Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Ermittlung von Grenzformänderungskurven bei erhöhten Temperaturen

Für den Werkstoffleichtbau spielen höchstfeste Bor-Mangan-Stähle und die zugehörige Presshärtetechnologie eine wichtige Rolle im Fahrzeugbau und in der blechverarbeitenden Industrie. Anwender der Presshärtetechnologie stehen vor der Herausforderung, diese Prozesse unter Berücksichtigung aller relevanten, prozessspezifischen Einflussfaktoren mittels simulationsbasierter Methoden robust auszulegen. Dafür sind geeignete Materialmodelle erforderlich, die auch das Werkstoffversagen (üblich über Formänderungskurven) unter erhöhten Temperaturen abbilden. Momentan liegen keine gesicherten Messergebnisse für diese Formänderungskurven vor, die eine temperatur- und dehnratenabhängige Versagensprognose erlauben.

Zielstellung des Vorhabens ist die reproduzierbare messtechnische Ermittlung des Grenzformänderungsverhaltens von Stählen bei erhöhten Temperaturen.

Das Kernstück bildet die Konzipierung und Adaption einer geeigneten Versuchseinrichtung für die Aufnahme der Grenzformänderungskurven bei Temperaturen bis 900 °C unter reibungsfreien Bedingungen. Dies beinhaltet die Gewährleistung einer homogenen Temperaturverteilung im Messbereich und die zuverlässige Online-Messung der Formänderungen und Temperaturen während der Prüfdauer. Die Entwicklung geeigneter Probengeometrien erfolgt mittels numerischer Simulation. Die experimentelle Machbarkeit wird mit konventionellen Grenzformänderungsermittlungen punktuell abgeglichen. Abschließend erfolgt der Eignungsnachweis durch Gegenüberstellung der Ergebnisse aus Simulation und Experiment für Demonstratorbauteile.

Der direkte Nutzen der Ergebnisse insbesondere für KMU ergibt sich durch das gestiegene Know-How für die Prozessgestaltung bei der Blechwarmumformung und die damit einhergehende gestiegene Wettbewerbsfähigkeit sowie die direkte Überführbarkeit der Erkenntnisse in die Prozess-, Werkzeug-, Bauteil- und Anlagengestaltung.

Ergebniszusammenfassung:

Das Hauptziel des Projektes bestand darin, eine neue Methode zur reibungsfreien Ermittlung von Grenzformänderungskurven für Warmumformprozesse zu entwickeln. Unter Nutzung einer vorhandenen Biachszugprüfmaschine wurden neue Probenformen, die mit der uniachsialen Zugbelastung, der plane strain Belastung und der äquibiachsialen Zugbelastung die drei wesentlichen Punkte der FLC widerspiegeln, mit Hilfe numerischer Simulationen erarbeitet. Es wurde das Materialverhalten temperatur- und dehnratenabhängig im Hochgeschwindigkeitszugversuch ermittelt und in Materialkarten für LS-DYNA überführt. Die experimentellen Untersuchungen zur Bestimmung reibungsfreier temperaturabhängiger FLC erfolgten an einer Biachsialzugprüfmaschine im Temperaturbereich von 550°C – 800°C. Abschließend wurden die Ergebnisse am Demonstratorbauteil "B-Säulenfuß" experimentell und numerisch verifiziert.

Der Nutzen der Forschungsergebnisse für die Stahlanwendung trifft besonders auf Unternehmen des Werkzeugbaus, des Automobilbaus und dessen Zulieferer zu. Diese werden durch exaktere Kennwerte für presshärtbare Stähle für die numerischen Auslegung von Blechwarmumformprozesse direkt unterstützt. Automobilhersteller und deren Zulieferer wird es möglich mit den exakten Kennwerten die Bauteilauslegung und anschließend die Prozessauslegung in einem kürzeren Zeitraum und mit einem robusteren Prozessfenster durchzuführen, was dementsprechend zu geringeren Herstellungskosten führt und somit die Marktposition dieser Unternehmen sichert.

Werkzeugbauunternehmen profitieren ebenso von der Kenntnis des exakten Versagensverhaltens der presshärtbaren Stähle. Damit lassen sich robustere und kostengünstigere Werkzeugtechnologien für die Verarbeitung dieser Werkstoffe realisieren, wodurch sich der Aufwand beim Einrichten und Anpassen der Warmumformwerkzeuge reduziert. Zudem bedeutet eine größere Prozesssicherheit geringere Kosten-, Termin- und Qualitätsprobleme.