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Ausgewählte Ausgabe: 06-2017 Ansicht: Modernes Layout
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Verbesserung der Umformbarkeit von Aluminium

Aufgrund verschiedener Einflussfaktoren steigt das Gewicht der Fahrzeuge in der Automobilindustrie jährlich an. Nicht nur kundenseitige Anforderungen nach mehr Komfort und die damit verbundenen Zusatzausstattungen, sondern auch gesetzliche Regularien in Bezug auf die Sicherheit der Insassen tragen zu dieser Entwicklung bei. Zeitgleich werden neue staatliche Regelungen verabschiedet, die eine strikte Minimierung des CO2-Ausstoßes fordern, welcher eng mit dem Fahrzeuggewicht verknüpft ist. Eine Möglichkeit zur Erfüllung dieser gegensätzlichen Anforderungen stellt der Stoffleichtbau dar, bei dem durch die Substitution von Stahl durch moderne Leichtbauwerkstoffe eine Reduktion des Karosseriegewichts erzielt werden kann.


Insbesondere Aluminiumlegierungen besitzen aufgrund der Kombination guter mechanischer Eigenschaften bei gleichzeitig geringer Dichte ein hohes Potenzial zur Gewichtseinsparung. Allerdings bietet der Werkstoff im Vergleich mit weichen Stahlgüten eine deutlich geringere Umformbarkeit. Dieser Umstand verhindert häufig den Einsatz von Aluminiumlegierungen bei Bauteilen mit hoher Ziehtiefe und engen Radien, die aus Design- und Konstruktionsanforderungen hervorgehen. Eine Möglichkeit, um den Einsatz von Aluminium für komplexe Bauteilgeometrien zu realisieren, ist der Einsatz von maßgeschneidert wärmebehandelten Aluminiumblechen, den sogenannten Tailor Heat Treated Blanks (THTB).

Tailor Heat Treated Blanks

Bild 1 Wirkprinzip der Tailor Heat Treated Blanks am Beispiel einer Seitentür.

Bild 1
Wirkprinzip der Tailor Heat Treated Blanks am Beispiel einer Seitentür.

THTBs sind Aluminiumbleche mit lokal unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften, welche durch eine lokale Kurzzeitwärmebehandlung eingestellt werden. Bei Aluminiumlegierungen der 6000er Serie lösen sich durch die thermische Einwirkung die für die Legierungsklasse charakteristischen Magnesium-Silizium-Ausscheidungen in der Aluminiummatrix. Somit reduziert sich die Anzahl der Hindernisse für die Versetzungsbewegung bei der Umformung, was zu einer Entfestigung des Werkstoffes führt. Dadurch kann der Materialfluss gezielt aus Bereichen geringer Festigkeit in die umformkritischen Bereiche gelenkt werden, wodurch der Versagenseintritt verzögert werden kann (Bild 1). Bei der Anwendung von THTBs zur Verbesserung von Umformprozessen kommt der numerischen Auslegung der Wärmebehandlungslayouts und der Applikation der Layouts auf den Blechen besondere Bedeutung zu.

Numerische Auslegung von maßgeschneiderten Halbzeugen

Durch langjährige Forschungsaktivitäten im Bereich der THTBs wurden Methoden zur numerischen Auslegung von Wärmebehandlungslayouts erarbeitet, die in Abhängigkeit von Umformprozess und Werkstoffwahl zu einer deutlichen Verbesserung des Umformergebnisses führen. Ausgehend von einer Analyse des Umformprozesses werden die Spannungs- und Dehnungsverteilungen analysiert, kritische Umformzonen identifiziert und daraus eine optimale Festigkeitsverteilung abgeleitet.

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Bild 2
Vergleich von konventionellen und maßgeschneiderten Platinen am Beispiel eines tiefgezogenen Kreuznapfes.

Die Modellierung des elastisch-plastischen Verhaltens basiert auf einer umfassenden Werkstoffcharakterisierung in Abhängigkeit der Wärmebehandlungsparameter. Das für die Einstellung der Festigkeitsverteilung notwendige Wärmebehandlungslayout wird invers ermittelt und in einer thermischen Simulation abgebildet. Aus der berechneten Temperaturverteilung werden anschließend die resultierenden mechanischen Eigenschaften abgeleitet, einschließlich der Übergangsbereiche in den Wärmeeinflusszonen. Durch die Kopplung der Wärmebehandlungssimulation mit der Umformsimulation kann das maßgeschneidert wärmebehandelte Blech im Folgenden direkt in den Tiefziehprozess übertragen werden. Abschließend erfolgt eine Bewertung des umgeformten Bauteils bezüglich der Erweiterung der Formgebungsgrenzen sowie der Faltenbildung und dem Platineneinzug. Diese Erkenntnisse werden dazu genutzt sowohl die Platinengeometrie als auch das Wärmebehandlungslayout anzupassen, um ein optimales Resultat zu erzielen (Bild 2).

Laserkurzzeitwärmebehandlung

Um eine lokale Wärmebehandlung der Platine zu realisieren, können verschiedene Aufheizmethoden verwendet werden. Zu diesen gehören Konduktion, Induktion und strahlungsbasierte Verfahren. In der Forschung und Prototypenfertigung ist vor allem die laserinduzierte, lokale Aufheizung der Platinen von besonderem Interesse, da diese eine hohe Flexibilität mit schnellen Aufheizraten kombiniert. Für Aluminiumlegierungen eignen sich vor allem Diodenlaser, die aufgrund ihrer kurzen Wellenlänge eine gute Absorption durch das Material gewährleisten.

Seite des Artikels
Autoren

M.Sc. Matthias Graser

Wissenschaftlicher Mitarbeiter
Gruppe Maßgeschneiderte Halbzeuge
Lehrstuhl für Fertigungstechnologie
Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg

M.Sc. Julia Degner

Gruppenleiterin Maßgeschneiderte Halbzeuge
Lehrstuhl für Fertigungstechnologie
Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg

Dipl.-Ing. Wolfgang Böhm

Projektleiter Blechleichtbau
Neue Materialen Fürth GmbH

Prof. Dr.-Ing. habil. Marion Merklein

Ordinaria am Lehrstuhl für Fertigungstechnologie

Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg
Lehrstuhl für Fertigungstechnologie
Egerlandstraße 13
91058 Erlangen
www.fau.de

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