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Flexible Fertigung Profile aus einphasigen hochfesten Stählen

Ein Gastbeitrag von Bernd Engel, Peter Frohn-Sörensen, Stefanie Fruhstorfer, Marco Gösling und Jörg v. Prondzinski 5 min Lesedauer

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Bilstein GmbH & Co. KG
Hans Schröder Maschinenbau GmbH
MaSuB GmbH - Maschinen für die Schweißnahtvorbereitung und Blechbearbeitung
LVD GmbH

Fahrzeugkonzepte in Stahlbauweise können durch den gezielten Einsatz von hochfesten Profilen ein hohes Potenzial bzgl. Kostenreduktion und Leichtbau haben. Für den Wandels von Verbrennungsmotoren zu elektrisch angetrieben Fahrzeugen können profilintensive Fahrzeugkonzepte insbesondere durch die Möglichkeit, Profile flexibel und skalierbar auf unterschiedliche Fahrzeugvarianten anzupassen, eine interessante Alternative sein.

Inkrementell gebogene Profile aus DP800 (oben) und AHSLA.(Bild: Bilstein)
Inkrementell gebogene Profile aus DP800 (oben) und AHSLA.
(Bild: Bilstein)

Ein flexibles Fertigungsverfahren zur Herstellung von gekrümmten Profilen ist das inkrementelle Schwenkbiegen. Dabei werden offene Profile reibschlüssig geklemmt und kinematisch durch Schwenkbiegen umgeformt. Durch mehrere Umformschritte wird der erforderliche Biegeradius bzw. die Profilkrümmung erreicht. Die Formgebung erfolgt auf einem universellen, vom Produkt unabhängigen Werkzeug. Dadurch ist das inkrementelle Schwenkbiegen sehr werkzeug- und investitionsarm und für eine variantenintensive Fertigung geeignet.

Als Werkstoffe für das inkrementelle Schwenkbiegen sind insbesondere Werkstoffe geeignet, die sich durch ein hohes lokales Umformvermögen auszeichnen. Solch ein hohes lokales Umformvermögen weist beispielsweise hochfestes Kaltband auf.

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Lochaufweitvermögen fast doppelt so groß

Diese als Advanced High Strength Low Alloy Steels (kurz AHSLA-Stähle) bezeichneten Werkstoffe sind einphasige, mikrolegierte und kaltgewalzte Blechwerkstoffe. Im Zugfestigkeitsbereich zwischen 500 und 1000 MPa sind sie für automobile Anwendungen seit langen etablierte Werkstoffe. Entsprechend der Mindest-Streckgrenze als CR500LA bis CR1000LA benannt, zeichnen sie sich durch ein hohes Streckgrenzenverhältnis aus. Dies macht diese Werkstoffe besonders für rollprofilierte Profil-Anwendungen interessant. So werden beispielsweise automobile Sitzschienen aus CR800LA hergestellt. Ein weiterer Vorteil dieser Werkstoffgruppe ist das hohe lokale Umformvermögen. Dies kann beispielsweise mithilfe des Lochaufweitvermögens (Hole Expansion Ratio HER) charakterisiert werden. Beim Lochaufweitversuch wird ein gestanztes und 10 Millimeter großes Loch mithilfe eines Kegelstempels aufgeweitet, bis an der Kante ein Riss zu erkennen ist. Ein Vergleich zwischen einem CR800LA und einem Dualphasenstahl DP800 zeigt das gute lokale Umformvermögen der AHSLA-Sorten. In diesem Fall ist das Lochaufweitvermögen des CR800LA im Vergleich zum DP800 fast doppelt so groß.

Obwohl diese beiden Werkstoffe die gleiche Zugfestigkeit haben, weisen Profile aus diesen Werkstoffen deutliche Unterschiede auf. Durch Umformsimulationen können die Streckgrenzen der Profile dargestellt werden, die sich durch die Profilherstellung einstellen.

Unterschiede beim Rissversagen im Dreipunktbiegeversuch

Da das Blech bei der Profilherstellung nur in den Radien umgeformt wird, verändert sich auch nur hier die Streckgrenze. Deshalb haben die Profile auch nur hier eine annähernd gleiche Streckgrenze. Die restlichen, ebenen Bereiche des Profils sind sehr unterschiedlich und entsprechen der Ausgangssteckgrenzen der Materialien. Das Profil aus dem mikrolegierten CR800LA ist dadurch insgesamt deutlich fester als das Profil aus dem DP800. Der Unterschied liegt bei ca. 350 MPa. Das macht sich z.B. beim Energieaufnahmevermögen der Profile bemerkbar. So ist die notwendige Kraft um ein Profil zu deformieren für einen CR800LA deutlich höher als für einen DP800. Dies zeigte sich beispielsweise in 3-Punkt-Biegeversuchen. In solchen 3-Punkt-Biegeversuchen wurde zunächst das kontinuierliche Biegen von Profilen untersucht. Dazu wurden U-Profile aus DP800 und CR800LA durch Abkanten hergestellt und anschließend in einem 3-Punkt-Biege-Versuch bis zum Versagen belastet.

Beim Rissversagen im Dreipunktbiegeversuch zeigten sich deutlichen Unterschiede zwischen den beiden Profilen. Während der CR800LA eine Einschnürung aufweist, zeigt der DP800 einen klaren Riss ohne deutliche Einschnürung. Außerdem tritt der Riss beim DP800 überraschend früh auf, da aufgrund der mechanischen Daten deutlich höhere Umformwege als beim CR800LA zu erwarten waren. Durch Umform-Simulationen konnte gezeigt werden, dass der Riss beim CR800LA aufgrund der Ausschöpfung des globalen Umformvermögens entsteht. Beim DP800 zeigt die Simulation ein anderes Bild. Der Riss beim DP800 entsteht aufgrund seines begrenzten Kanten-Umformvermögens, da die Dehnungen an der Blechkante die Kantenrissgrenze überschreiten.

Ein weiterer Untersuchungsgegenstand war das inkrementelle Hochkantenbiegen von Blechstreifen. Anders als es beim Biegen von Blech üblich ist, wird nicht senkrecht zur Blechdicke, sondern in der Blechebene gebogen. Das bedeutet, dass Zug- und Druckseite nicht der Blechober bzw. -unterseite entsprechen, sondern dass sich Zug- und Druckseite an den Kanten des Bleches befinden. Diese Belastung ist vergleichbar zu der Belastung, wie sie beim zuvor beschrieben Biegen eines Profils auftritt. Die beim inkrementellen Hochkantbiegen kleinsten erreichbaren Biegeradien für einen Dualphasenstahl DP800 und einen mikrolegierten Stahl CR800LA wurden sowohl theoretisch als auch experimentell bestimmt.

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Durch das inkrementelle Hochkantbiegen können bei diesen beiden Werkstoffen vergleichbare Biegeradien erreicht werden. Das ist insofern überraschend, da sich die mechanischen Eigenschaften dieser Werkstoffe bzgl. globaler Maximaldehnung deutlich unterscheiden. Interessant ist auch ein Vergleich der experimentellen Ergebnisse mit den Prognosen von theoretischen Modellen. Während die Modelle für den DP800 eine leichte Überschätzung des Umformvermögens prognostizieren, wird für den CR800LA eine deutliche Unterschätzung gemacht. Das wird auf das höhere lokale Umformvermögen des CR800LA zurückgeführt, das im verwendeten theoretischen Modell noch nicht erfasst wird. Weiterhin ist bemerkenswert, dass für den Dualphasenstahl kaum ein Unterschied vorliegt, wenn die Prognose für das kontinuierliche Biegen mit dem inkrementellen Ergebnis verglichen wird. Beim mikrolegierten CR800LA zeigt sich aber ein deutlicher Unterschied. Für den CR800LA ist durch das inkrementelle Umformverfahren eine deutliche Prozessgrenzenerweiterung möglich. Für den Dualphasenstahl ist durch die inkrementelle Vorgehensweise keine signifikante Verbesserung der erreichbaren Umformgrade erzielbar.

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Flexibel gefertigte Profile im Strukturbau

Abschließend wurden Profile mit gebogenen S-Schlägen aus AHSLA und DP-Stahl als Demonstratoren hergestellt. Als Halbzeuge wurden Hutprofile mittels Abkantpressen gefertigt und anschließend auf einer Try-out-Presse (100 Tonnen) inkrementell gebogen. Dazu wurde das Profil auf einem flexiblen Dorn positioniert und durch die Presse geklemmt. Unter Last schwenkt der Biegeteil des Werkzeugs aus und bewirkt dadurch die kinematische Umformung des Profils. Durch kleine Biegeinkremente und kurze Vorschubwege zwischen den Inkrementen wird eine Überlagerung der Biegezonen von Inkrement zu Inkrement erzeugt und damit der finale Biegewinkel des Profils erreicht.

Zusammengefasst lässt sich feststellen, dass AHSLA-Stähle sehr gut für flexibel gefertigte Profile im Strukturbau geeignet sind. Die hohe Streckgrenze macht diese Werkstoffe aufgrund des hohen Energieaufnahmevermögen für Struktur-Bauteile interessant. Das hohe Streckgrenzenverhältnis bedingt eine homogene Festigkeitsverteilung nach einer Umformung und ist für Roll-Profil-Anwendungen besonders gut geeignet. Das hohe lokale Umformvermögen bewirkt auf der einen Seite ein hohes Lochaufweitverhältnis und lässt damit anspruchsvolle Durchzüge zu. Auf der anderen Seite kann das hohe lokale Umformvermögen bei bestimmten Umformverfahren, wie z.B. dem inkrementellen Schwenkbiegen, dazu führen, dass die Prozessgrenzen deutlich höher liegen, als es die mechanischen Kennwerte der Werkstoffe erwarten lassen.

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