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Experimentelle Untersuchungen zum schwingungsüberlagerten
Pressen von Aluminiumpulver
Bernd-Arno Behrens, Matthias Kammler, Edin Gastan, Fabian Lange*
Institut für Umformtechnik und Umformmaschinen (IFUM)
Leibniz Universität Hannover (LUH)
An der Universität 2
30823 Garbsen, GERMANY
*lange@ifum.uni-hannover.de
Die pulvermetallurgische Fertigung von Bauteilen bietet eine Reihe von Vorteilen, wie
etwa die sehr hohe Materialausnutzung, den geringen Energieaufwand und die
Möglichkeit der endkonturnahen Fertigung. Die bei Standardverfahren verbleibende
Restporosität im Bauteil verringert jedoch die erreichbaren Festigkeiten im Vergleich
zu massiven Bauteilen. An dieser Problemstellung setzen die im Folgenden
vorgestellten Untersuchungen an, die zum Ziel haben, die Restporosität beim Pulverpressprozess
von Aluminiumpulver durch eine Schwingungsanregung der Matrize
zuverlässig zu reduzieren.
Keywords: Pulvermetallurgie, Pulverpressen, Schwingungsüberlagerung, Finite-
Elemente-Methode (FEM)
Einleitung
In der Umformtechnik existiert eine Reihe von Ansätzen, Fertigungsprozesse mit der
Hilfe einer Schwingungsüberlagerung positiv zu beeinflussen. Frühe Ansätze sind
beispielsweise Untersuchungen auf dem Gebiet der Massivumformung von
SEWERDENKO und KLUBOVITSCH [1] oder LEHFELD [2] zur Ultraschallüberlagerung von
Stauchversuchen für Kupfer- und Aluminium- bzw. Stahlproben. Im Bereich der
Blechumformung können beispielsweise Arbeiten von SCHÖCK [3] genannt werden,
die sich mit der Schwingungsüberlagerung bei der Feinblechverarbeitung im Infra-,
Hör- und Ultraschallbereich beschäftigen. In der Pulvermetallurgie befassten sich
ROSATO, BOCH und KITAE [4, 5, 6] mit dem Vibrationspressen keramisch gebundener
Schleifkörper.
Im Rahmen der hier vorgestellten experimentellen Untersuchungen wird die
Schwingungsüberlagerung auf das Pressen von Aluminiumpulver übertragen.
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Entwicklung eines Werkzeuges zum schwingungsüberlagerten Pressen
Ein Charakteristikum von Pulverpressprozessen ist, dass die maßgeblichen
Reibkräfte in Bereichen größter Relativbewegung zwischen dem Pressgut und den
formgebenden Werkzeugen auftreten. Durch die Beeinflussung der hier auftretenden
Kräfte besteht somit die Möglichkeit, die sich einstellende Dichteverteilung des
Grünkörpers zu verändern.
Bild 1: Konstruktionsskizze des entwickelten Werkzeugsystems
Bild 2: Eingebautes Werkzeugsystem
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Das hier verfolgte Werkzeugkonzept basiert daher auf einer elastisch gelagerten
Matrize, die mittels dreier parallel angesteuerter Piezoaktoren axial zu Schwingungen
angeregt wird. Die Effekte des schwingungsüberlagerten Pressens kommen so in der
Mantelfläche des Pressgutes, also im Bereich größter Relativbewegungen unmittelbar
zum Tragen. Durch die elastische Bettung der Matrize ergibt sich als
Nebeneffekt eine wirkungsvolle Überlastsicherung für die vergleichsweise empfindlichen
Piezoaktoren.
Die Konstruktionsskizze des hierzu entwickelten Werkzeugsystems ist in Bild 1
dargestellt. Es ermöglicht die schwingungsüberlagerte Fertigung von zylindrischen
Grünkörpern mit einem Nenndurchmesser von 48 mm und einer Höhe von bis zu
30 mm.
Die experimentellen Untersuchungen wurden auf einer hydraulischen Presse des
Typs Hydrap HPDZb 63 mit einer Nennkraft von 630 kN durchgeführt. In Bild 2 ist
das verwendete Werkzeugsystem nach dem Einbau in die Presse gezeigt.
Zur Erprobung des entwickelten Werkzeugs und Bestimmung der Auswirkungen des
schwingungsüberlagerten Pressens auf die Eigenschaften der hergestellten
Grünkörper wurden zunächst Untersuchungen zum prinzipiellen
Verdichtungsverhalten unter Einfluss von überlagerten Schwingungen bei
Frequenzen von f = 0 Hz bis f = 18 kHz durchgeführt. Die mittels dieser
Pressversuche ermittelten Kraft-Weg-Verläufe, die als erstes Kriterium für das
Verdichtungsverhalten herangezogen wurden, zeigten jedoch bei hohen Frequenzen
keine signifikanten Auswirkungen. Im Rahmen dieser Untersuchung wurden deshalb
Pressversuche bei Frequenzen von f = 0 Hz (Referenzversuche) bis f = 90 Hz
durchgeführt.
Experimentelle Untersuchungen an Probekörpern aus Aluminiumpulver
Die Analyse der Auswirkungen einer Schwingungsüberlagerung erfolgte anhand von
Probekörpern aus Aluminiumpulver (Alumix 13 der Fa. ECKA), die mit dem
beschriebenen Werkzeugsystem gepresst und anschließend gesintert wurden. Die
Probekörper wurden mit zwei Maximal-Presskräften (250 und 500 kN) und drei
Überlagerungsfrequenzen (30, 60 und 90 Hz) hergestellt. Weitere Versuche ohne
Schwingungsüberlagerung dienen als Referenz. Der kraftgesteuerte Betrieb der
eingesetzten Presse wurde gewählt, um eine Überlastung der vergleichsweise
empfindlichen Piezoaktoren auszuschließen.
Bereits anhand der aufgenommenen Kraft-Weg-Verläufe lässt sich erkennen, dass
für den gleichen Verfahrweg des Pressstempels bei einer Schwingungsüberlagerung
geringere Kräfte benötigt werden. In Bild 3 sind beispielhaft Kraft-Weg-Verläufe bei
einer maximalen Presskraft von 250 kN dargestellt. Der wellenförmige Verlauf der
Kurve für 90 Hz ergibt sich technologisch bedingt, da sich bei der Verwendung von
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Piezoaktoren für höhere Frequenzen größere Kraftamplituden ergeben. Im
Gegenzug sind geringere Wegamplituden erreichbar.
Bild 3: Kraft-Weg-Verläufe bei unterschiedlichen Überlagerungsfrequenzen von f = 0,
30, 60 und 90 Hz
Der Effekt, dass geringere Kräfte benötigt werden, lässt sich anhand der
physikalischen Vorgänge bei der Formgebung des Pulvers erklären. Diese stellen
sich beim Pressen von Metallpulver wie folgt dar [7]: Zu Beginn der
Pulververdichtung kommt es zunächst zu Dreh- und Umordnungsvorgängen, was
zum Einstürzen von Brücken und zum Ausfüllen von Hohlräumen führt. Mit einer
Vergrößerung des Pressdrucks folgt eine Vergrößerung der Teilchenkontakte
aufgrund plastischer Verformung. Hierdurch glätten sich die Teilchenoberflächen,
Oxidhäute werden aufgerissen und Pulverteilchenaggregate entstehen durch
mechanisches Verhaken der Pulverpartikel untereinander. Über eine weitere
Zunahme von Kontaktfläche und Kaltverfestigung verstärkt sich die
Adhäsionswirkung. Diese führt dazu, dass Teilchen, deren Umformvermögen
erschöpft ist, zertrümmert werden. Außerdem kommt es durch hohe lokale Drücke zu
Kaltverschweißungen. Die genannten Vorgänge laufen dabei in unterschiedlich
starker Ausprägung parallel nebeneinander ab.
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Im Falle der Schwingungsüberlagerung kommt es schon vor dem Verdichtungsprozess
mittels des Pressstempels zu Umordnungsvorgängen in der Pulverschüttung.
Beim Pressprozess muss deshalb im Anschluss weniger Kraft für die
Umordnung der Pulverpartikel aufgewendet werden. Außerdem führt die
Schwingungsüberlagerung dementsprechend dazu, dass die Pulverschüttung zum
Zeitpunkt der Druckbeaufschlagung mittels des Stempels eine höhere Dichte
aufweist, als bei Pressversuchen ohne Schwingungsüberlagerung.
Zur weiteren Analyse der Schwingungsauswirkungen wurde die lokale Dichte der
Probekörper mittels eines Gamma-Densomaten gemessen. Der Gamma-Densomat
ist ein Messinstrument, das ursprünglich zur Qualitätssicherung in der
Keramikfertigung entwickelt wurde [8]. Das verwendete Messverfahren beruht auf der
Absorption von Gamma-Strahlung in Materie. Bei der Durchstrahlung eines Körpers
wird die Gamma-Strahlung, entsprechend des Absorptionsgesetzes
I
= / 0
e
−μ ρ s
(Gl. 1)
exponentiell abgeschwächt. Die Materialkenngrößen sind über die Dichte ρ und den
Massenabsorptionskoeffizienten µ gegeben. Der Massenabsorptionskoeffizient ergibt
sich aus Kalibrierungsmessungen des Geräteherstellers und ist ausschließlich von
der Materialzusammensetzung und der Energie des Gamma-Strahls abhängig, nicht
jedoch von der Porosität [8]. Die weiteren, durch Messung zu bestimmenden, Größen
sind die Intensität des einfallenden Gamma-Stahls I 0 , die Intensität des
abgeschwächten Gamma-Stahls I und die Dicke des Prüfkörpers s.
Über die Kenntnis des Absorptionskoeffizienten des untersuchten Materials lässt sich
anhand folgender Gleichung die Dichte bestimmen:
1 l
0
ρ = ln
(Gl. 2)
μ ⋅ s l
Für die Analyse der Probekörper wurden ebene Prüfkörper aus den zylindrischen
Proben erstellt, um sie mittels des Gamma-Densomaten zu untersuchen. Die Dicke s
des Prüfkörpers betrug, entsprechend der Empfehlung des Herstellers des Gamma-
Densomaten, fünf Millimeter.
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Bild 4: Lage der Schnittebene für die Erstellung von Prüfkörpern
In Bild 4 (links) ist anhand einer schematischen Zeichnung die Erstellung des
Prüfkörpers dargestellt. Anhand eines Messrasters wird für jeden der Messpunkte die
lokale Dichte bestimmt. Das Messraster ist in Bild 4 (rechts) darstellt.
Bild 5: Lokale Dichteverteilung in schwingungsüberlagert, einseitig gepressten
Probekörpern
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Die Ergebnisse der lokalen Dichtemessungen mit dem Gamma-Densomat sind in
Bild 5 dargestellt. Bei der Messung wurden pro Probe 144 Messpunkte ausgewertet.
Anhand beider Messreihen (Presskraft 250 und 500 kN) zeigt sich, dass die
Schwingungsüberlagerung zu einer größeren Verdichtung bei gleicher Kraft führt. Bei
der Presskraft von 250 kN ergeben sich für Überlagerungsfrequenzen von 30 und
60 Hz die höchsten Werte für die lokale Dichte. Für eine Presskraft von 500 kN
führen alle drei Überlagerungsfrequenzen zu einem sehr ähnlichen Ergebnis.
Zusammenfassung
Im Rahmen dieses Artikels wurden Untersuchungen zum schwingungsüberlagerten
Pressen von Aluminiumpulver vorgestellt. Hierzu wurde zu Beginn auf die
Konstruktion des verwendeten Werkzeugsystems eingegangen. Im Anschluss folgte
die Beschreibung der experimentellen Untersuchungen an Probekörpern zur
Bestimmung der lokalen Dichte.
Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass die Schwingungsüberlagerung
den Pressprozess positiv beeinflusst. Die Auswirkungen der Schwingungsüberlagerung
für das verwendete Aluminiumpulver sind zwar relativ gering, da dieses
schon sehr gute Verdichtungseigenschaften besitzt. Für weiterführende
Untersuchungen an schwer pressbaren Pulvern werden größere Auswirkungen auf
das Verdichtungsverhalten erwartet.
Danksagung
Die vorgestellten Ergebnisse entstanden im Rahmen des Forschungsprojekts „FEM-
Simulation des Aluminium-Sinterschmiedeprozesses“ am Institut für Umformtechnik
und Umformmaschinen (IFUM) der Leibniz Universität Hannover (LUH). Die Autoren
danken der Deutschen Forschungsgesellschaft (DFG) für die finanzielle
Unterstützung dieses Projektes.
Literatur
[1] Sewerdenko, W. P.; Klubowitsch, W. W.: Verteilung der Verformung
über die Höhe der Probe beim Stauchen im Ultraschallfeld, Izv. VUZ
Tschernaja Metallurgija 8, 1965
[2] Lehfeld, E.: Beeinflussung metallischer Reibungsvorgänge durch Schall
im 20 kHz-Bereich, Dissertation, Fakultät für Elektrotechnik der RWTH
Aachen, 1968
[3] Schöck, J.: Schall reduziert die Umformkräfte, Technica-Rupperswil,
Band 49, Heft 18, 2000
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[4] Rosato, A. D.; Vreeland, T.; Prinz, F. B.: Manufacture of powder
compacts; International Materials Review, Band 36, Heft 2, 1991
[5] Boch, P.; Rogeaux, B.: Vibratory Assistance to the Pressing of Ceramic
Powders; British Ceramic Proceedings, Novel ceramic Fabrication
processes and Applications, Meetings of the Inst. of Ceramics, Univ. of
Cambridge, 9.-11.4.1986, Band 38, 1986
[6] Kitae, T. K.; Geonseog, S.: Cyclic Compaction of Ceramic Powders,
Journal of the American Ceramic Society, vol. 75, issue 11, 1992
[7] Schatt, W.; Wieters, K.-P.; Kieback, B.: Pulvermetallurgie -
Technologien und Werkstoffe, 2. Auflage, Springer Verlag, Berlin
Heidelberg, 2007
[8] Schlieper, G.; Hummert, K.; Arnhold, V.; Dirkes, H.: Gamma-Densomat
- Ein neues Instrument zur Qualitätssicherung in der Keramikfertigung;
Gamma densomet - A new instrument for quality assurance in the
production of ceramics, CFI - Ceramic forum international, vol. 67, no.
1/2, pp. 11-15, 1990
Autoren
Prof. Dr.-Ing. Bernd-Arno Behrens studierte Maschinenbau an der Universität
Hannover und promovierte am Institut für Umformtechnik und Umformmaschinen
(IFUM) in Hannover. Er war Leiter der Abteilung Umformtechnik bei der Salzgitter
AG. Im Jahr 2002 wurde sein Verantwortungsbereich auf die gesamte
Anwendungstechnik des Konzerns erweitert. Seit Oktober 2003 ist er Leiter des
IFUM der Leibniz Universität Hannover (LUH).
Dr.-Ing. Matthias Kammler studierte Bauingenieurwesen an der Universität Hannover
und promovierte am IFUM. Seit 2001 ist er wissenschaftlicher Mitarbeiter in der
Abteilung Numerische Methoden am IFUM, derzeitig in der Funktion des
stellvertretenden Abteilungsleiters.
Dipl.-Ing. Edin Gastan studierte Maschinenbau an der Universität Hannover. Seit
2003 ist er wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Abteilung Massivumformung am
IFUM.
Dipl.-Ing. Fabian Lange studierte Maschinenbau an der Universität Hannover. Seit
2006 ist er wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Abteilung Numerische Methoden am
IFUM.
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