A250
Erweiterung von Prozessgrenzen der Bonded Blank Technologie durch hydromechanische Umformung
(A250 / FOSTA P 780 / S 24/10144/07)
Laufzeit der Forschungsarbeiten: 1. Januar - 30. September 2010 Bei der Doppellagenblechtechnik (Bonded Blanks) werden lokal Bereiche eines Bauteils durch die Verwendung eines Verstärkungsbleches und /oder einer höheren Materialgüte verstärkt. Hierzu wird das Verstärkungsblech auf das Grundblech aufgeklebt. Aufgrund der spezifischen Prozessanforderung kommt hier ein Klebstoff zum Einsatz, der in einem zweistufigen Prozess abbindet bzw. aushärtet. In der ersten Stufe liegt die Klebschicht in Form eines Thermoplasten vor, was den Umformprozess erst möglich macht, da die Klebfuge unter der extrem hohen Umformpressung steht und kein Klebstoff herausgedrückt werden darf. In der zweiten Stufe wird der Klebstoff vernetzt, was zu einer hohen Gebrauchsfestigkeit führt und prozesseffizient in der Trockenstufe der KTL-Einbrennlackierung erfolgt. Das Verstärkungsblech kann dabei eine andere Blechdicke als das Grundblech aufweisen. Die Blechzuschnitte (Grund- und Verstärkungsblech) werden in einem Werkzeug zusammen umgeformt und können sich dabei relativ zueinander verschieben. Die Prozessgrenzen sind durch die maximale Differenz der Festigkeit bzw. Dicke des Verstärkungsbleches und der minimalen Festigkeit bzw. Dicke des Grundbleches vorgegeben. Werden diese Prozessgrenzen überschritten, tritt eine Kerbwirkung auf und ein Reißer wird im Grundblech initiiert. Ziel des Forschungsvohabens war die Erweiterung der Prozessgrenzen der Bonded Blank Technik mit geklebten Platinen durch die hydromechanische Umformung. Das unter anderem anhand der Erkenntnisse in diesem Projekt nachgewiesene Potential der Bonded Blank Technologie könnte in zukünftigen Arbeiten im Rahmen der Erweiterung des Anwendungsspektrums umgesetzt werden. Im Rahmen des Vorhabens wurde eine Verminderung der Kerbwirkung im Grundblech ebenso erreicht wie eine Steigerung der Verhältnisse Festigkeit / Dicke des Grundbleches. Die Erweiterung der Prozessgrenzen durch hydromechanische Umformung konnte erzielt und durch größere fehlerfrei erreichbare Bauteilziehtiefen und im Rahmen von Formänderungsanalysen belegt werden. In diesem Projekt wurde das hydromechanische Tiefziehen in Kombination mit der Klebtechnik unter Verwendung reaktiver Schmelzklebstoffe (Hotmelts) eingesetzt, um eine Verbesserung der Leichtbaueigenschaften und Prozesssicherheit bei der Herstellung lokal verstärkter Bauteile zu erzielen. Das Verfahren des hydromechanischen Tiefziehens zeichnet sich dadurch aus, dass eine der benötigten Werkzeugkomponenten aus Werkzeugstahl durch ein unter Druck gesetztes Wirkmedium ersetzt wird. Im hier vorliegenden Fall wurde anstelle einer Matrize (also dem Gegenstück zum Ziehstempel) ein mit Wirkmedium gefüllter Wasserkasten verwendet. Als Wirkmedium kam Hydrauliköl zum Einsatz. Aufgrund der Verwendung des Wirkmediums kommt es zu einer allseitigen Drucküberlagerung des Bauteils während des Umformprozesses, was sich positiv auf die eingeleiteten Spannungen und die Reibverhältnisse und damit auf die erreichbaren Prozessgrenzen auswirken kann. Um die erforderlichen Umformversuche für das hydromechanische Tiefziehen durchführen zu können, musste ein vorhandenes Werkzeugsystem basierend auf den vorliegenden Anforderungen in Teilen modifiziert und in Teilen neu aufgebaut werden. Insbesondere der Ziehstempel erforderte einen kompletten Neuaufbau, um die geplante Bauteilgeometrie abbilden zu können, vor allem aber aufgrund der geforderten Möglichkeit zur Verarbeitung unterschiedlicher Verstärkungsblechdicken. In diesem Zuge wurde ein Konzept des modularen Stempelaufbaus entwickelt und umgesetzt. Mit Hilfe der Umformsimulation wurde die Stempelgeometrie unter Beachtung der Prozessparameter beim hydromechanischen Tiefziehen optimiert. Die Blechzuschnitte als Grund- und Verstärkungsbleche werden in einem ersten Schritt nur fixiergeklebt und dann in einem einzigen Werkzeug zusammen umgeformt. Sie können sich dabei relativ zueinander verschieben. Erst nach der gemeinsamen Umformung zu einem lokal verstärkten Bauteil (in diesem Fall einer stilisierten Federbeindomgeometrie mit lokaler Verstärkung in der Kuppe) findet die finale Fügeoperation in Form einer temperaturaktivierten Nachvernetzung des Klebstoffs statt. Dies kann prozesseffizient im Rahmen der kathodischen Tauchlackierung und dem anschließenden Einbrennen des Lacks bei ca. 180°C erfolgen. Hierbei werden die Klebstoffe vollständig ausgehärtet. Im Rahmen des Projekts wurden im hydromechanischen und im herkömmlichen Tiefziehverfahren lokal verstärkte Doppellagenblechverbunde umformtechnisch hergestellt. Neben einer stilisierten Federbeindomgeometrie, in deren Kuppe ein Verstärkungsblech eingebracht ist, sind Untersuchungen an Bauteilen mit Rechteckgeometrie durchgeführt worden. Als Klebstoffe zur Herstellung der Doppellagenblechverbunde wurden reaktive Schmelzklebstoffe auf unterschiedlicher polymerer Basis eingesetzt. Diese Klebstoffe bieten Vorteile in allen Fertigungsschritten, die zur Integration in die bestehenden Rohbaulinien notwendig sind und zeigten eine insgesamt gute Kompatibilität mit den Prozessen. Statische und dynamische Beulversuche sowie Alterungsuntersuchungen an den hergestellten Bauteilen haben das Leichtbaupotential und die Prozesssicherheit der Umformtechnologie sowie der Klebstoffe nachgewiesen. Die Qualifizierung der eingesetzten Klebstoffe und der umformtechnischen Fragestellungen (Werkzeuggeometrie, Prozessführung und Zuschnittsoptimierung) konnte in den Alterungsversuchen nachgewiesen werden.
Forschungsstelle 1:
Institut für Umformtechnik und Umformmaschinen der Leibniz Universität Hannover (IFUM)
www.ifum.uni-hannover.de
Forschungsleiter 1:
Prof. Dr.-Ing. Bernd-Arno Behrens
Forschungsstelle 2:
Institut für Füge- und Schweißtechnik der TU Braunschweig (ifs)
www.ifs.ing.tu-bs.de
Forschungsleiter 2:
Univ.-Prof. Dr.-Ing. Klaus Dilger
(vorgelegt vom Verband der Automobilindustrie e.V. (VDA) für Forschungsvereinigung Automobiltechnik e.V. (FAT))
Das Forschungsvorhaben wurde gefördert von der Stiftung Stahlanwendungsforschung im Stifterverband für die Deutsche Wissenschaft e.V.
Bezugsquelle Schlussbericht:
bitte wenden Sie sich an die AVIF
22.06.2011