IFU Universität Stuttgart Friedrich Kretz GmbH & Co. KG HERRMANN IDB GmbH

Die Herstellung von Aluminiumbauteilen mit weit vom Kern auskragenden helixförmigen Elementen mit geringer und sich verändernder Steigung erfolgt heutzutage vorwiegend durch urformende oder spanende Fertigungsverfahren. Im Projekt HeliForm wurde durch Zusammenarbeit zwischen dem Institut für Umformtechnik (IFU) der Universität Stuttgart, der Friedrich Kretz GmbH & Co. KG und der HERRMANN IDB GmbH eine neuartige Prozesstechnik zum einstufigen Fließpressen von near-net shape Verdichterrädern aus EN AW-6082 entwickelt und auf einer industriellen Anlage erprobt.
Verdichterräder mit komplexen Geometrien stellen einen wesentlichen Bestandteil zur Wirkungsgradsteigerung heutiger strömungstechnischer Anlagen dar. Neuere Anwendungen betreffen Brennstoffzellenluftversorgungssysteme neben etablierten Applikationen in Abgasturboladern der Verbrennungsmotorentechnik. Die eingesetzten Verdichterräder sind durch Schaufeln mit komplexer helixförmiger Geometrie gekennzeichnet.

Verfahrensbeschreibung
Der HeliForm Prozess ermöglicht die einstufige Herstellung eines near-net shape Verdichterrades ausgehend von einem zylindrischen Rohteil. In der ersten Prozessphase erfolgt im Vorwärtsbub zunächst die Extrusion der vom Bauteilkern weit auskragenden Formelemente. Nach Erreichen des unteren Totpunkts wird die zweite Phase, das axiale Abheben des Bauteils von der Matrize, eingeleitet. Hierbei erfolgt der Stößelrückhub mit Auflast des Auswerferzylinders. In diesem axialdrucküberlagerten Zustand wird das umgeformte Bauteil um den Weg s0 von der Matrize abgehoben. Eine der reduzierten Rückzugsgeschwindigkeit vSt,3 überlagerte, positionsgesteuerte Drehbewegung ψ ̇ der Matrize führt in der dritten Prozessphase zur Erzeugung der gewünschten Helixgeometrie. Nach Erreichen des Drehwinkels ψ1 erfolgt in der vierten Prozessphase das vollständige Auswerfen des Bauteils aus der Matrize durch weitere Axialbewegung des Auswerfers mit erhöhter Stempelrückzugsgeschwindigkeit vSt,4.

Fazit
Insgesamt wurde in diesem Projekt eine neuartige Prozesstechnik zur Herstellung von helixförmigen Aluminiumbauteilen mit geringer Steigung und radial weit auskragenden Schaufeln entwickelt und erfolgreich erprobt. Hierzu wurden die maßgebenden Prozessparameter identifiziert und auf Basis dessen eine Methodik entwickelt, um den Helixsteigungswinkelverlauf einem strömungstechnisch optimierten, idealen Profil anzunähern. Diese near-net shape umgeformten Verdichterräder wurden anschließend in einem Zerspanungsprozess fertiggeschlichtet. Dadurch wird eine deutliche Reduktion des CO2-Fußabdrucks der gesamten Prozesskette erreicht.
Das Projekt „HeliForm – Entwicklung einer neuartigen, CO2- sowie Rohstoffeinsparenden Umformtechnik zur Herstellung von helixförmig angeordneten Formelementen mittels überlagerter Verdrehbewegung während des Ausstoßvorgangs im Fließpressen“ wurde im Rahmen des Programms Zentrale Innovation Mittelstand (ZIM) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) gefördert.

Die Entwicklung des neuartigen HeliForm-Prozesses zur Herstellung von Verdichterrädern mit komplexen, helixförmig angeordneten Formelementen erfolgte aus mehreren zentralen, technisch-wirtschaftlichen sowie ökologischen Beweggründen:
• Technologische Herausforderung bei konventionellen Verfahren
• Strömungstechnische Anforderungen an Verdichterräder
• Ressourceneffizienz und Nachhaltigkeit
• Industriekompatibilität und Innovationstransfer
• Zukunftsfähigkeit durch neue Methodik

Zusammenfassendwar die Entwicklung des HeliForm-Prozesses ein notwendiger Innovationsschritt, um dem steigenden Bedarf an hochkomplexen, ressourceneffizient herstellbaren Aluminiumbauteilen gerecht zu werden. Durch die Kombination aus technologischer Machbarkeit, ökologischer Nachhaltigkeit und industrieller Anwendbarkeit wurde ein zukunftsfähiger Herstellungsprozess geschaffen, der nicht nur die Fertigung solcher Komponenten revolutioniert, sondern auch einen aktiven Beitrag zur COâ‚‚-Reduktion in der Produktion leistet.