Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Bestimmung der Zusammenhänge zwischen Crashverhalten stranggepresster Aluminiumprofile und Fertigungsprozessen durch Experimente und Simulation

Wesentliche Fragestellungen für die Lieferanten von Aluminiumprofilen und die Automobilhersteller für eine Crashanwendung betreffen die optimale Kombination von Festigkeit, Duktilität und Profilgeometrie. Die finalen mechanischen Eigenschaften von Aluminiumprofilen hängen von der chemischen Zusammensetzung, den Strangpressparametern, den anschließenden Wärmebehandlungen (Abschreckung, Warmauslagerungen) und der Belastungssituation ab. Da die Anzahl der Einflussfaktoren umfangreich und das Prozessfenster nicht deutlich ist, sind für eine gegebene Legierung keine einfachen Beziehungen zwischen den Prozessparametern und den gewünschten mechanischen Merkmalen für ein optimiertes Crashverhalten vorhanden.

Das Ziel des vorgeschlagenen Projekts ist die Entwicklung einer für KMU umsetzbaren Methodik zur Bewertung der Crashtauglichkeit stranggepresster Aluminiumprofile auf Basis von Prozessparametern und spezifischen mechanischen Merkmalen. Die Arbeitshypothese besteht darin, dass die Zusammenhänge des Crashverhaltens von unterschiedlichen Profilen mit den Fertigungsschritten mit Hilfe von ausgewählten Merkmalen aus Proben- und Komponentenversuchen sowie Simulationen unter Einsatz mathematischer Prozessmodelle wie künstlichen neuronalen Netzwerken zuverlässig zu ermitteln sind. Dabei wird ein zweistufiger Modellansatz entwickelt. Das erste Teilmodell (Strangpress-Modell) liefert quantitative Aussagen zu den Profilmerkmalen. Diese Werte stellen die Eingangsgrößen für das zweite Teilmodell (Crashtest-Modell) dar. Das vorgeschlagene Projekt beinhaltet eine Untersuchungskette von der Herstellung von strangpressten Aluminiumprofilen über die Ermittlung ihrer mechanischen und Mikrostruktur-Merkmale bis zur Bestimmung ihres gesamten Crashverhaltens. Neben umfangreichen experimentellen Untersuchungen werden Prozess- und Crashsimulationen sowie mathematische Analysemethoden zur Identifizierung von verschiedenen Merkmalen und zur Bestimmung der Korrelationen zwischen diesen Merkmalen und dem Crashverhalten eingesetzt.

Mit der Methode sollen Fertigungsprozesse hinsichtlich der Crashtauglichkeit optimiert und die zu erwartenden Crasheigenschaften bei variierenden Prozessparametern vorhergesagt werden können.

Ergebniszusammenfassung:

Drei stranggepresste Profilgeometrien, die über 18 unterschiedliche Prozessvarianten hergestellt wurden, unter unterschiedlichen Spannungszuständen statisch charakterisiert. Neben den globalen Größen wie z.B. Kraft, Verschiebung wurden lokale Dehnungsfelder während der Versuche ermittelt.

Die mechanischen Kennwerte und die maximal möglichen Biegewinkel wurden für alle untersuchten Prozessvarianten bestimmt und systematisch verglichen. Zusätzlich wurden die Einflüsse der Mehrachsigkeit auf die Bruchdehnungen bei Scherung, einachsigem Zug, ebener Dehnung bis zum biaxialen Zug quantifiziert. Hierbei wurde die Richtungsabhängigkeit der Eigenschaften erfasst.

Die mechanischen Eigenschaften der Pressprofile wurden im Wesentlichen durch die Pressgeschwindigkeit, die Abkühlung und die Wärmebehandlung beeinflusst. Mit zunehmender Pressgeschwindigkeit nimmt die Fließspannung deutlich ab. Dieser Effekt konnte jedoch bei Scherbelastung nicht festgestellt werden.

Die Einflüsse der Prozessparameter des Strangpressens auf die Mikrostruktur wurden anhand von Licht- und REM-Untersuchungen sowie EBSD-Analyse untersucht. Die Verteilungen der Korngröße und der Kornorientierung wurden ermittelt.

Die Einflüsse der einzelnen Prozessparameter auf die mikrostrukturellen Eigenschaften und damit auf das mechanische Verhalten wurden bestimmt. Den stärksten Einfluss auf die Festigkeit (Dehngrenze, Zugfestigkeit, Härte) hat erwartungsgemäß die Warmauslagerung (T6). Bei gleicher Wärmebehandlung (T6) wirken sich die mittlere Korngröße im Kerngefüge sowie der Grobkorn-Anteil auf die mechanischen Eigenschaften aus.

Ein Versagensmodell wurde für unterschiedliche Prozessvarianten kalibriert und durch die Simulation verschiedener Probenversuche überprüft.

Die Komponentensimulationen mit den kalibrierten Materialparametern sind in der Lage, das Verformungs- und Versagensverhalten von Profilen aus verschiedenen Prozessen vorherzusagen.