Neue Materialien = größeres Prozessrisiko ? EDAG-Forum

EDAG-Forum Karosserie

Fulda, 23.Juni 2005

Neue Materialien = größeres Prozessrisiko ?

Neue Materialien = größeres Prozessrisiko ?Fol ie 2

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Leichtbau: Material und Fertigungstechnik

Einflussgrößen auf die ProzesssicherheitF

F

F

F

FF

FF

F

F

FF

FF

F

F

FF

Prozessrisiko: Grenzformänderung und Prozessfenster


Anforderungen Automobilindustrie: Erfüllung der Sicherheitsanforderungen

( New Car Assessment Program ) Erheblich verringerter Kraftstoffverbrauch Verbesserte Umweltverträglichkeit Kostengünstige Großserien-Produktion

→ Trend zum LEICHTBAU



Leichtbau:

… ist nicht die Werkstoffsubstitution

… ist die Summe aus Anwendungen der Konstruktionstechnik, Werkstofftechnik, Umformtechnik und Verbindungstechnik

Konstruktions-techik

Werkstoff-techik

Fertigungs-techik

Fertigungs-techik

Umformtechnik

Verbindungs-technik



Sta

hl u

ndE

isen

Ela

stom

ere

Son

stig

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Kun

stst

offe

Alu

min

ium

Son

stig

e N

E-M

etal

le

Baujahr 2005

Baujahr 1995

Baujahr 1985Baujahr 1975

74

13

6 3 4

68

13

5 4

63

1413

6 4

55

14 15

106

0

10

20

30

40

50

60

70

80

Werkstoffverteilung beim PKWin Deutschland (Gewichts-%)

10


Trotz Zunahme von Kunststoff-, Aluminium- und Magnesiumkomponenten hat der Pkw Leichtbau die Entwicklung von höher- und hochfesten Stählen forciert

Werkstoffverteilung beim PKW


0

10

20

30

40

50

60

70

0 400 600 1000200 800 1200Untere Streckgrenze [MPa]

Bru

chd

ehn

ung

[%

]

W eiche Tiefziehgüten

Martensitische StähleTRIP-StähleDP-/MP-Stähle

CMnHöherfeste mikrolegierte Stähle

BH-Stähle

Höherfeste IF-Stähle

IF-Stähle

Isotrope Stähle

LSS< 210 MPa

UHSS> 550 MPa

HSS210 - 550 MPa

Neue hochfeste Materialien - Potential und Anforderung



0

10

20

30

40

50

60

70

0 400 600 1000200 800 1200Untere Streckgrenze [MPa]

Bru

chd

ehn

ung

[%

]

Warmumformung

Walzprofilieren und Biegen

Tiefzieheneinfache Geometrie

Tiefziehenkomplexe Geometrie

Halbwarm-umformung

Hydromec

Umformverfahren (Prozesse)



Grenzformänderungsdiagramm

Ermittlung der Formänderung

Hauptdehnung

Hau

ptde

hnun

g

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

-0,3 -0,2 -0,1 0 0,1 0,2 0,3 0,4-0,4

Grenze der Einschnürung

Bruchgrenze



Vergleichsdehnung

Werkstoffbeschreibung

Fliesskurve


Flie

sssp

annu

ng k

f[N

/mm

²]

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2

Dehnung

Deh

nung

Grenzformänderung

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

-0,4 -0,3 -0,2 -0,1 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6

Deh

nung

AlMgSi05 DP600 St14


Umformmechanismen


Tiefziehen

= ln(d0/d1)d0

d1

z.B. Eckengeometrie von R10 in Tiefe 30mm: → =0,34

Dehnung

Deh

nung

Grenzformänderung

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

-0,4 -0,3 -0,2 -0,1 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6

Deh

nung

Biegen

Vergleichsdehnung

Flie

sssp

annu

ng k

f[N

/mm

²]

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2

Fliesskurve

Bodenreisser

R

s0

= ln(s0/2R) z.B. Radius R3 bei Blech Dicke 0,7 mm: → =0,08


Systemabhängigkeit der Tiefziehfähigkeit

f1, f2

Tiefziehfähigkeit

Prozessfenster

f1 (Umformprozess)

f1 = BlechGeometrie (Dicke, Oberflächenrauheit, etc.)Werkstoff (Streckgrenze, Zugfestigkeit, Gleichmaßdehnung, E-Modul)Anisotropie r- und n-Wert

f1(Blech)

f2 = UmformprozessWerkzeug:

Geometrie (Abmessung, Oberfläche)Werkstoff (Art, Härte)

Schmierstoff:Art, Menge

Maschine:Ziehgeschwindigkeit, Niederhaltersteuerung, Steifigkeit, Umformtemperatur



Gutteilbereich

Prozessfenster


max

sG

renzziehverh

ältni

FaltenbildungNie

derh

alte

rkra

ft

Ziehverhältnis ß

Bodenreißer

Zarge

Boden Flansch


Prozessstabilität

kontinuierliche Erfüllung der Qualitätsanforderungen (bezogen auf das Bauteil)

Anforderung:

Erfassen von Abweichungen

Reaktion auf Abweichungen

VoraussetzungProzeßverständnis geeignete Analyse

Voraussetzung geeignete Anlage geeignete Stellglieder


Hohe technische Verfügbarkeit (bezogen auf Werkzeug und Maschine)


Chargenschwankungen

Platine Geometrie: Zuschnitt und Blechdicke

Materialeigenschaften: Rp0,2, Rm, Ag

Schwankungsbreiten in einem beobachteten Serienprozess über 10 Chargen:

Schwankungsbreite Blechwerte

0,00%

5,00%

10,00%

15,00%

20,00%

25,00%

Rp0,2 Rm s

Kennwert

Abw

eich

ung

[%]

Material Blech

Einflussgrößen auf die Prozesssicherheit

DP 600Wanddicke 1,5 mm

0,00

0,10

0,20

0,30

0,40

0,50

0,60

0,70

Rp0,2 Rm s

Âuswirkung Schwankungsbreite auf Rückfederung

Verä

nder

ung

Rüc

kspr

ung

[mm

]



Stellgrößen zur Beeinflussung der Rückfederung

Radius am Ziehring Form und Lage der Ziehsicken

Niederhalterkraft und Kraftverteilung

Einflussgrößen auf die Rückfederung

Blechdicke Biegeradien an Stempel, Matrize und Ziehsicken Krümmung der Biegekanten (Profil) Endbeschnitt und Lochung Ziehtiefe


Niederhaltersteuerung


Einfluss Niederhalterkraft auf Rückfederung

3

3,5

4

4,5

5

5,5

0 10 20 30 40 50 60Niederhalterkraft [kN]

Vers

chie

bung

Aus

senp

unkt

[mm

]

Verschiebung normal Verschiebung tangential Verschiebung gesamt


System Zieheinrichtung / Werkzeug für eine Vielpunktansteuerung

FF

FF

FF

Halten Fließen

gezielte Bereichsansteuerung

direkte Krafteinleitung

unabhängige Bereiche auf der Niederhalteroberfläche


Quelle: Schuler


Pin 2 = 100 kN

Pin 2 = 200 kN

Druckverteilung beim massiven Niederhalter

FF

FF

FF


Quelle: Schuler


Pin 3 = 100 kN

Pin 3 = 200 kN

Druckverteilung beim segment-elastischen Niederhalter

FF

FF

F


Quelle: Schuler


Krafteinleitungspunkte

1000 kN

1000 kN 1000 kN

150 kN150 kN 150 kN

Druckverteilung


Quelle: Schuler


1

2 3 4 5

6

7

168 9 10

11 12 13

1514a

14b

1

2 3 4 5

6

7

168 9 10

11 12 13

1514a

14b

Zylinderanordnung

beeinflußte Bereiche


Quelle: Schuler



Einfluß der Ziehstablage auf die Rückfederung


Wechselbeziehungen in der Fertigungstechnik

Material

Verfahren Konstruktion

Maschine

Logistik

Kalkulation

CAD

Berechnung

Design

Crash

Fügen

Umformen

Bauteil



Prozessstabilität:

… ist nicht die Frage nach dem Werkstoff

… liegt in der Verantwortung der Werkstofftechnik, Umformtechnik und Verbindungstechnik


fertigungsgerechteKonstruktion

VerfahrensbezogeneWerkstofftechnik

konstruktions- und materialspezifischeFertigungstechnik

Quelle: Gestamp


Vielen Dank

für IhreAufmerksamkeit

Prof. Dr. – Ing.BerndEngel


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