Problemstellung: Bei der Herstellung von typischen Serienteilen von Kraftfahrzeugen wie z.B. Achsschenkeln oder Getriebewellen durch Verfahren der Massivumformung und anschließendem Zerspanen entfallen ca. 40-70 Prozent der gesamten Stückkosten auf die mechanische Nachbearbeitung. Oben angedeutetes Potential liegt gerade bei heutzutage immer stärker nachgefragten Hochleistungsbauteilen zum einen in der technologischen Verbesserung spanabhebender Fertigungsverfahren selbst und zum anderen in der Minimierung der kostenintensiven Zerspanung. Die Kombination aus Warm- und Kaltformgebung ist in modernen Schmiedebetrieben bereits Stand der Technik und ermöglicht die Herstellung technisch anspruchsvoller Bauteile mit geringer spanender Nacharbeit. Es sind Bauteile mit verbesserten Maß- und Formgenauigkeiten als durch alleinige Warmumformung herstellbar. Durch die Kaltumformung lassen sich darüber hinaus weitere funktionelle Bauteileigenschaften verbessern, die gerade heutzutage Gegenstand zahlreicher Forschungsarbeiten sind. Die Verfahrensgrenze einer dem Schmiedeprozess nachgeschalteten Kaltumformung wird häufig durch die mechanischen Werkzeugbelastungen aufgrund der hohen und durch Entwicklung neuartiger Stahlgüten immer höher werdenden Werkstofffestigkeiten festgelegt. In modernen Schmiedeprozessketten findet aus energetischen und damit wirtschaftlichen und ökologischen Gesichtspunkten eine Wärmebehandlung zur Einstellung bestimmter Werkstoffeigenschaften direkt aus der Schmiedehitze statt. Die letzte Wärmebehandlungsstufe entspricht bei modernen Legierungskonzepten einer isothermen Haltestufe zur ferritisch-perlitischen oder auch bainitischen Gefügeumwandlung. Neueste Entwicklungen auf dem Gebiet der Sensorik ermöglichen eine intelligente thermomechanische Prozessführung aus Schmieden und definierter Wärmebehandlung direkt aus der Schmiedehitze, wie sie im Rahmen der AiF-Leittechnologie 'Schmieden 2020 - Ressourceneffiziente Prozessketten für Hochleistungsbauteile' entwickelt werden soll. Die ganzheitliche Prozessbetrachtung zeigt, dass in thermomechanisch behandelten Werkstücken nicht nur gezielt funktionelles Gebrauchsgefüge, sondern auch auf eine weitere Verarbeitung (z.B. durch Umformung) technologisch optimierte Verarbeitungsgefüge eingestellt werden könnten. Es fehlt jedoch an wissenschaftlichen Erkenntnissen über günstige Gefügezustände für eine anschließende Kaltumformung oder eine Lauwarmumformung aus der Schmiedehitze im technologischen und funktionellen Sinn. Dies gilt erst recht für mikrolegierte ausscheidungshärtende ferritisch-perlitische und hochfeste duktile bainitische Hochleistungsstähle. Das Potential der Lauwarmumformung im Temperaturbereich zwischen Kaltumformung und industrieller Halbwarmumformung typischer Fließpressstähle an sich, konnte durch neuere Forschungsarbeiten am Institut für Umformtechnik (IFU) der Universität Stuttgart bereits aufgezeigt werden. usw.
Ziel ist die Entwicklung eines funktionsintegrierten Leichtbau-Gleichlauf-Verschiebegelenks für Längswellen von z.B. Pkw. Ein neues Konstruktionsprinzip soll erstmalig die Funktionsintegration von Beuge- und Verschiebefunktion in einem Gelenk mit einem längswellenspezifischen Leistungsprofil ermöglichen. Weiterhin soll durch dieses Konstruktionsprinzip erstmalig die umformtechnische Herstellung eines Gleichlauf-Verschiebegelenks realisierbar werden. Ziel ist es durch Konstruktionsprinzip, Funktionsintegration und umformtechnische Herstellung signifikante Leichtbaueffekte (50 Prozent Gewichtseinsparung pro Einheit Beugen/Verschieben) und eine deutliche Steigerung der Material- / Energieeffizienz in der Produktion zu erreichen. Das Unternehmen erwartet bei einer angestrebten Produktionsmenge von 3 Mio. Gelenken ab 2018 allein im Kfz-Bereich pro Jahr 6.000 t Stahl, rd. 50 GWh Energie und rd. 14.000 t CO2 -Ausstoß einzusparen. Zusätzlich ermöglichen diese Leichtbaueffekte (bei typischen Fahrzeuglebenszyklus) in Deutschland eine Einsparung von rd. 100 Mio. Liter Kraftstoff und rd. 250.000 t CO2 -Ausstoß. AP 1) Konzeption, Modellierung und Entwicklung Gelenk, AP 2) Herstellung, Analyse und Absicherung eines zerspanend gefertigten Referenzgelenks, AP 3) Konzeption, Entwicklung und Simulation des Umformprozesses, AP 4) Herstellung (Sonder-)Umformwerkzeuge, AP 5) Umformtechnische Herstellung von Musterbauteilen, AP 6) Überprüfung und Validierung des umformtechnisch hergestellten Mustergelenks
Das in der Kaltmassivumformung übliche Schmiersystem basiert auf einer Zinkphosphatschicht, die auf die Werkstückoberfläche aufgebracht wird. In der Regel kommen als Schmierstoffe Kaltpressöle, reaktive Seifen und Molybdändisulfid zum Einsatz. Die Aufbringung und Entfernung des Schmierstoffsystems erfolgt meist auf chemischem Weg in verschiedenen Bädern. Die Bäder müssen mit einem hohen Energieaufwand betrieben werden, unbrauchbar gewordene Bäder sind zu entsorgen. Das Abwasser enthält Beiz- und Beschichtungschemikalien, die eine Umweltbelastung darstellen. Ziel des Projektes war es, ein umweltfreundliches Tribosystem im industriellen Einsatz durch die ganzheitliche Betrachtung der Prozesskette zu entwickeln. Die Funktionen der Phosphatschicht mussten nun anderweitig übernommen werden. Als Schmierstoffträger sollte die Werkstücktopografie dienen, die Trennschichtfunktion von Werkzeug und Werkstück übernahm eine Hartstoffschicht, die auf die Werkzeuge aufgebracht wurde. Zuerst wurden in grundlegenden Untersuchungen die Werkzeuge, Hartstoffschichten und Drahtbehandlungsmöglichkeiten hinsichtlich der Anforderungen der phosphatschichtfreien Fertigung angepasst und optimiert. Dazu wurden Reibversuche durchgeführt, die es erlauben, die unterschiedlichen Eigenschaften der Tribosysteme zu analysieren. Um geeignete Hartstoffschichten zu ermitteln, wurden Verschleißuntersuchungen durchgeführt. Damit ließen sich Aussagen über die Schichthaltbarkeit und die Verschleißmechanismen treffen. Während des gesamten Projektzeitraums erwies sich die FEM-Simulation als hilfreich bei der Optimierung der Werkzeuge und Prozesse. So lassen sich tribologisch kritische Werkzeuggeometrien entschärfen und Beanspruchungskollektive für Werkzeugbeschichtungen definieren. Im zweiten und dritten Projektjahr fanden Produktionsversuche bei den Anwenderfirmen statt. Hier wurden die Erkenntnisse der grundlegenden Untersuchungen in die Praxis umgesetzt. Damit ging eine Prozessoptimierung einher, die zuerst an einer M16-Sechskantschraube, später auch an komplexeren Bauteilen verwirklicht wurde.
In der Kaltmassivumformung gelten, seit Singers Patent im Jahr 1934, hochbelast-bare Schmierstoffträgerschichten auf Basis von Zinkphosphat in Kombination mit reaktiven Seifen als Stand der Technik. Diese werden, insbesondere bei der Umformung von Abschnitten, für hoch anspruchsvolle Prozesse mit großen Oberflächen-vergrößerungen, Kontaktnormalspannungen, Temperaturen eingesetzt. Trotz zahl-reicher Weiterentwicklungen in den vergangenen Jahren sind die Aufbringung dieser Schmierstoffe auf Bauteile und deren Reinigung nach dem Umformen noch immer mit Nachteilen behaftet. Charakteristisch für die Aufbringung von nasschemischen Systemen ist ein hoher Wasser- und Chemikalienverbrauch sowie die Bildung von umweltschädlichen Phosphatierschlämmen. Darüber hinaus müssen die Bauteile mehrere Bäder durchlaufen. Aufgrund der Bauteilabmessungen und der Menge an Bauteilen, die beschichtet werden müssen, geschieht die Applikation des Schmier-stoffsystems in batches, die anschließend zwischengelagert werden müssen. Heutige Prozessketten sind nicht mehr allein auf Produktivität ausgelegt. Ebenso müssen Umweltstandards erfüllt werden. Insbesondere seit der Einführung der europäischen Chemikalienordnung REACH gilt es, einen übermäßigen Chemikalienverbrauch zu reduzieren. Abhilfe können sogenannte Einschichtschmierstoffe schaffen. Bisher wurden diese aufgrund ihrer, im Vergleich zu Zinkphosphat + Seife, geringeren Leistungsfähigkeit jedoch nur für Prozesse mit geringeren Belastungen eingesetzt. Im Rahmen des hier vorgestellten Projekts sind Schmierstoffe auf Basis von Molybdändisulfid, Polymer und Salz-Wachs entwickelt worden, die auch höchsten Belastungen Stand halten. In einem Demonstratorprozess wurden die Schmierstoffe für eine dreistufige Umformung verwendet. Dabei hat sich gezeigt, dass Molybdändisulfid eine durchgängig fehlerfreie Umformung ermöglicht hat. Bei Salz-Wachs und Polymer haben Laboruntersuchungen gezeigt, dass die Schmierstoffe zwar sehr hohen Belastungen in einem einstufigen Prozess standhalten können, jedoch bei mehr-stufigen Operationen noch nicht durchgängig eine fehlerfreie Produktion garantieren können. Hier besteht noch weiteres Verbesserungspotential. Die entwickelten Einschichtschmierstoffe werden direkt auf eine gestrahlte Bauteil-oberfläche appliziert. Dies ermöglicht die Beschichtung von Halbzeugen im Pressen-takt. Eine im Projekt entwickelte Inline-Beschichtungsanlage hat gezeigt, dass so-wohl Molybdändisulfid, Salz-Wachs und Polymer bei einer Taktzahl von 30 Teilen pro Minute allseitig und homogen beschichtet werden können. Durch die Verwendung phosphatfreier Schmierstoffe, die mittels inline-Beschichtungsanlage appliziert wer-den ergeben sich im Vergleich zu herkömmlichen Beschichtungssystemen viele Vorteile wie der Verzicht auf einen hohen Wasser- und Chemikalienverbrauch, Zwischenlagerungen und die aufwändige Entsorgung von Phosphatierschlämmen.
Das AID-EE-Projekt entwickelte Empfehlungen zur systematischen Evaluation und zum Design von Politikinstrumenten zur Steigerung der Endenergieeffizienz. Diese Leitlinien wurden abgeleitet aus 20 Ex-post-Evaluationen von Politikinstrumenten, bei denen ein sogenannter 'Theorie-basierter Evaluationsansatz erprobt wurde. Die Studie wurde von Ecofys (NL) im Auftrag der Europäischen Kommission koordiniert. Die Arbeit des Wuppertal Instituts im AID-EE-Projekt wurde vom Land Nordrhein-Westfalen finanziell unterstützt. Im Rahmen der 20 Fallstudien wurde deutlich, dass die Ex-post-Evaluation von Politikinstrumenten in vielen Fällen schon allein dadurch erschwert wird, dass nachprüfbare Zielsetzungen und ein laufendes Monitoring relevanter Daten fehlen. Zudem werden Interaktionen zwischen Politikinstrumenten meist nur unzureichend berücksichtigt. In der Regel ist ein Bündel von Politikinstrumenten erforderlich, um die Hemmnisse und Barrieren gegenüber Energieeffizienzsteigerungen zu überwinden, vor denen die verschiedenen Marktakteure stehen. Gestalter von Politikinstrumenten sollten sich daher von vorne herein ein genaues Bild von der erwarteten Wirkungsweise der geplanten Politikinstrumente im gesamten 'Policy-Mix machen ('Politiktheorie). Das AID-EE-Projekt konnte aufzeigen, dass die gesetzten Energieeffizienz-Ziele auf europäischer Ebene mit einem umfassenden Mix an Politikinstrumenten prinzipiell erreichbar sind und hat konkrete Schritte zur Zielerreichung und zur Gestaltung eines adäquaten 'Policy-Mix vorgeschlagen.