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Untersuchung einer integrierten Prozesskette für das Presshärten und Thermoformen

Affiliation/Institute
Institut für Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik
Demes, Michael

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.

A consideration of the use of continuous fibre-reinforced FRP semi-finished products on thin, hot stamped sheet metal structures initially leads to the assumption that the cost factor does not allow implementation in practice. The background here is the high material costs for the FRP semi-finished products. However, if the use of these material components is controlled in a targeted manner, it is possible to manufacture lightweight car body components without making the overall material costs uneconomical. However, the very good understanding of the mechanical properties and the possible application potential of these hybrid components in the vehicle body contrasts with a lack of suitable manufacturing processes. The production of such components has so far only been carried out in sequential processes of sheet metal and plastics processing. This resulted in complex process chains with additional logistics and handling steps. When applying FRP in a thermoforming process, the sheet temperature is of central importance with regard to the composite properties. A targeted change in this temperature has a direct influence on the resulting workpiece. Here, the sheet is heated to a temperature level that it has already passed through in the quenching phase during hot stamping. For the utilisation of the thermal energy of the hot stamping process in an immediately downstream thermoforming process, there have been no design criteria so far that would have enabled an efficient and integrated process chain.

In order to close this knowledge gap, an investigation of the process integrability of process chains of the hot stamping of boron-manganese steels and the thermoforming of continuous fibre-reinforced, thermoplastic FRP was carried out in the present work. Based on a hot stamping tool developed in-house, which is suitable for setting specific sheet target temperatures after hot stamping, an integrated process chain for the production of a materially bonded hybrid composite in an immediately downstream thermoforming process was set up and investigated.

It could be shown that by setting up an integrated process chain, a renewed heating of the sheet metal in a sequential process chain for hybrid component production can be dispensed with. In the forming phase of hot stamping 3D geometries, unequal tool-sheet contacts occur. This results in differently acting heat transfer mechanisms, which lead to different cooling rates. This results in an inhomogeneous sheet temperature distribution after the end of the process and locally varying mechanical sheet properties. The temperature differences within the sheet have a locally negative effect on the adhesive hybrid joint, which is to be achieved in a downstream thermoforming process. For the adjustment of a homogeneous sheet temperature distribution at a defined sheet target temperature, a hot stamping tool was derived on the basis of a numerical procedure, which allows the adjustment of a homogeneous sheet temperature after the end of the process. By setting a specific target sheet temperature in an integrated process chain, a significant increase in the bond strength between sheet and FRP could be achieved. An undesired side effect was a slight reduction in the tensile strength of the sheet in the hybrid component.

A demonstrator was derived to investigate the influence of process control on the mechanical properties of generic vehicle structures. The investigation of the process-integrated hybrid demonstrators showed a significantly increased load-bearing capacity of hybrid components despite the reduced tensile strength of the sheet metal component as a result of setting a specific target sheet metal temperature. By using the thermal energy of the sheet metal from the process of hot stamping, an immediate reduction of the heat demand during the hybrid component production could be observed. The knowledge gained about process control can be used to achieve lightweight construction goals through the use of hybrid vehicle components based on boron-manganese steels.

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