Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Mikrostrukturbasierte Simulation zum Kragenziehen von AHSS

Die blechverarbeitende Industrie steht durch Funktionsintegration und Verwendung hochfester Stähle (AHSS) vor technologischen Herausforderungen. Komplexe Funktionselemente (z. B. Kragen) erfordern mehrstufige Prozesse wie Vorlochen, Laserbestrahlung und Umformen. Bei biegedominierten Prozessen wie dem Kragenziehen hat die Fertigungshistorie einen maßgeblichen Einfluss auf nachfolgende Prozessschritte. Beim Vorlochen wird dabei das verbleibende Umformvermögen für den Kragenzug festgelegt. Angestrebte, hohe Aufweitverhältnisse führen deshalb schneller zu Materialversagen durch Ausdünnung und Rissbildung.

Bei einer kosteneffizienten Produktauslegung werden Fertigungsschritte mittels Simulationen vorab ausgelegt, wodurch zeit- und kostenintensive Erprobungen mit Versuchswerkzeugen minimiert werden. Aktuell verfügbare Simulationsmethoden schöpfen dieses Potential jedoch nicht voll aus, da bei mehrstufigen Prozessen die Fertigungshistorie unzureichend berücksichtigt wird.

Im Forschungsprojekt wird durch Implementierung eines physikalischen basierten thermo-mikro-mechanischen Simulationsansatzes ein realitätsnaher und durchgängiger Simulationsansatz für Blechbauteile entlang der Prozesskette entwickelt. Um die Fertigungshistorie abzubilden wird das Werkstoffverhalten mittels Mikrostrukturvariablen (Versetzungsdichte und Hohlraumvolumen) modelliert und mit einem Schadensmodell gekoppelt. Darauf aufbauend können Prozessparameter gezielt optimiert werden. Die Modellentwicklung wird durch Scherschneid- und Kragenzugversuche mit Laserunterstützung auf einer Servopresse kontinuierlich validiert.

Bei der Herstellung kritischer Blechbauteile wird produzierenden Unternehmen ermöglicht einen sicheren und robusten Prozess inklusive Werkzeug ohne umfangreiche Erprobungsversuche auszulegen. Besonders für KMU stellt die Verringerung von Entwicklungskosten einen Wettbewerbsvorteil dar und ermöglicht den Unternehmen einen sicheren und effizienten Serienanlauf neuer, verbesserter Produkte.

Ergebniszusammenfassung:

Zielstellung des Forschungsprojekts »Simulation Kragenziehen« war die Entwicklung eines rein physikalisch-basierten Simulationsmodells zur Berechnung der Bauteilschädigung über mehrere Prozessschritte hinweg. Multidisziplinäre Prozessketten wie das laser-unterstützte Kragenziehen stellen gegenwärtig den Stand der Technik dar. Zwar können die Einzelprozesse jeweils simulativ abgebildet werden, ein Austausch der Material- und Schädigungshistorie findet prozessübergreifend jedoch nicht statt.

Der entwickelte Simulationsansatz basiert auf dem thermisch-mechanisch-mikrostrukturellen (TMM) Modellansatz und koppelt das physikalisch-basierte Modell zur Schädigungsbeschreibung durch die mikrostrukturelle Zustandsvariablen „Hohlraumvolumen“ und „Versetzungsdichte“. In enger Zusammenarbeit zwischen dem Fraunhofer IPT und dem IEHK wurden simulationsbegleitende Experimente zum Prozess durchgeführt. Hierfür wurden zunächst mit verschiedenartig gekerbten Zugproben die Materialkennwerte ermittelt und das Materialmodell durch Kalibrierungsrechnungen validiert. Anschließend wurde das Modell auf den relevanten Blechbearbeitungsprozess des Kragenziehens übertragen. Hierfür entwickelte das Fraunhofer IPT ein Modul zur lokalen Lasererwärmung per robustem und kostengünstigem Freiformspiegelmodul. Das Simulationsmodell zur gesamten Prozesskette wurde durch das IEHK weiter optimiert, sodass am finalen Blechbauteil die Qualität des geformten Kragens inklusive einer Charakterisierung der Rissentstehung vorhergesagt werden konnte.

Anwendungsmöglichkeiten ergeben sich für Hersteller von Blechbauteilen z. B. durch die Erweiterung von Prozessgrenzen mittels laser-unterstützter Blechbearbeitung. Anwendern des Simulationsansatzes eröffnet sich die Möglichkeit der Bauteil-, Werkzeug- und Prozessauslegung in Bezug auf die gewünschten Werkstückeigenschaften. Durch den entwickelten Ansatz können der Aufwand bei der Prozessentwicklung verringert und präzise Bauteileigenschaften vorhergesagt werden.