Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Werkstoffmodelle und Kennwertermittlung für die industrielle Anwendung der Umform- und Crash-Simulation unter Berücksichtigung der thermischen Behandlungen beim Lackieren im Prozess bei hochfesten Werkstoffen

Die sich ständig erhöhenden Anforderungen an die Crashsicherheit von Automobilen benötigen präzisere Vorhersagen durch Crashsimulation. Im Automobilbereich treten KMU meist als Simulationsdienstleister, Zulieferer von Teilkomponenten und Softwareentwickler auf und müssen sich den steigenden Anforderungen der OEM anpassen, um konkurrenzfähig zu sein. In den letzten Jahren fokussiert sich in der industriellen Anwendung moderner Metallwerkstoffe die Simulation auf das durchgehende Abbilden der Prozesskette. Die zunehmende Integration der Ergebnisse der Umformsimulation in die Crashsimulation erfordert es, einen weiteren Schritt der Prozesskette zu betrachten: Das thermische Aushärten des Lacks. Dabei wird die Karosserie für ca. 20 Minuten auf ca. 170° C erwärmt. Trotz der relativ geringen Temperatur erfahren die verwendeten modernen Metallwerkstoffe Veränderungen, die das mechanische Verhalten beeinflussen, bei Stahl im wesentlichen Anlasseffekte und Bake-Hardening. Die vor allem bei höchstfesten Presshärtstählen auftretenden Anlasseffekte reduzieren die Festigkeit. Bake-Hardening tritt bei einer Vielzahl von Metallwerkstoffen auf und erhöht die Festigkeit.

Diese Effekte sollen durch einfache Gesetzmäßigkeiten abgebildet werden, um bei Übertragung der Ergebnisse der Umform- auf die Crashsimulation damit die Materialkennwerte in geeigneter Weise transformieren.

Die angestrebten Forschungsergebnisse zu Anlass- und Bake-Hardening-Effekten ermöglichen den KMU durch verbesserte Berechnung und Simulation ihre Wettbewerbsfähigkeit zu erhöhen. Dadurch wird die Prognosegenauigkeit der Simulation der Prozesskette erhöht und es können experimentelle Untersuchungen entfallen.

Durch die genauere Vorhersage der ertragbaren Lasten kann bei der Konstruktion neuer Bauteile und Baugruppen der Materialeinsatz verringert werden, was die Ressourceneffizienz sowohl bei der Herstellung als auch im Betrieb (weniger Treibstoffkosten durch Leichtbau) erhöht.

Ergebniszusammenfassung:

Die stetig steigenden Anforderungen an die Crash-Sicherheit von Automobilen bei gleichzeitiger Gewichtsreduktion bedeuten ebenfalls höhere Anforderungen an die Crash-Simulation. Dabei liegt bei der Bauteildimensionierung neben der Herstellbarkeit der Fokus auch immer stärker auf den Crash-Eigenschaften. Um die Vorhersagekraft der Crash-Simulation zu verbessern, müssen in den Simulationen die einzelnen Prozessschritte gekoppelt werden. Dabei sollen zur Erhöhung der Prognosegüte auch thermische Behandlungen wie zum Beispiel zum Aushärten des Lackes berücksichtigt werden. Im Projekt wurden mehrere Werkstoffe betrachtet: hochfeste Mehrphasenstähle, ein Presshärtestahl, sowie eine aushärtbare Aluminiumlegierung. Mit verschiedenen Experimenten erfolgten Untersuchungen zum Einfluss der Temperatur, der Behandlungszeit, sowie der vor der Behandlung schon erreichten Vorverformung.

Im Rahmen dieses Forschungsprojektes wurden vielseitig einsetzbare Modelle zur Transformation der Materialeigenschaften infolge der thermischen Behandlungen unter Berücksichtigung der mechanischen Vorgeschichte für die mechanischen Eigenschaften entwickelt. Diese Modelle wurden in ein Mapping-Tool integriert, wodurch es möglich ist, die lokalen mechanischen Kennwerte zwischen den einzelnen Prozessschritten sowie verschiedenen Softwarepakten übertragen zu können. Die anhand von Experimenten gewonnen Kennwerte zur Transformation sind die Grundlage für die prozess- und softwareübergreifenden Simulationen. Der Vergleich von Simulation mit den Versuchen zeigt, dass die gewonnenen Modelle gut funktionieren, aber gerade bei den höherfesten Stählen und beim Presshärtestahl der Einfluss der Wärmebehandlung auf die Bauteilfestigkeit im Betriebslastfall relativ gering ist. Die somit etwas verbesserten Simulationsmöglichkeiten können kmU bei der Unterstützung der Automobilindustrie durch Dienstleistung und Zulieferteile dienen.