Trend und Innovationen im Fahrzeugbau

Transkript

1 Trend und Innovationen im Fahrzeugbau konstruktive, material- und fertigungstechnische Entwicklungen Metallgipfel 2010/2. Clusterkonferenz

2 Leichtbau: ist nicht die Werkstoffsubstitution ist die Summe aus Anwendungen der Konstruktionstechnik, Werkstofftechnik, Umformtechnik und Verbindungstechnik Konstruktionstechnik Werkstofftechnik Fertigungstechnik Folie 2

3 Lastpfad: Ableitung über Boden Längsträger (LT) Schweller Front Crash Load Hauptlastpfad: Längsträger Verteilung auf Schweller und Verlängerung LT/Boden Folie 3

4 Lastpfad: Verzweigung nach oben und seitlich Kraftpfade: Verteilung über Höhe und Breite Folie 4

5 Umsetzung Konzept in Serie Konzept 3 ist weitgehend bei den meisten OEMs in verschiedenen Formen etabliert Beispiel Limousine Folie 5

6 Umsetzung Konzept in Serie Konzept 3 ist weitgehend bei den meisten OEMs in verschiedenen Form etabliert Beispiel Kleinstwagen Folie 6

7 Konzept Seitencrashableitung über Verzweigung Konzept Oberer Kraftweg Dachrahmen und Dachquerträger B-Säule ultrahochfest durch Rohrverstärkung Al-Guß Warmumformung Türverstärkungen Unterer Kraftweg Schweller ultrahochfest Sitzquerträger und Kick up Querträger Folie 7

8 Leichtbaulösungen gegen Seitenaufprall Konzept 2000 mit fließender Verbesserung Höchstfeste B-Säule mit angepasster Festigkeit UHSS Schweller mit optimierten Verstärkungen Abstützung der Schweller durch Sitzquerträger Auflagerung der B-Säule oben fest und unten weich Abstützung der Dachrahmen durch Dachquerträger Türverstärkungen übertragen Kräfte Folie 8

9 Auswirkungen Leichtbaukonzepte auf Materialien 1995 Anfang 2000 Ende 2000 Prozentanteil Folie 9

10 Auswirkungen Leichtbaukonzepte auf Materialien Verstärkter Einsatz von DP/CP/M Stähle Überwiegender HSS Anteil: > 300 Mpa Massiver Einsatz von Warmumformung Folie 10

11 Einsatz hochfester Stahl Einsatz Aluminium Optimierte Crashelement aus DP800 Spezifische Engergieabsorption: Optimierte Crashelement aus Al6060 Strangpressprofil DP800 Mehrkammerprofil: 12 KJ/kg Al6060 Mehrkammerprofil: 15,3 KJ/Kg Al: ca % höherer Energieabsorption/kg als DP % Gewichtseinsparung Folie 11

12 Einsatz hochfester Stahl Einsatz Aluminium Fmax. KN/kg (UHSS) Fmax. KN/kg (Al6082T6) UHSS: höhere Biegekraft und Biegeenergieaufnahme als Al6082T6 Mit UHSS lässt sich ca. 20% leichter bauen als mit Aluminium bei Biegung Spezifische max. Biegekraft UHSS 1229J/Kg bei 8,71KN/kg Al6082T6 1031J/Kg bei 8,52KN/kg Spezifische Biegeenergieaufnahme Energie J/kg (UHSS) Energie J/kg(Al6082T6) Folie 12

13 Aufgaben in der Zukunft Kombination der jeweiligen Gewichts- und Kostenvorteile von verschiedenen Werkstoffen durch konstruktive und verbindungstechnische Maßnahmen Beste theoretische Lösungen: Al Längsträger zur Aufnahme axialer Crashenergie UHSS für biegebeanspruchten Trägerstrukturen wie z.b. - A-Säule oben und Dachrahmen - B-Säule zur Aufnahme Biegeenergie eingebettet in Al-Flächenstrukturen mit Al-Gußknotenverbindungen wie z.b. - LT Verzweigung - Scharniersäule - Knoten B-Säule-Schweller zur Abstützung der energieaufnehmenden Strukturen Folie 13

14 Hybride Strukturen Mischbaustruktur unter Nutzung der Eigenschaftsspektrum sehr hohe richtungsabhängige spezifische E-Moduli von CFK/GFK nutzen sehr hohe Duktilität bei hoher Festigkeit von Edelstahl (X-IP?) nutzen sehr große Steifigkeitssprünge durch starke Unterschiede an E-Moduli gestalterisch beherrschen Ausarbeitung Konstruktiver Gestaltungsrichtlinien Entwicklung angepasster CAE Berechnungsmethoden Folie 14

15 Hybride Strukturen brauchen hybride Verfahren Zuordnung Werkstoff - Verfahren 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 Tiefziehen Tiefziehen600 Hydromec 800 Walzprofilieren Warmumformung komplexe Geometrie einfache IHU und Biegen Geometrie Untere Streckgrenze [MPa] Folie 15

16 Umformmechanismen Zuordnung Verfahren - Umformgrad d 0 Tiefziehen d 1 Biegen R ϕ = ln(d 0 /d 1 ) z.b. Eckengeometrie von R10 in Tiefe 30mm: ϕ=0,34 Bodenreisser Erweiterung Umformverfahren ϕ = ln(s 0 /2R) z.b. Radius R3 bei Blech Dicke 1 mm: ϕ=0,12 Fliessspannung k f [N/mm²] Dehnung ϕ 1 Fliesskurve DP ,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 Grenzformänderung 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 Tiefziehstahl Aluminium Dehnung ϕ 1 Tiefziehstahl Aluminium s 0 0,1 0 DP600-0,4-0,3-0,2-0,1 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 Dehnung ϕ 2 Folie 16

17 Kosteneinschätzung Umformverfahren Zuordnung Verfahren - Umformgrad Warmumformen Quelle: EDAG Folie 17

18 Eingesezte Umformverfahren in der Struktur Zuordnung Bauteil - Verfahren Quelle: EDAG Folie 18

19 Eingesezte Umformverfahren in der Struktur Zuordnung Bauteil - Verfahren Rollprofil (HK niedrig) Rollprofil (HK niedrig) Rollprofil (HK niedrig) Ziehteile (HK hoch!) Rollprofil? Erweiterung Umformverfahren Folie 19

20 Kostengünstiger Leichtbau durchfreiformbiegen Darstellung Spline-Geometrie Biegen konstanter Radien oder Biegen von Freiformbögen mit kontinuierlichen Radienverläufen (Splines). vielfältige Biegegeometrien durch kinematische Gestalterzeugung Anwendungbereiche: Automobil-, Möbel-, Bau-, sowie Luft- und Raumfahrtindustrie Vorschub und Rotation Umformrolle Stützrollen Biegerolle Folie 20

21 Kostengünstiger Leichtbau durch Freiformbiegen Darstellung Spline-Geometrie Einstellgenauigkeit der Maschine Verfahrwege der Maschine Querschnittsbelastung und -deformation des Bauteils Versagen durch Knicken Beschreibung der Biegegeometrie Kompensationsmodul zur Rückfederung und Maschinensteifigkeit Berechnung der Maschinenparameter Validierung durch Simulation Optimierung CAM- Daten Folie 21

22 Kostengünstiger Leichtbau durch Freiformbiegen Darstellung Spline-Geometrie Biegen einer S-Kontur : Vergleich von CAD Sollverlauf, Simulationsergebnis und Realbauteil Folie 22

23 Kostengünstiger Leichtbau durch Umformen FVT Anwendung Umform Know-How auf FVT Grundlagenuntersuchungen und Ermittlung von Materialkennwerten zum Aufbau von FEM-Modellen Spannung [N/mm²] / Dehnung [%] Delamination am Innenbogen Faserbruch am Außenbogen Untersuchen der Umformeigenschaften Folie 23

24 Hybrider Leichtbau, hybride Verfahren Hybride Umformmaschine? LSS < 210 MPa Kraft HSS MPa Kraft UHSS > 550 MPa Kraft Kraft Bruchdehnung [%] Weg Tiefziehen komplexe Geometrie Weg Tiefziehen einfache Geometrie Weg Hydromec IHU Walzprofilieren und Biegen Weg Hydromec IHU Warmumformung Untere Streckgrenze [MPa] Folie 24

25 Hybrider Leichtbau, hybride Verfahren Hybride Umformmaschine? Kraft Kraft Kraft Weg Tiefziehen komplexe Geometrie Weg Tiefziehen einfache Geometrie Weg Hydromec IHU Kraft Kraft Weg Warmumformung?Weg Umformen von FVT Folie 25

26 Hybride Verfahren, flexible Umformmaschine Kennung Kraft-Zeit Angebot Servopresse Frei programmierbare Kraft-Weg Kurve Bei maximaler Steifigkeit der Maschine Folie 26

27 Hybride Verfahren, flexible Umformmaschine Kennung Kraft-Zeit Angebot Servopresse Pendelbetrieb mit Umformung im Vorwärtsund Rückwärtshub Folie 27

28 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Folie 28

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