LS-DYNA UPDATE FORUM 2011

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1 LS-DYNA UPDATE FORUM 2011 Thermische Auslegung von Umformwerkzeugen für das partielle Presshärten zur Einstellung maßgeschneiderter Bauteileigenschaften Filderstadt, 13. Oktober 2011 P. Feuser, T. Schweiker, A. Scherm / Abteilung Umformtechnik und Rapid Tooling / Daimler AG D. Lorenz / Dynamore GmbH

2 Agenda [A] Partielles Presshärten von Karosseriekomponenten [B] Simulationsumfeld für die Bauteilherstellung [C] Thermische Werkzeugauslegung Parameterermittlung Validierung [D] Zusammenfassung Feuser, Schweiker, Scherm, Lorenz Thermische Auslegung von Umformwerkzeugen für das partielle Presshärten zur Einstellung maßgeschneiderter Bauteileigenschaften LS-DYNA UPDATE FORUM

3 Partielles Presshärten von Karosseriekomponenten Motivation: Anforderungsgerechte Einstellung von Werkstoffeigenschaften σ ε Anforderungen: Stabilität der Fahrgastzelle Kraftübertragung und -leitung gezielte plastische Deformation Energieaufnahme Beispielhafte Werkstoffeigenschaften R m = 650 MPa, A % R m = 750 MPa, A % R m = 850 MPa, A 30 9 % R m = 1200 MPa, A 30 7 % Partielles Presshärten Feuser, Schweiker, Scherm, Lorenz Thermische Auslegung von Umformwerkzeugen für das partielle Presshärten zur Einstellung maßgeschneiderter Bauteileigenschaften LS-DYNA UPDATE FORUM

4 Feuser, Schweiker, Scherm, Lorenz Thermische Auslegung von Umformwerkzeugen für das partielle Presshärten zur Einstellung maßgeschneiderter Bauteileigenschaften LS-DYNA UPDATE FORUM 2011 Temperatur T Temperatur T Temperatur T Partielles Presshärten von Karosseriekomponenten Ansätze für das partielle Presshärten Ac 3 Austenitzerfall konventionelles Presshärten Gruppe A partielle Austenitisierung vor der Warmumformung Ac 1 Austenitvermeidung Temperatur- Zeit-Verlauf Eingriff in den Prozess 0Zeit t Ac 3 Gruppe B spezifische Abkühlung während der Warmumformung Ms geringe Wärmeabfuhr im Werkzeug große Wärmeabfuhr im Werkzeug A+B M Temperatur- Zeit-Verlauf Eingriff in den Prozess 0Zeit t konventionelles Presshärten Ac 3 Gruppe C partielles Anlassen nach der Warmumformung T A Anlassen 0Zeit t

5 Partielles Presshärten von Karosseriekomponenten Prozessfenster beim partiellen Presshärten mittels Werkzeugtemperierung Zugfestigkeit R m MPa C 300 C 50 C 200 C 375 C 425 C 475 C 350 C Werkzeugtemperatur Transferzeit Flächenpressung Zuhaltezeit 400 C 450 C 500 C n C Biegewinkel α 1mm Zugfestigkeit R m 800 MPa C 3 MPa 0,5 MPa 0,1 MPa 1 MPa 20 MPa 5 s 2,5 s 39 MPa 5 MPa 20 s 25 s 7 s 10 s 10 MPa 60 s 500 C 15 s n Biegewinkel α 1mm Haupteinflussparameter: Werkzeugtemperatur Feuser, Scherm, Lorenz Thermische Auslegung von Umformwerkzeugen für das partielle Presshärten zur Einstellung maßgeschneiderter Bauteileigenschaften LS-DYNA UPDATE FORUM

6 Simulationsumfeld für die Bauteilherstellung Simulation als Hilfsmittel beim partiellen Presshärten Thermische Werkzeugauslegung Auslegung der Temperierung Aufheizverhalten des Werkzeugs Wärmeverteilung an der Wirkfläche Thermomechanische Umformsimulation Temperaturabhängige Werkstoffeigenschaften Berechnung von Ausdünnung Bewertung der geometrischen Herstellbarkeit Metallurgische Kopplung der Umformsimulation Temperaturabhängige Phasentransformation Berechnung von Werkstoffeigenschaften Umsetzbarkeit der werkstofftechnischen Anforderungen Feuser, Schweiker, Scherm, Lorenz Thermische Auslegung von Umformwerkzeugen für das partielle Presshärten zur Einstellung maßgeschneiderter Bauteileigenschaften LS-DYNA UPDATE FORUM

7 Thermische Werkzeugauslegung Verwendung von LS-Dyna und benötigte Eingabewerte Materialmodelle: 020-RIGID T06-THERMAL_ISOTROPIC Vernetzung: Lineare Tetraeder-Elemente Kontakt: AUTOMATIC_SURFACE_ TO_SURFACE (THERMAL) Solverparameter initialer thermischer Zeitschritt minimaler thermischer Zeitschritt maximaler thermischer Zeitschritt Thermophysikalische Werkstoffdaten Dichte: 7,8E-6 kg/mm³ spez. Wärmekapazität als f(t): J/kgK (DIN SEW 310) Wärmequelle: LOAD_HEAT_GENERATION mit LC für Stellgrad Wärmeverluste: BOUNDARY_CONVECTION BOUNDARY_RADIATION Solver: 971_d_R5.1_64536 Prozessabhängige Parameter Heizleistung Leistungsregelung Wärmeübergangskoeffizient Heizpatrone - Werkzeug; Wärmeaustausch zwischen Werkzeugmodulen maximale Temperaturänderung pro Zeitschritt Berechnungszeit, Plotintervall Wärmeleitfähigkeit als f(t): 41,7E-6 43,4E-6 kw/mmk (DIN SEW 310) Wärmeverluste an die Umgebung durch Emission und Konvektion Feuser, Schweiker, Scherm, Lorenz Thermische Auslegung von Umformwerkzeugen für das partielle Presshärten zur Einstellung maßgeschneiderter Bauteileigenschaften LS-DYNA UPDATE FORUM

8 Thermische Werkzeugauslegung Vorgehen zur Parameterermittlung Allgemein 3 Thermoelementbohrungen (Regelung) 13 Thermoelementbohrungen (Messung) s d d = variabel [0 mm bis 10 mm] s = 15 mm, 25 mm, 35 mm Tellerfederpakete; Zylinderschrauben Untersuchungen: 10 Heizpatronen Ermittlung des Emissionsgrads und des konvektiven Wärmeübergangs Einfluss der Luftspaltdicke auf HTC Einfluss der Heizpatronenanordnung auf Temperaturverteilung Werkstoff: Leistung HP: 10 x 500 W Durchmesser HP: 10 mm Grundkörper: 150 x 255 x 100 mm Bodenplatte: 150 x 255 x 50 mm Regelverhalten des Heizgerätes Untersuchung der Anordnung der Regelmessstelle Feuser, Schweiker, Scherm, Lorenz Thermische Auslegung von Umformwerkzeugen für das partielle Presshärten zur Einstellung maßgeschneiderter Bauteileigenschaften LS-DYNA UPDATE FORUM

9 Thermische Werkzeugauslegung Vorgehen zur Parameterermittlung Leistung und Leistungsregelung Zur Kalibrierung des Modells: Gemessen Zur Werkzeugauslegung: Thermostatregler (a) Anfahrphase (b) Volllastphase (c) Annäherungsphase (d) Einschwingphase LOAD_HEAT_GENERATION mit LC für Stellgrad SET_SOLID für beheizte Körper Leistung der Heizpatronen pro Volumen LOAD_HEAT_CONTROLLER Definition NODE ID + Zieltemperatur + PID für beheizte Körper Leistung der Heizpatronen pro Volumen Feuser, Schweiker, Scherm, Lorenz Thermische Auslegung von Umformwerkzeugen für das partielle Presshärten zur Einstellung maßgeschneiderter Bauteileigenschaften LS-DYNA UPDATE FORUM

10 Thermische Werkzeugauslegung Vorgehen zur Parameterermittlung Emission und Wärmeübergang konvektiver Wärmeübergangskoeffizient α K = 1,3E-8 kw/mm²k = konstant Emissionskoeffizient ε (thermografische Ermittlung) Wärmeübergangskoeffizient α zwischen Modulen (Kalibrierung mittels Messwerten) Beispiel: 5 mm Luftspalt Starke Abhängigkeit von Anlassfarben metallisch glänzend ε = 0,25 einmaliges Aufheizen auf 500 C ε = 0,62 7-maliges Aufheizen auf 500 C ε = 0,87 schwarz lackiert ε = 0,93 Starke Abhängigkeit vom Luftspalt d 0 mm α = 3,0E-7 kw/mm²k 1 mm α = 4,9E-8 kw/mm²k 5 mm α = 1,9E-8 kw/mm²k 10 mm α = 1,1E-8 kw/mm²k Feuser, Schweiker, Scherm, Lorenz Thermische Auslegung von Umformwerkzeugen für das partielle Presshärten zur Einstellung maßgeschneiderter Bauteileigenschaften LS-DYNA UPDATE FORUM

11 Thermische Werkzeugauslegung Vorgehen zur Parameterermittlung Sensibilitätsanalyse Parametervariation im Bereich ± 10 Prozent am Beispiel der spez. Wärmekapazität c p Ergebnis für relevante Simulationsparameter Bewertung Fehler kleiner 2 % bei Variation der Wärmeleitfähigkeit λ und des konvektiven Wärmeübergangs α Fehler größer 2 % bei Variation der spez. Wärmekapazität c p, des Emissionskoeffizienten ε und der Leistung P größter Fehler durch Ungenauigkeiten in Bezug auf die Leistung Feuser, Schweiker, Scherm, Lorenz Thermische Auslegung von Umformwerkzeugen für das partielle Presshärten zur Einstellung maßgeschneiderter Bauteileigenschaften LS-DYNA UPDATE FORUM

12 Thermografie Simulation Thermische Werkzeugauslegung Validierung der Simulation Versuche mit dem ebenen Versuchswerkzeug Temperaturverteilung y Schnitt x x y Schnitt y x Feuser, Schweiker, Scherm, Lorenz Thermische Auslegung von Umformwerkzeugen für das partielle Presshärten zur Einstellung maßgeschneiderter Bauteileigenschaften LS-DYNA UPDATE FORUM

13 Thermografie Simulation Thermische Werkzeugauslegung Validierung der Simulation Versuche mit dem ebenen Versuchswerkzeug Temperaturverteilung mit fünf aktiven Heizpatronen Bewertung qualitativ sehr gute Übereinstimmung maximale Abweichung: 18 C Feuser, Schweiker, Scherm, Lorenz Thermische Auslegung von Umformwerkzeugen für das partielle Presshärten zur Einstellung maßgeschneiderter Bauteileigenschaften LS-DYNA UPDATE FORUM

14 Thermische Werkzeugauslegung Validierung der Simulation Versuche mit einem realen temperierten Presshärtewerkzeug Geometrie Aufbau des Modells Bild im Original enthalten Feuser, Schweiker, Scherm, Lorenz Thermische Auslegung von Umformwerkzeugen für das partielle Presshärten zur Einstellung maßgeschneiderter Bauteileigenschaften LS-DYNA UPDATE FORUM

15 Temperatur T Thermische Werkzeugauslegung Validierung der Simulation Versuche mit einem realen temperierten Presshärtewerkzeug Aufheizzeit am Beispiel Stempel Stellgrad gemessen 600 C Temperaturverlauf beim Aufheizen STE_WARM2 Messung STE_WARM2 SIM STE_KALT Messung STE_KALT SIM BLE_WARM2 Messung BLE_WARM2 SIM s 6000 Temperaturmessstellen Bewertung ermittelte Parameter führen zu guter Übereinstimmung zwischen Simulation und Messung (Aufheizzeiten und Absoluttemperatur) Feuser, Schweiker, Scherm, Lorenz Thermische Auslegung von Umformwerkzeugen für das partielle Presshärten zur Einstellung maßgeschneiderter Bauteileigenschaften LS-DYNA UPDATE FORUM

16 Thermografie Simulation Thermische Werkzeugauslegung Validierung der Simulation C 500 Versuche mit einem realen temperierten Presshärtewerkzeug 400 Temperaturverteilung am Beispiel Stempel S C 500 Schnitt S1 S a) M2 b) C S1 500 S2 M2 C C 500 Schnitt S2 M M C Feuser, Schweiker, Scherm, Lorenz Thermische Auslegung von Umformwerkzeugen für das partielle Presshärten zur Einstellung maßgeschneiderter Bauteileigenschaften LS-DYNA UPDATE FORUM

17 Thermische Werkzeugauslegung Ableitung praktischer Hinweise für die thermische Auslegung Abstand: Heizpatronen - Oberfläche möglichst gering, gleicher Abstand da Empfehlung: da =1,5 * Heizpatronendurchmesser dh Abstand: Heizpatrone - Heizpatrone möglichst gering, symmetrisch Empfehlung: dh = 2,5 * Heizpatronendurchmesser Abstand: Heizpatrone - Thermoelement abhängig von Werkzeuggeometrie Empfehlung: da/dt = 1,5 2,0 Feuser, Schweiker, Scherm, Lorenz Thermische Auslegung von Umformwerkzeugen für das partielle Presshärten zur Einstellung maßgeschneiderter Bauteileigenschaften LS-DYNA UPDATE FORUM

18 Zusammenfassung Motivation aufgezeigt Parameterermittlung für thermische Werkzeugsimulation mit LS-Dyna abgeschlossen Validierungsversuche mit einem realen partiell beheizten B-Säulenwerkzeug bestätigen die Übertragbarkeit der Parameter auf den allgemeinen Fall Qualitativ und quantitativ gute Übereinstimmung mit den Messwerten Ableitung praktischer Hinweise für die Auslegung temperierter Werkzeuge auf Basis der gewonnenen Erkenntnisse Handlungsbedarf besteht bei Umsetzung des Regelverhaltens; Thermostatregler für MPP; Verwendung mehrerer Thermostatregler für verschiedene Module Feuser, Schweiker, Scherm, Lorenz Thermische Auslegung von Umformwerkzeugen für das partielle Presshärten zur Einstellung maßgeschneiderter Bauteileigenschaften LS-DYNA UPDATE FORUM

19 Danke für die Aufmerksamkeit! Feuser, Schweiker, Scherm, Lorenz Thermische Auslegung von Umformwerkzeugen für das partielle Presshärten zur Einstellung maßgeschneiderter Bauteileigenschaften LS-DYNA UPDATE FORUM