Lehrstuhl für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen

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Ella Waldfogel
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1 Lehrstuhl für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen Univ.-Prof. Dr.-Ing. Bernd Engel FU_BE 1

2 Anforderungen an die Umformtechnik aus der Entwicklung moderner PKW- Strukturen IBU Industrieverband Blechumformung 08. Juni 2005 Prof. Dr.- Ing. Bernd Engel FU_BE 2

3 Übersicht Konzepte der Automobilindustrie Neue Materialien - Materialmix Potential und Anforderung neuer Werkstoffe Aufgaben für die Umformtechnik Folien unter: FU_BE 3

Anforderungen der Automobilindustrie Anforderungen Automobilindustrie: Erfüllung der Sicherheitsanforderungen ( New Car Assessment Program )

4 Anforderungen der Automobilindustrie Anforderungen Automobilindustrie: Erfüllung der Sicherheitsanforderungen ( New Car Assessment Program ) Erheblich verringerter Kraftstoffverbrauch Verbesserte Umweltverträglichkeit Kostengünstige Großserien-Produktion Trend zum LEICHTBAU FU_BE 4

5 Leichtbau Leichtbau: Umformtechnik ist nicht die Werkstoffsubstitution Fertigungstechik Fertigungstechik Verbindungstechnik ist die Summe aus Anwendungen der Konstruktionstechnik, Werkstofftechnik, Umformtechnik und Verbindungstechnik Konstruktionstechik Werkstofftechik FU_BE 5

6 Konzeptstudien: ULSAB ULSAC ULSAS ULSAB-AVC Karosseriestruktur Anbauteile Achsbauteile Karosseriestruktur/Anbauteile/ Achsbauteile Karosseriestruktur Karosseriestruktur Stahlhersteller! Karosseriestruktur FU_BE 6

7 Beispiele für Leichtbaukonzepte Ultra Light Steel Auto Body Quelle:ULSAB Report FU_BE 7

8 Beispiele für Leichtbaukonzepte Ultra Light Steel Auto Body Advanced Vehicle Concept FU_BE 8

9 Beispiele für Leichtbaukonzepte New Steel Body Total 77 kg or 24% weight reduction Quelle: NSB, ThyssenKrupp Stahl FU_BE 9

10 Tendenzen aus Leichtbaukonzepten Fertigungstechnologien für den Stahl-Spaceframe Der Einsatz geschlossener Profile in der Karosserie führt zu einer signifikanten Steifigkeitsverbesserung. Ein geeignetes Verfahren zur Herstellung komplexer geschlossener Profile ist die IHU-Technologie. Über der Profillänge lassen sich unterschiedliche Querschnittsformen realisieren. Ein weiteres Verfahren zur Herstellung von offenen und geschlossenen Profilen ist das Rollprofilieren. Kennzeichnend für das Rollprofilieren ist die partielle Umformung in einem kontinuierlichen Prozess. Bei der Integration der Profile in eine Karosserie spielt die Wahl der richtigen Fügetechnik eine entscheidende Rolle. FU_BE 10

11 FU_BE 11

Verwendung unterschiedlicher Materialien Werkstoffverteilung beim PKW in Deutschland (Gewichts-%) 80 74 70 60 63 68 50 55 40 Werkstoff 30 20 10 0 Stahl und Eisen

12 Verwendung unterschiedlicher Materialien Werkstoffverteilung beim PKW in Deutschland (Gewichts-%) Werkstoff Stahl und Eisen 14 Elastomere Sonstige Kunststoffe Aluminium Sonstige NE-Metalle 4 Baujahr 1985 Baujahr 1995 Baujahr 2005 Baujahr 1975 FU_BE 12

13 Anwendung in der Serie BMW 5er Serie Strukturaufbau mit hochfesten Stählen für sicherheitsrelevante Karosserieteile Werkstoff Trotz Zunahme von Kunststoff-, Aluminium- und Magnesiumkomponenten hat der Pkw Leichtbau die Entwicklung von höher- und hochfesten Stählen forciert BMW E60, Quelle: ATZ/MTZ extra August 2003 D FU_BE 13

Beplankungsteile Ein ausgeprägter Materialmix ist Kennzeichen

14 Anforderungen der Automobilindustrie Materialien im Karosseriebereich des neuen 5er BMW Werkstoff Aluminium Beplankungsteile Ein ausgeprägter Materialmix ist Kennzeichen neuer Pkw - Strukturen BMW E60, Quelle: ATZ/MTZ extra August 2003 D FU_BE 14

15 Anforderungen der Automobilindustrie Produktionsprozesse Prozesse BMW E60, Quelle: ATZ/MTZ extra August 2003 D FU_BE 15

16 Anforderungen der Automobilindustrie Tendenzen - Forderungen Tendenz zum Materialmix in Pkw-Strukturen Einsatz hochfester Materialien in komplexen Geometrien Einsatz geschlossener Profile unterschiedliche Umformtechnologien FU_BE 16

17 Methoden FU_BE 17

18 FU_BE 18

Potential und Anforderung Crash Simulation auf der Basis

dem Zugversuch Umformsimualtion Materialwerte des

gesamtes Bauteil gleich Unterschiedliche Wanddicken und

19 Potential und Anforderung Crash Simulation auf der Basis unterschiedlicher Eingabedaten Festigkeitskennwerte aus dem Zugversuch Umformsimualtion Materialwerte des Realbauteiles Annahme: Wandstärke und Festigkeit über gesamtes Bauteil gleich Unterschiedliche Wanddicken und Festigkeiten als Funktion des Werkstoffes und des Umformprozesses FU_BE 19

20 FU_BE 20

21 Potential und Anforderung Neue hochfeste Materialien - Potential und Anforderung Bruchdehnung [%] LSS < 210 MPa HSS MPa UHSS > 550 MPa IF-Stähle Weiche Tiefziehgüten Höherfeste IF-Stähle BH-Stähle Isotrope Stähle CMn Höherfeste mikrolegierte Stähle DP-/MP-Stähle TRIP-Stähle Martensitische Stähle Untere Streckgrenze [MPa] FU_BE 21

22 Potential und Anforderung FU_BE 22

23 Potential und Anforderung Neue hochfeste Materialien - Potential und Anforderung FormLimit Curve Grenzformänderung 0,7 900 Fliesskurve Flow-Curve 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 Dehnung ϕ 1 Fliessspannung k f [N/mm²] Stress [N/Mpa] ,4-0,3-0,2-0,1 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 Dehnung ϕ 2 AlMgSi05 DP600 St14 Strain Vergleichsdehnung ϕ FU_BE 23

24 Potential und Anforderung Mapping Daten unterschiedlicher Umformverfahren Tiefziehen Hydroforming Stress [MPa] True Strain ϕ [-] FU_BE 24

25 Potential und Anforderung Neue hochfeste Materialien - Potential und Anforderung Rückfederung Umformgrenzen FU_BE 25

26 Rückfederung Bestimmung der Rückfederung Flow-Curve Umformung Werkstoff Biegwinkel Biegeradius Blechdicke Rückfederung [ ] [mm] [mm] [ ] St ,42 AlMgSi0,5g ,43 DP ,94 Stress [N/Mpa] Rückfederung DP600 Rückfederung St14 Rückfederung AlMgSi ,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 Strain St14 AlMgSi05 DP600 Auffederung in Grad FU_BE 26

27 Rückfederung Bestimmung der Rückfederung FU_BE 27

Dehnungspfad in Richtung Grenzformänderungskurve 0,4 Form

28 Rückfederung Kompensation der Rückfederung Reduktion der Rückfederung durch überlagerte Zugkraft Verlagerung Dehnungspfad in Richtung Grenzformänderungskurve 0,4 Form Limit Curve 0,3 0,2 Erhöhung der Ziehkraft 0,1 0-0,3-0,2-0,1 0 0,1 0,2 0,3 FU_BE 28

Ziehkraft Bestimmung der Ziehkraft Referenzstahl,

[Mpa] Zugkraft NH-Kraft NH/Zugkraft St14 1 200 45 kn

und NH-Kraft [kn] Niederhalterkraft s = 2 s 1 R R eh

29 Ziehkraft Bestimmung der Ziehkraft Referenzstahl, hochfester Stahl Zugkraft Werkstoff Wandstärke R eh [Mpa] Zugkraft NH-Kraft NH/Zugkraft St kn 33 kn 0,73 DP600 0, kn 89 kn 1,41 Zug- und NH-Kraft [kn] Niederhalterkraft s = 2 s 1 R R eh 1 eh St14 DP600 Zugkraft NH-Kraft FU_BE 29

30 Anforderungen der Automobilindustrie Tendenzen - Forderungen Hochfeste Materialien mit hoher Kaltverfestigung und sehr niedriger Gleichmaßdehnung Hochfeste Materialien mit hoher Rückfederungsrate Komplexe Beschreibung des Umformvorganges und Vorhersage der Machbarkeit Simulation unabdingbar FU_BE 30

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