Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Verbesserung der Vorhersagbarkeit des Bauteilverzugs beim Presshärten

 

Der Bedarf an pressgehärteten Bauteilen wächst stetig. Besonders Presshärtebauteile mit lokal definierten Eigenschaften (sog. Tailored Parts), welche den wachsenden Ansprüchen hinsichtlich Leichtbau und Crashperformance gerecht werden sollen, sind jedoch stark von Maß- und Formabweichungen (Verzug) betroffen. Dieser Verzug tritt vor allem bei langen Bauteilen (z. B. B-Säulen) auf und ist durch Abweichung von der Sollgeometrie von bis zu 5 mm gekennzeichnet. Der Bauteilverzug und dessen unzureichende Prognostizierbarkeit führen derzeit zur Produktion von Ausschussbauteilen und/oder zu zeit- und kostenintensiven Tryout-Werkzeugen und Einarbeitungsphasen.

Ziel des Forschungsvorhabens ist es daher, die Diskrepanzen zwischen numerischer Prozess- und Werkzeugauslegung und Serienproduktion aufzulösen. Durch die Analyse der vielfältigen korrelierenden Einflüsse, den Abgleich zwischen experimentellen Untersuchungen und FE-Simulation sowie durch die Feinkalibrierung der Simulationsmodelle wird die Vorhersagegenauigkeit des Bauteilverzugs beim Presshärten signifikant verbessert. Erstmals werden dabei grundlagenwissenschaftliche Untersuchungen mit homogen oder partiell beheizbaren Versuchswerkzeugen durchgeführt und die Forschungsergebnisse an einem Serienwerkzeug (B-Säule) validiert. Somit ist die industrielle Anwendbarkeit der Forschungsergebnisse, insbesondere für KMU ohne eigene Forschungskapazitäten, gewährleistet.

Durch die Vermeidung von verzugsbedingten Ausschussbauteilen und die Reduzierung der Ein- und Nacharbeitungszeiten, können die Herstellkosten signifikant verringert, die Ressourceneffizienz des Presshärtens verbessert und dementsprechend wichtige Wettbewerbsvorteile, insbesondere für stahlanwendende KMU, gesichert werden.

Ergebniszusammenfassung:

Im Rahmen des Projektes wurde untersucht, wie sich eine Variation der Parameter Ofentemperatur und Zuhaltezeit im Werkzeug bei der Herstellung von Presshärteteilen mit gradierten Eigenschaften auf die geometrische Genauigkeit und die mechanischen Bauteileigenschaften auswirken. Die Untersuchung erfolgte für drei verschiedene Materialien, wobei neben einem typischen Presshärtestahl 22MnB5 auch ein hinsichtlich seines Energieabsorptionsvermögens optimierter Presshärtestahl und ein Presshärtestahl mit erhöhtem Kohlenstoffgehalt für besonders hohe Festigkeitsanforderungen untersucht wurde. Die gesamte Prozesskette wurde numerisch untersucht und mit den experimentellen Ergebnisse abgeglichen. Es hat sich gezeigt, dass für jeden Werkstoff ein individueller Parametersatz identifiziert worden ist, der zu einem minimalen Verzug führt. Der Verzug konnte prinzipiell numerisch vorhergesagt werden. Eine exakte Vorhersage war jedoch nicht möglich.

Handlungsempfehlungen leiten sich in den Bereichen Experiment, numerische Untersuchung und Messtechnik/Datenerfassung ab. Das Temperaturregime des Werkzeuges inkl. der Isolation ist von entscheidender Bedeutung und bedarf einer detaillierten Auslegung auf einen Werkstoff und einen Temperaturbereich. Bei der Simulation gilt es einen Kompromiss aus Modellierungsaufwand und Vorhersagegenauigkeit zu finden. Die Kontaktbedingungen haben einen großen Einfluss auf den Wärmefluss und damit auch auf Härte und Geometrie. Neben der Datenerfassung ist auch die Abspeicherung der Daten von hoher Bedeutung. Es ist sinnvoll, für jeden Versuch eine Datei mit allen relevanten Messdaten zu erzeugen und diese in einem Ordner, z.B. in einer Cloud, abzulegen. Mithilfe geeigneter Software ist die automatisierte Überwachung des Ordners auf neue Dateien möglich. Somit können laufend die relevanten Daten aus jedem Versuch ermittelt und grafisch visualisiert werden.