Pressgehärtete Karosserieteile machen Autos leichter und sicherer

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MaSuB GmbH - Maschinen für die Schweißnahtvorbereitung und Blechbearbeitung

LVD GmbH

CoastOne Deutschland

Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU

Die thermische Prozessführung orientierte sich eng an dem Prozessfenster für das Presshärten von Blechbauteilen. Die bisher realisierten Gutteile wurden mit einem Umformdruck von maximal 70 MPa umgeformt beziehungsweise auskalibriert und verblieben zum Abkühlen für weitere 5 s im geschlossenen Werkzeug. Eine Taktzeit von 40 s wurde aktuell im Versuchsstadium erreicht, für mögliche Serienanwendungen ist eine Taktzeit von 30 s realistisch (Bild 6).

Versuche mit geheiztem und gekühltem Warmumform-Werkzeug durchgeführt

Auf dem Euroblech-Messestand wurde zudem ein Versuchswerkzeug zum wirkmedienbasierten Presshärten gezeigt. Im Rahmen eines von der AIF über die Europäische Forschungsgesellschaft Blech (EFB) geförderten Projektes wurde ein Werkzeug ausgelegt und gefertigt, mit dem sowohl Untersuchungen mit beheiztem als auch mit gekühltem Werkzeug durchgeführt werden konnten. Zudem wurde das Versuchswerkzeug in der Schalenbauweise konstruiert, um ein konturnahes Kühlsystem zu implementieren. Die Heiz- und Kühlsysteme lassen neben der Untersuchung des Einflusses der Werkzeugtemperatur auf den Presshärteprozess auch Untersuchungen zum Tailored Tempering zu, wodurch gezielt gradierte Eigenschaften im Bauteil eingestellt werden können [4].

Auch auf dem Gebiet der Prozessüberwachung und -datenerfassung ist das Testwerkzeug dahingehend modifiziert, dass die Messung der Bauteiltemperatur an mehreren Punkten über den Umformprozess möglich ist. Dadurch konnten Abkühlkurven über den gesamten Prozess aufgenommen und genaue Kenntnisse über das thermische Verhalten des Bauteils und des Werkzeugs im Prozess erlangt werden. Dies ist insbesondere für die Verbesserung von Simulationen des IHU- und Presshärtevorgangs sowie die Verringerung der Taktzeit von entscheidender Bedeutung.

Ein Mittelklassewagen wird mit Warmumformteilen etwa 20 kg leichter

Bild 7 zeigt das ausgestellte Presshärtewerkzeug mit einem Schalenaufbau, wobei die Kühlkanalquerschnitte jeweils halbseitig in den Werkzeugrundkörper und die Werkzeugaktivteilschale eingebracht wurden.

Durch den Einsatz von pressgehärteten Bauteilen können bei einem Mittelklassefahrzeug bis zu 20 kg Gewicht eingespart werden. Dies senkt einerseits in der Fahrzeugherstellung den Bedarf an Stahl um circa 68 kg pro Rohkarosserie und andererseits in der Nutzungsphase den Kraftstoffverbrauch um circa 20 l pro Jahr [5].

Temperaturunterstützte wirkmedienbasierte Umformprozesse bieten für eine große Anzahl von Werkstoffen ein erhebliches Potenzial zur Verschiebung der Prozessgrenzen, was neben komplexeren Geometrien auch zu einer Verkürzung der Prozessketten, beispielsweise durch Entfall von Zwischenglühoperationen, führt.

Durch innovatives Temperaturmanagement im Umformwerkzeug bestehen sehr gute Voraussetzungen für die Serienanwendung der Technologie, auch hinsichtlich erreichbarer Zykluszeiten und Robustheit der Umformprozesse. Das Verfahren der temperierten Innenhochdruck-Umformung mit integriertem Presshärten bietet eine gute Wiederholgenauigkeit des Prozesses mit reproduzierbarer Bauteilgeometrie (Festigkeit, Geometrie, Umformgrad). Die untersuchten Bauteilgeometrien in Zusammenhang mit unterschiedlichen Werkstoffen repräsentieren ein breites Anwendungspotenzial für einen Serieneinsatz.

Im Rahmen der bisherigen Untersuchungen konnten die Verfahrensgrenzen detektiert sowie die Prozessparameter optimiert und in Verbindung mit der numerischen Prozessauslegung verifiziert werden. Weiterhin konnten wichtige Erkenntnisse zur Gestaltung der Umformwerkzeuge, deren Kühlung sowie zu Anforderungen an die Anlagen- und Sicherheitstechnik gewonnen werden.

Literatur

• [1] Goede, M.; Ferkel, H.; Stieg, J.; Dröder, K.: Mischbauweisen Karosseriekonzepte – Innovationen durch bezahlbaren Leichtbau. Tagungsband 14. Aachener Kolloquium Fahrzeug- und Motorentechnik, Aachen 2005.

• [2] Goede, M.: Mischbaustrategien im Karosseriekonzept, Umsetzung und Planung. In: Neugebauer, R. (Hrsg.): Karosserien fertigen – nachhaltig und effizient. 6. Chemnitzer Karosserie-Kolloquium (CBC), 2011.

• [3] Neugebauer, R.; Schieck, F.: Hydro Forming at Elevated Temperatures. In: „Proceedings of the 4th International Conference on Tube Hydroforming (Tubehydro 2009), September, 6-9, Kaohsiung, Taiwan, pp. 234-239.

• [4] Pierschel, N.: „Temperierte Innenhochdruck-Umformung mit integriertem Presshärten“. Diplomarbeit, TU Chemnitz/Fraunhofer-IWU 2011

• [5] Khare, A.; Bellmann, K.: Response of German Car Manufacturers to the European Union Directive on Reducing CO₂ Emissions from Passenger Cars – Research Report. Mainz, CMPP, 2008.

* Dipl.-Ing. André Albert ist Gruppenleiter Wirkmedienumformung und Sonderverfahren am Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU in 09126 Chemnitz, Dipl.-Ing. Frank Schieck, Dipl.-Wirtsch.-Ing. Alexander Paul und Dipl.-Ing. (BA) Stefan Polster sind wissenschaftliche Mitarbeiter am selben Institut

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