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Zerstörungsfrei Pressgehärtete Karosserieteile prüfen

| Autor / Redakteur: Bernd Wolter / Dietmar Kuhn

Pressgehärtete Bauteile sind für den Leichtbau unverzichtbar. Sie erfordern ein hohes Maß an Sicherheit und Stabilität. Das Fraunhofer-Institut für Zerstörungsfreie Prüfverfahren (IZFP) hat Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung von Qualitätsmerkmalen pressgehärteter Bauteile entwickelt. Damit können Zielgrößen von Stählen und Beschichtungen innerhalb weniger Sekunden bestimmt werden.

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Automatisierter Einsatz von 3MA (mikromagnetische, multiparametrische Mikrostruktur- und Spannungs-Analyse).
Automatisierter Einsatz von 3MA (mikromagnetische, multiparametrische Mikrostruktur- und Spannungs-Analyse).
(Bild: Fraunhofer-IZFP)

Bei der Fertigung von Karosserie-Strukturbauteilen, wie beispielsweise A- und B-Säulen, Längsträger, Schweller und andere, setzt die Automobilindustrie vermehrt auf das „Form-“ oder „Presshärten“. Bauteile aus pressgehärtetem Stahl werden zum Insassenschutz bei Unfällen vor allem in der Fahrgastzelle eingesetzt. Daher dürfen nur fehlerfreie und qualitativ hochwertige Bauteile verarbeitet werden. Die Hauptverantwortung trägt dabei nicht der Stahllieferant, sondern der presshärtende Hersteller oder Zulieferer, da der Stahl erst durch das Presshärten die Härte, Festigkeit und Dehnung erhält, die sein optimales Crashverhalten gewährleisten.

Pressgehärtete Bauteile müssen auf Härte, Zugfestigkeit und Dehngrenze geprüft werden

Zur Sicherung der Bauteilqualität müssen alle Teilprozesse des Presshärtens präzise gesteuert und aufeinander abgestimmt werden. Bei Prozessstörungen besteht selbst dann ein Restrisiko für unerwünschte Ergebnisse. Daher müssen wichtige Qualitätsmerkmale pressgehärteter Bauteile, vor allem Härte, Zugfestigkeit (Rm), Dehngrenze (Rp0.2), Bruchdehnung (A50) und Gleichmaßdehnung (Ag), also die mechanisch-technologischen Eigenschaften des Stahls – zumindest stichprobenartig geprüft werden. Gleiches gilt für die Qualität der als Zunderschutz dienenden Beschichtung, da diese die anschließenden Verarbeitungsschritte wie das Fügen oder die KTL-Lackierung beeinflusst. Bei der gängigen AlSi-Beschichtung müssen die Gesamtschichtdicke (GSD) und die Dicke der sich im Ofen bildenden Diffusionsschicht (DSD) bestimmte Vorgaben erfüllen. Natürlich muss das umgeformte Bauteil auch fehlerfrei sein, es darf also keine Risse, Einschnürungen oder Faltungen aufweisen.

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Die Kritikalität des Prozesses und der Produkte erfordert einen erheblichen Prüf-umfang bei hoher Prüfhäufigkeit. Zerstörende Verfahren wie Zugversuch, Härteprüfung oder Metallografie sind allein schon wegen der aufwendigen Probenpräparation mit erheblichen Prüfkosten verbunden. Problematisch ist zudem der hohe Zeitaufwand zerstörender Prüfungen, der dazu führt, dass Prozessstörungen erst spät erkannt und oft erst dann korrigiert werden können, nachdem bereits in erheblichem Umfang Ausschuss produziert wurde. Dies ist völlig inakzeptabel in der automobilen Großserienproduktion. Charakteristisch für pressgehärtete Bauteile sind außerdem Übergangsbereiche mit steilem Gradient der Werk-stoffeigenschaften. Diese Bereiche können mittels Zugversuch nicht sinnvoll geprüft werden.

Das Fraunhofer-IZFP hat deshalb Verfahren entwickelt, mit denen die oben beschriebenen Qualitätsmerkmale pressgehärteter Bauteile zerstörungsfrei geprüft werden können. Zur Fehlerprüfung am Bauteil werden dabei elektromagnetische Ultraschall-(EMUS-)Wandler eingesetzt, die den koppelmittel- und kontaktfreien Nachweis von Rissen und Einschnürungen im Bauteil mittels Ultraschall ermöglichen. Besonderes Augenmerk galt der zerstörungsfreien Prüfung der Eigenschaften von Stahl und Beschichtung. Für diese Aufgabe erwies sich die „mikromagnetische, multiparametrische Mikrostruktur- und Spannungs-Analyse“ (3MA) als besonders geeignet. Mit 3MA werden als sogenannte „Prüfgrößen“ die elektromagnetischen Eigenschaften des Bauteils messtechnisch erfasst.

Prüftechnik für die Presshärte-Anwendung kalibrier

In einem ferromagnetischen Werkstoff weisen diese Prüfgrößen Korrelationen zu den sogenannten „Zielgrößen“ auf, in pressgehärtetem Stahl also zu dessen mechanisch-technologischen Eigenschaften. Desgleichen ist bei AlSi-beschichteten Bauteilen die Diffusionsschicht ferromagnetisch, weswegen die Eigenschaften der Beschichtung mögliche Zielgrößen für 3MA darstellen.

Zunächst musste die 3MA-Prüftechnik für die Anwendung an pressgehärteten Bauteilen kalibriert werden. Hierfür wurden die Zusammenhänge zwischen Prüf- und Zielgrößen auf Basis experimenteller Daten ermittelt und damit für jede Zielgröße eine Auswertefunktion bestimmt, die den mathematischen Zusammenhang zwischen der Zielgröße und den Prüfgrößen beschreibt. Kalibriert wurden die Zielgrößen Härte, Rm, Rp0.2, A50 und Ag des Stahls, sowie GSD und DSD der Beschichtung. Mit dem kalibrierten 3MA-Prüfsystem kann nun ein quantitativer Wert für jede dieser Zielgrößen zerstörungsfrei bestimmt werden. Ein einzelner Prüfvorgang von circa 6 s Dauer liefert alle Prüfinformationen. Auch unbeschichtete Bauteile und Bauteile mit organisch-anorganischer beziehungsweise mit Zn- oder Zn/Ni-Beschichtung können nach Kalibrierung des Beschichtungssystems geprüft werden.

Nachweis über beabsichtigte Anwendung wurde erbracht

Bisher ist die 3MA-Prüftechnik nicht genormt. Daher musste der Nachweis geführt werden, dass 3MA für die beabsichtigte Anwendung geeignet ist. Hier eröffnet die DIN EN ISO/IEC 17025 den Weg über eine Verfahrensvalidierung durch ein akkreditiertes Prüflabor, wie es am Fraunhofer-IZFP verfügbar ist. Neben der Validierung wurde auch eine Messmittelfähigkeitsanalyse durchgeführt, da das Prüfmittel „3MA“ hier quasi als Messmittel eingesetzt wird. In der Automobilproduktion muss die Eignung eines Messmittels nachgewiesen werden, obwohl solche Messmittelfähigkeitsanalysen bisher nicht in einer Norm festgelegt sind. Bezüglich der Messunsicherheiten und Kenngrößen der Messmittelfähigkeit ist 3MA vergleichbar mit der zerstörenden Prüfung. 3MA wird mittlerweile von einigen Automobilherstellern und -zulieferern fertigungsbegleitend in der Produktion eingesetzt, üblicherweise als manuelles Prüfverfahren. 3MA ist allerdings vollständig automatisierbar und kann auch als Inline-Prüfverfahren eingesetzt werden.

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