzigartige Eigenschaft ermöglicht die Herstellung gebrauchsfertiger Formteile und verhindert so unnötige Schritte und Materialverluste.

Verbesserte Materialeigenschaften

Durch die superplastische Formung können Sie die strukturelle Integrität und Festigkeit des Materials beibehalten, während es in eine bestimmte Form gebracht wird.

Dies führt zu Teilen mit verbesserten mechanischen Eigenschaften, wie einem verbesserten Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht und längeren Haltbarkeitsgrenzen, was zu einer Gesamtleistung und Langlebigkeit des Produkts führt.

Verformungseigenschaften in der Superplastizität.

· Hohe Duktilität

Bei der Verformung in Superplastizität weisen metallische Werkstoffe eine ungewöhnlich hohe Duktilität auf, die es ihnen ermöglicht, große Verformungen zu überstehen, ohne zu brechen.

Mit dieser Funktion können Sie komplizierte Formen erstellen und das Material ohne strukturelle Fehler in dreidimensionale Formen strecken.

· Homogene Verformung

Superplastizität ermöglicht eine homogene Verformung aller Materialkomponenten und garantiert so eine gleichmäßige Form und Dicke. Aus diesem Grund werden Fehler minimiert, Endprodukte erhalten, die sich homogen verformen, und es besteht eine Sicherung der mechanischen Eigenschaften von vorhersehbarer Qualität.

· Geringe Dehnungsgeschwindigkeitsempfindlichkeit

Im superplastischen Zustand zeigen Metalle eine geringe Dehnungsgeschwindigkeitsempfindlichkeit, was bedeutet, dass sie ihre Duktilität innerhalb eines breiten Bereichs von Dehnungsgeschwindigkeitswerten beibehalten können.

Solche Eigenschaften ermöglichen einen fein abgestimmten Umformverlauf, der zur Herstellung exakter Teile mit gleicher Qualität und Präzision führt.

· Korngrenzenverschiebung

Das Hauptprinzip der Superplastizität ist das Korngrenzengleiten, das entweder in einzelnen Phasen oder auch in unter Spannung stehenden Korngrenzen beobachtet wird. Diese Funktion ermöglicht es, das Material bei niedriger Temperatur und hoher Umformgeschwindigkeit zu pressen und so während des superplastischen Umformprozesses problemlos in die Form zu fließen.

· Flusslokalisierung

Die lokalisierte Verformung oder Strömungskonzentration kann in den superplastischen Materialien in der Nähe der geometrischen Merkmale oder Spannungsschwerpunktbereiche auftreten. Die Regulierung der Kapillarität durch Lokalisierung ist von erheblicher Bedeutung, da sie einer gleichmäßigen Verformung abträglich sein und letztendlich zu einem vorzeitigen Versagen führen kann.

Superplastischer Umformprozess

Erhitzen des Materials

Zunächst erhitzen Sie das Metallblech auf seine superplastische Temperatur, die je nach Materialzusammensetzung normalerweise in einem bestimmten Bereich liegt.

Diese Temperatur ist entscheidend für den Beginn eines superplastischen Zustands, der es dem Material ermöglicht, sich länger zu verformen, ohne zu reißen. Die Erwärmung kann entweder durch Ofenerwärmung oder lokale Induktionserwärmung erreicht werden, wodurch eine gleichmäßige Temperaturverteilung im gesamten Blech gewährleistet wird.

Vorbereiten des Formwerkzeugs

Platzieren Sie den Formstempel in der gewünschten Form des endgültigen Bauteils. Die Matrizenbacke muss präzise bearbeitet sein, um eine feine Konturierung des Teils und einen guten Materialfluss zu ermöglichen, die für den Umformprozess erforderlich sind. Die Matrize kann mit speziellen Oberflächenbehandlungen oder Beschichtungen behandelt werden, um die Reibung zu verringern und eine reibungslose Freigabe des Teils nach Abschluss des Vorgangs zu gewährleisten.

Platzieren des beheizten Blechs

Positionieren Sie das heiße Metallblech präzise im Formwerkzeug, indem Sie auf Ausrichtung und Ausrichtung achten, um die Zielform zu erhalten. Das Blech sollte sicher eingespannt oder festgehalten werden, um sicherzustellen, dass es während des Umformvorgangs nicht zu Verschiebungen kommt und somit die Genauigkeit aller Abmessungen erhalten bleibt.

Anlegen von Gasdruck

Sie füllen die Formkammer mit Argon- oder Stickstoffgas und üben Druck auf das erhitzte Metallblech aus. Da auf das Blech Gasdruck ausgeübt wird, verformt sich das Blech und fließt in die Konturen des Formwerkzeugs.

Regulieren Sie den Druck und die Gasverteilung mit dem Ziel, eine gleichmäßige Verformung zu erreichen und die Produktintegrität aufrechtzuerhalten.

Das Bauteil formen

Ein entsprechend hoher Gasdruck bewirkt, dass sich das Material selbst verändert; Das superplastische Material dehnt sich und passt sich der Form der Prüfmatrize an.

Überwachen Sie den Prozess sorgfältig, damit das Material weiterhin gleichmäßig fließt und Fehlstellen wie Faltenbildung oder Ausdünnung vermieden werden. Ändern Sie die Verarbeitungsbedingungen und verbessern Sie gleichzeitig die Umformbedingungen, um die gewünschten Teileabmessungen und Oberflächenspezifikationen herzustellen.

Abkühlen und Entfernen der Komponente

Sobald der Umformprozess abgeschlossen ist, senken Sie die Temperatur des geformten Teils schrittweise, um seine Form und mechanischen Eigenschaften stabil zu halten.

Die Kühlung kann je nach Material und Teilespezifikationen durch manuelle Abkühlgeschwindigkeit oder Abschrecken erreicht werden. Nach dem Abkühlvorgang das Formteil langsam aus der Form nehmen, dabei besonders darauf achten, Strukturfehler oder Verformungen zu vermeiden.

Bei Bedarf können Nachbearbeitungsvorgänge wie Beschneiden, Endbearbeiten oder Zusammenbauen durchgeführt werden, um das Bauteil für seinen Endgebrauch vorzubereiten.

Superplastischer Umformprozess

Faktoren, die den superplastischen Umformprozess beeinflussen.

· Temperatur

Für eine erfolgreiche Verformung sollten Sie sicherstellen, dass die Temperatur des Materials innerhalb seines superplastischen Bereichs liegt. Bei höheren Temperaturen erhöht sich die Duktilität, wodurch der Fließdruck abnimmt und das Material duktiler wird.

Die Temperatur wird sehr genau gesteuert, um zu verhindern, dass die Puppe zu groß wird und sich die Materialqualität des Teils verschlechtert.

· Dehnungsrate

Ändern Sie die Geschwindigkeit, mit der das Material gedehnt wird. Niedrigere Dehnungsraten führen meist zu Dehnungsverfeinerungsphänomenen, die das plastische Verhalten begünstigen, und daher ist das Material in der Lage, sich bis zu seiner Grenze zu dehnen. Dennoch können niedrige Dehnungsgeschwindigkeiten den Umformzyklus verlängern, wenn sie in großem Umfang angewendet werden.

Passen Sie die Dehnungsrate anhand der Materialeigenschaften und nicht anhand der Dehnungsrate selbst an und erzwingen Sie die erforderliche Verformung aufgrund seiner Eigenschaften.

· Korngröße

Beachten Sie die Korngröße des Materials, da feinere Körner im Allgemeinen mit hervorragenden superplastischen Eigenschaften verbunden sind.

Durch die Verfeinerung der Körner entsteht eine Zone des Korngrenzengleitens, die durch eine gleichmäßige Verformung und eine gleichmäßige Spannungsverteilung die Superplastizität erleichtert.

· Material Zusammensetzung

Wählen Sie Materialien mit geeigneten Komponenten für die superplastische Umformung, in der Regel Legierungen mit hoher Duktilität und einer fein verteilten Mikrostruktur.

Auch das Legieren beeinflusst diese Eigenschaften durch die Anwendung chemischer Modifikationen, wie z. B. die Korngröße, die Phasenstabilität und den Verformungsmechanismus. Wählen Sie einige Rohstoffe, die eine gute Superplastizität aufweisen und sich gut formen lassen.

· Druck- und Gaskontrolle

Passen Sie den Gasfluss und die Größe des Verschlusstors (Kammer) an, um einen reibungslosen Fluss des Materials zu gewährleisten und sicherzustellen, dass es sich in die exakte Form verformt. Wenn Sie zunächst unterschiedlich viel Druck ausüben, wird gewährleistet, dass keine Falten entstehen oder der Wafer dünner wird. Halten Sie die Durchflussraten und Drücke des Umformprozesses auf die bestmögliche Qualität abgestimmt und stellen Sie das Teil mit einem höheren Qualitätsniveau her.

· Werkzeug- und Formenbau

Erhalten Sie maßgeschneiderte Reinigungs- und Formvorrichtungen sowie Formwerkzeuge, die gemäß den superplastischen Formgebungsspezifikationen entwickelt wurden.

Definieren Sie die Schritte des Werkzeugs von der Konfiguration (Formung) bis zur Endbearbeitung und Temperaturkontrolle; und vereinfachen die Bewegung von Materialien (sanfteres Anpassen) für höhere Schallfrequenzen. Analysieren Sie Schrägenwinkel, Radien und Trennfugen sorgfältig, um das Lösen geformter Teile zu erleichtern und durch das Werkzeug verursachte Defekte zu vermeiden.

Verschiedene Techniken der superplastischen Umformung.

Einzelblatt-Blasformen

Einzelblatt Blasformen Verwenden Sie eine superplastische Folie, die erhitzt werden muss, bevor sie mit dem Gasdruck in einem einzigen Formhohlraum geformt wird. Die verwendete Methode eignet sich am besten für die Herstellung von Teilen mit einfacher Form und wird häufig für Prototypen oder die Produktion kleiner Stückzahlen verwendet.

Blasformen von Blechen

Hochgeschwindigkeitsblasformen

Durch die Beeinflussung des schnellen Gasdrucks ermöglichen flexible Kunststoffe dem Benutzer, das Produkt entsprechend seinem Willen und mit beträchtlich hoher Geschwindigkeit schnell umzuformen. Daher gehen wir davon aus, dass auch die Produktivität und die Zykluszeit steigen werden.

Hochgeschwindigkeitsblasformen

Am Beispiel des Industrieroboters sind Geschwindigkeit, Durchsatz und Effizienz die wichtigsten Faktoren.

Hohlraumbildung

Schaffen Sie Hohlräume oder Hohlräume, indem Sie zusätzliche Funktionen wie den Schaftfräser an der Basis der Matrize aktivieren. Während dieses Prozesses wird das superplastische Material gedehnt und um die anderen Teile herum zu komplexen Teilen mit inneren Strömungen geformt.

Es wird häufig bei der Herstellung leichter Strukturelemente zur Herstellung von Hohlraumsystemen eingesetzt, insbesondere in der Luft- und Automobilbranche.

Hohlraumbildung

Mehrblattformung

Tragen Sie superplastische Materialien auf, die miteinander gekoppelt und gleichzeitig hergestellt werden, um Strukturen mit unterschiedlichen Dicken oder Materialstärken zu erzeugen.

Dabei handelt es sich um die Möglichkeit, unterschiedliche Materialien einzubringen oder Verstärkungsschichten hinzuzufügen, wodurch Komponenten mit verbesserter Leistung und Funktionalität möglich werden.

Mehrstufige inkrementelle Blechumformung

Schnelle plastische Umformung

Durch die Reduzierung der Wärmeaufnahme und der für die Verarbeitung aufgewendeten Zeit würde die Menge an verbrauchter Energie geringer ausfallen.

Die Superplastizität mit schnellen Erwärmungsmethoden wie Induktionserwärmung oder Mikrowellenerwärmung sind die Technologien für schnelles Kunststoffformen mit hohen Produktionsraten bei gleichzeitiger Beibehaltung guter Teileeigenschaften. Sie scheinen am effektivsten für Bereiche zu sein, in denen schnelle wirtschaftliche Geschwindigkeiten und eine große Produktion von entscheidender Bedeutung sind.

Schnelle plastische Umformung

Arten superplastischer Materialien.

• Aluminiumlegierungen (AA5083 und AA7475).
• Titanlegierung Ti-AI-4V.
• Magnesiumlegierung AZ31 (bei 425).
• Superlegierungen auf Nickelbasis.

Einschränkungen der superplastischen Umformung

Materialbeschränkungen

Bevor Sie mit der Einschnürung bei der superplastischen Umformung beginnen, müssen Sie bei der Materialauswahl darauf achten, dass einige Materialien für die superplastische Umformung nicht geeignet sind. Manche Materialien verfügen nicht über die erforderliche Flexibilität oder Körnigkeit, die für die Verformung wichtig ist. Wählen Sie die Materialien basierend auf dem Umformungsprozess sowie den für das Bauteil erforderlichen Eigenschaften aus.

Ausrüstung und Einrichtungen

Es ist wichtig zu beachten, dass dieser Prozess Funktionen wie spezielle Ausrüstung und Werkzeuge erfordert, die sowohl bei der Anschaffung als auch bei der Wartung mit hohen Kosten verbunden sind.

Analysieren Sie die Investitionen, die die Hauptmaschinen wie Öfen, Umformpressen und Matrizen abdecken. Mit hohem Risiko für Werkzeugwartung und -austausch sowie anderen laufenden Kosten.

Fehlen ihrer realen Simulation

Stellen Sie sicher, dass SPF für das Gießen einfacher bis mittelkomplexer 3D-Formen und nicht für symmetrische exakte Teile geeignet ist.

So große oder kleine Teile und ihre komplexen Formen können zu einer Herausforderung für den gleichmäßigen Materialfluss und die Werkzeugkonstruktion werden. Überprüfen Sie die Geometrie und Formbarkeit, die mit den Parametern der Ausrüstung sowie den Eigenschaften der Materialien übereinstimmen müssen.

Herausforderungen bei der Prozesssteuerung.

Stellen Sie sicher, dass Sie den Herausforderungen der Prozesssteuerung gewachsen sind, die bei der superplastischen Umformung ständig auftreten können, einschließlich Temperaturgleichmäßigkeit, Gasdruckverteilung und Verformungskonsistenz.

Nahezu optimale Umformbedingungen erfordern eine präzise Anpassung von Parametern wie Heizraten, Umformraten und Abkühlraten, die meist Störungen unterliegen und so die Konsistenz des Umformprozesses beeinträchtigen.

Materielles Kornwachstum

Stellen Sie daher in diesem Zusammenhang sicher, dass bei der Bildung bei hohen Temperaturen keine Gefahr des Kornwachstums auftritt, was zu einer Verschlechterung der Eigenschaften führen würde.

Mayer-Korn-Ultradistanzen können die Superplastizität beeinträchtigen und so zu Defekten wie Rissen und Rissen führen. Verlangsamen Sie das Kornwachstum durch Regelungen wie Temperaturbereich oder Verfeinerung des Materials, wodurch die Kornstruktur des Materials deutlich verbessert wird.

Praktische Anwendungen

• Luft- und Raumfahrtkomponenten.
• Karosserieteile für Kraftfahrzeuge.
• Herstellung medizinischer Geräte.
• Gehäuse für Unterhaltungselektronik.
• Ausrüstung für erneuerbare Energien.
• Verteidigungs- und Militäranwendungen

Abschluss

Superplastisches Formen ist eine Technik, die den Herstellungsprozess verändert und es Unternehmen ermöglicht, anspruchsvolle Designs zu erstellen. Wenn Sie nach Zulieferern suchen, die in die Produktion von Teilen investieren, beispielsweise in der Automobilindustrie, wird diese Technik Ihre Arbeit effizienter machen.

Mehr Ressourcen::

Arten von CNC-Maschinen – Quelle: TSINFA

Plastische Umformung – Quelle: SCIENCE DIRECT