Untersuchungen zu neuen Konzepten für PKW-Kraftstoffbehälter

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1 Untersuchungen zu neuen Konzepten für PKW-Kraftstoffbehälter Von der Fakultät Maschinenbau der Universität Dortmund zur Erlangung des Grades Doktor-Ingenieur genehmigte Dissertation von Dipl.-Wirtsch.-Ing. Torsten Langhammer aus Dessau 2005

2 Berichter: Mitberichter: Prof. Dr.-Ing. Matthias Kleiner Prof. Dr.-Ing. Hartmut Hoffmann Tag der mündlichen Prüfung: 19. Dezember 2005

3 Dortmunder Umformtechnik Torsten Langhammer Untersuchungen zu neuen Konzepten für PKW-Kraftstoffbehälter D 290 (Diss. Universität Dortmund) Shaker Verlag Aachen 2006

4 Bibliografische Information der Deutschen Bibliothek Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. Zugl.: Dortmund, Univ., Diss., 2005 Copyright Shaker Verlag 2006 Alle Rechte, auch das des auszugsweisen Nachdruckes, der auszugsweisen oder vollständigen Wiedergabe, der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen und der Übersetzung, vorbehalten. Printed in Germany. ISBN-10: ISBN-13: ISSN Shaker Verlag GmbH Postfach Aachen Telefon: / Telefax: / Internet: info@shaker.de

5 Danksagung Die vorliegende Arbeit entstand während meiner Tätigkeit bei der Volkswagen AG in Wolfsburg als Mitarbeiter der Abteilung Fertigungstechnologie-Entwicklung und als externer Doktorand der Universität Dortmund. Mein besonderer und herzlicher Dank gilt meinem Doktorvater, Herrn Prof. Dr.-Ing. Matthias Kleiner, Ordinarius für Umformtechnik und Leichtbau der Universität Dortmund, für die stets wohlwollende Unterstützung und wissenschaftliche Betreuung sowie für das mir entgegengebrachte Vertrauen und die Freiheit, die mir bei der Erstellung dieser Arbeit zugestanden wurde. Herrn Prof. Dr.-Ing. Hartmut Hoffmann, Ordinarius für Umformtechnik und Gießereiwesen der Technischen Universität München, danke ich für die Übernahme des Koreferats, Herrn Prof. Dr.-Ing. Jochen Deuse, Ordinarius für Arbeits- und Produktionssysteme der Universität Dortmund, für die Übernahme des Prüfungsvorsitzes. Herrn Prof. Dr.-Ing. Ekkehard Friebe, ehemaliger Leiter der Abteilung Fertigungstechnologie-Entwicklung, möchte ich herzlich für die Betreuung meiner Arbeit sowie die persönliche Förderung bei der Volkswagen AG danken. Sein Vertrauen motivierte mich, diese Arbeit zu schreiben. Herrn Dipl.-Ing. (FH) Heinz Elsner und Herrn Dr.- Ing. Karl-Viktor von Schöning, ehemalige Leiter der Abteilungen Fertigungsentwicklung und Verfahrensentwicklung/Hochschulkontakte, danke ich herzlich für die Fortsetzung der Betreuung bei der Volkswagen AG und ihre stete Unterstützung. Weiterhin gilt mein Dank allen Kollegen/innen und Institutsangehörigen, die durch Diskussionen und tatkräftige Unterstützung zum Gelingen der Arbeit beigetragen haben. Allen voran seien hier Herr Dr.-Ing. Axel Wellendorf und Herr Dipl.-Ing. Peter Corsten genannt. Darüber hinaus danke ich Herrn Dr.-Ing. Werner Homberg für die wissenschaftliche Betreuung. Zudem gilt mein Dank Frau Beate Ulm-Brandt für die Korrektur dieser Arbeit, Herrn Heinz Ludwig für die grafische Aufbereitung. Für die großzügige Unterstützung des Forschungsvorhabens möchte ich den Firmen Audi AG, ThyssenKrupp Drauz GmbH, ThyssenKrupp Nirosta GmbH sowie Schnupp GmbH & Co. Hydraulik KG danken. Insbesondere bedanke ich mich bei Herrn Gerhard Schießl, Herrn Dipl.-Ing. Wolfgang Rauh, Herrn Dipl.-Ing. Jörg Neubert, Herrn Dr.-Ing. Arndt Birkert, Herrn Dr. rer. nat. Jochen Krautschick sowie Herrn Dipl.-Ing. (FH) Konrad Schnupp. Darüber hinaus danke ich Frau Dipl.-Ing. Stefanie Kiesheyer, Herrn Roland Plank, Herrn Stefan Schlagbauer, Herrn Dr. rer. nat. Panicos Papaiacovou, Herrn Dr.-Ing. Franz-Josef Lenze und Herrn Dr.-Ing. Friedhelm Trösken für ihr tatkräftiges Engagement bei der Durchführung der experimentellen Arbeiten. Nicht zuletzt gilt mein Dank der Forschungsvereinigung Stahlanwendung e.v., und hier insbesondere Herrn Dr.-Ing. Hans-Georg Hoff, für die Förderung und Unterstützung der Arbeiten zur Hydroblechumformung. Persönlich danken möchte ich vor allem meiner Mutter, die mir durch ihre Liebe und ihre Förderung meinen beruflichen Werdegang ermöglicht hat. Mein ganz besonderer Dank gilt meiner lieben Frau Iris, deren Liebe und uneingeschränkte Unterstützung entscheidend zur Fertigstellung der vorliegenden Arbeit beigetragen hat. Sie schenkte mir nicht nur die Zeit, all dies zu schaffen, sondern gleichzeitig auch zwei wundervolle Töchter. Ihr widme ich diese Arbeit. Braunschweig, im Dezember 2005 Torsten Langhammer

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7 Inhaltsverzeichnis I Inhaltsverzeichnis Formelzeichen und Abkürzungen...V 1 Einleitung Kraftstoffbehälter für den Fahrzeugbau Anforderungen an Kraftstoffbehälter Historische Entwicklung Werkstoffe für Kraftstoffbehälter Kraftstoffe und Kraftstoffbehälter Arten und Energieinhalte von Kraftstoffen Behälter für inkompressible Kraftstoffe Behälter für kompressible Kraftstoffe Autogas-Kraftstoffbehälter Erdgas-Kraftstoffbehälter Wasserstoff-Kraftstoffbehälter Kunststoffkraftstoffbehälter für ein Fahrzeug der A-Klasse Emissionen aus Kraftstoffsystemen Quellen und Arten von Kohlenwasserstoffemissionen Permeation von Kraftstoffbestandteilen Gesetzliche Anforderungen für Kraftfahrzeuge Barrierewerkstoffe Monolayer aus Kunststoff Multilayer aus Kunststoff mit Barrierefolie Monolayer aus Metall Kostenvergleich und Bewertung der Barrierewerkstoffe Konzepte emissionsoptimierter Kunststoffkraftstoffbehälter Problembeschreibung und Zielsetzung Stand der Kenntnisse Wirkmedienblechumformung Fertigungsverfahren der wirkmedienbasierten Blech-umformung Hochdruckblechumformung (HBU) Pneumomechanisches Tiefziehen Hydromechanisches Tiefziehen Innenhochdruckumformung von Doppelplatinen Industrielle und universitäre Anwendungen Werkzeugmaschinen der wirkmedienbasierten Blechumformung FE-Simulation der wirkmedienbasierten Blechumformung...62

8 II Inhaltsverzeichnis 5 Versuchseinrichtungen und Versuchsvorbereitung Versuchsmaschine Versuchswerkstoffe Anforderungen an Werkstoffe für metallische Kraftstoffbehälter Eingrenzung und Auswahl der Werkstoffe Untersuchte Werkstoffe Werkstoffgerechte Konstruktion Software zur Finite-Elemente-Simulation Untersuchungen mittels FE-Simulation Auswahl der Fertigungsverfahren Simulationsrechnungen Oberschale Simulationsrechnungen Unterschale Optimierung der Verfahrensparameter der Unterschale Modifikation der Geometrie Einsatz von Ziehsicken Einsatz eines Gegenstempels Einsatz von Verbrauchern Einsatz von Nebenformelementen Einsatz von Ziehbänken Steuerung des Wirkmediendruckes Schlussfolgerungen der FE-Simulationen Auslegung der Versuchswerkzeuge Werkzeug Oberschale Werkzeug Unterschale Experimentelle Untersuchungen Konventionelles Tiefziehen der Oberschale Hydromechanisches Tiefziehen der Unterschale Steuerung des Vorformdruckes Steuerung des Kalibrierdruckes Steuerung der Niederhalterkraft Optimale Prozessführung Variation des Werkstoffes Einstellung von Bauteileigenschaften der Unterschale Einfluss des Kalibrierdrucks auf die Geometrieausbildung Einfluss des Kalibrierdrucks auf die Blechdicke Einfluss der Niederhalterkraft auf die Geometrieausbildung Einfluss der Niederhalterkraft auf die Blechdicke...120

9 Inhaltsverzeichnis III 8.5 Zusammenfassung der experimentellen Untersuchungen Fügen der Kraftstoffbehälterhalbschalen Eigenschaftsprofil der Kraftstoffbehälter Technische Eigenschaften und deren Prüfung Ökobilanzielle Betrachtungen Kosten- und Wirtschaftlichkeitsanalyse Beschreibung des Kostenmodells Berechnung der Herstellkosten Analyse der Fixkostendegression Sensitivitätsanalyse Ergebnisse der Kosten- und Wirtschaftlichkeitsanalyse Zusammenfassung und Ausblick Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Literaturverzeichnis...160