Untersuchung einer integrierten Prozesskette für das Presshärten und Thermoformen

Eine Betrachtung des Einsatzes endlosfaserverstärkter FKV-Halbzeuge auf dünnen, pressgehärteten Blechstrukturen führt zunächst zu der Annahme, dass der Kostenfaktor eine Umsetzung in die Praxis nicht ermöglicht. Hintergrund sind hierbei die hohen Materialkosten für die FKV-Halbzeuge. Steuert man den Einsatz dieser Werkstücke aber zielgerichtet, so ist es möglich, leichte Karosseriekomponenten zu fertigen, ohne dabei die Gesamtmaterialkosten unwirtschaftlich zu gestalten. Dabei steht dem sehr guten Verständnis zu den mechanischen Eigenschaften und dem möglichen Einsatzpotential dieser Hybridbauteile in der Fahrzeugkarosserie ein Mangel an geeigneten Fertigungsprozessen gegenüber. Die Herstellung solcher Komponenten wurde bislang nur in sequentiellen Prozessen der Blech- und Kunststoffverarbeitung durchgeführt. Dabei entstanden komplexe Prozessverkettungen mit zusätzlichen Logistik- und Handhabungsschritten. Bei der FKV-Applikation in einen Thermoformprozess kommt der Blechtemperatur eine zentrale Bedeutung hinsichtlich der Verbundeigenschaften zu. Eine zielgerichtete Veränderung dieser Temperatur hat direkten Einfluss auf das entstehende Werkstück. Hierbei wird das Blech auf ein Temperaturniveau erwärmt, welches es beim Presshärten bereits in der Abschreckphase durchlaufen hat. Für die Nutzung der thermischen Energie des Presshärteprozesses in einem unmittelbar nachgelagerten Thermoformprozess lagen bislang keine Auslegungskriterien vor, welche eine effiziente und integrierte Prozesskette ermöglicht hätten.

Zur Schließung dieser Wissenslücke wurde in der vorliegenden Arbeit eine Untersuchung der Prozessintegrierbarkeit von Prozessketten des Presshärtens von Bor-Manganstählen und des Thermoformens von endlosfaserverstärktem, thermoplastischem FKV durchgeführt. Basierend auf einem eigenentwickelten Presshärtewerkzeug, das zur Einstellung bestimmter Blechzieltemperaturen nach dem Presshärten geeignet ist, wurde eine integrierte Prozesskette zur Herstellung eines stoffschlüssigen Hybridverbunds in einem unmittelbar nachgelagerten Thermoformprozess aufgebaut und untersucht.

Es konnte gezeigt werden, dass durch den Aufbau einer integrierten Prozesskette auf eine erneute Erwärmung des Blechs in einer sequentiellen Prozesskette zur Hybridbauteilherstellung verzichtet werden kann. In der Umformphase des Presshärtens von 3D-Geometrien kommt es zu ungleichen Werkzeug-Blech-Kontakten. Die Folge sind unterschiedlich wirkende Wärmeübertragungs-mechanismen, welche zu unterschiedlichen Abkühlraten führen. Hieraus resultieren eine inhomogene Blechtemperaturverteilung nach Prozessende und lokal variierende mechanische Blecheigenschaften. Die Temperaturunterschiede innerhalb des Blechs wirken sich dabei lokal negativ auf die stoffschlüssige Hybridverbindung aus, welche in einem nachgelagerten Thermoformprozess erzielt werden soll. Zur Einstellung einer homogenen Blechtemperaturverteilung bei definierter Blechzieltemperatur wurde auf Basis eines numerischen Vorgehens ein Presshärtewerkzeug abgeleitet, das die Einstellung einer homogenen Blechtemperatur nach Prozessende erlaubt. Durch die Einstellung einer bestimmten Blechzieltemperatur in einer integrierten Prozesskette konnte eine deutliche Zunahme der Verbundfestigkeit zwischen Blech und FKV erreicht werden. Unerwünschter Nebeneffekt war dabei eine leichte Reduktion der Zugfestigkeit des Blechs in der Hybridkomponente.

Zur Untersuchung des Einflusses der Prozessführung auf die mechanischen Eigenschaften generischer Fahrzeugstrukturen wurde ein Demonstrator abgeleitet. Die Untersuchung der prozessintegriert hergestellten hybriden Demonstratoren ergab ein signifikant gesteigertes Lastaufnahmevermögen hybrider Bauteile trotz Reduzierter Zugfestigkeit der Blechkomponente in Folge der Einstellung einer bestimmten Blechzieltemperatur. Durch die Nutzung der thermischen Energie des Blechs aus dem Prozess des Presshärtens konnte eine unmittelbare Reduzierung des Wärmebedarfs bei der Hybridbauteilherstellung beobachtet werden. Das ermittelte Wissen zur Prozessführung kann genutzt werden, um Leichtbauziele durch den Einsatz hybrider Fahrzeugkomponenten auf Basis von Bor-Manganstählen zu erreichen.