Inkrementelles Schwenkbiegen für skalierbare Leichtbaustrukturen TITELTHEMA K AROSSERIE

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1 TITELTHEMA K AROSSERIE Inkrementelles Schwenkbiegen für skalierbare Leichtbaustrukturen Die Elektromobilität ist im Automobilsektor von mittleren sowie stark schwankenden Stückzahlen bei gleichzeitig erhöhten Leichtbauanforderungen geprägt. Variantenvielfalt und Individualisierung als Treiber eines modernen Fahrzeugabsatzes verlangen nach hochflexiblen Fertigungsverfahren, unter anderem im Bereich des strukturellen Fahrzeugleichtbaus. Inkrementelles Schwenkbiegen ist ein Verfahren zur Biegeumformung von Profilhalbzeugen und könnte nach Erkenntnissen bei Edag und der Universität Siegen die flexible Herstellung skalierbarer Leichtbaustrukturen in Profilbauweise bis zur Losgröße 1 ermöglichen. 28

2 UTS AUTOREN WIRTSCHAFTLICHE FERTIGUNGSTECHNIK Prof. Dr.-Ing. Bernd Engel ist Leiter des Lehrstuhls für Umformtechnik an der Universität Siegen. Dipl.-Ing. Peter Frohn ist wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lehrstuhl für Umformtechnik der Universität Siegen. Dr.-Ing. Martin Hillebrecht ist Leiter des Kompetenzzentrums Leichtbau, Werkstoffe und Technologie bei der Edag Engineering GmbH in Fulda. André Knappe ist Projektleiter bei der Edag Engineering GmbH in Fulda. Klassischerweise kommen bei der Massenproduktion von Blechbauteilen Stanzund Ziehoperationen in Einzel-, Folgesowie Folgeverbundwerkzeugen zum Einsatz, um die geforderte Bauteilgeometrie herzustellen [1]. In Bezug auf die Fertigung von Strukturteilen in Klein- und Mittelserien ist dies durch eine kostenintensive Werkzeugtechnik geprägt, da die Teilgeometrie vollständig in der Werkzeugkavität vorgehalten ist und folglich keinerlei Flexibilität in der Formgebung möglich ist. Im Rahmen des Förderprojekts ISB- Elektro [2] wird eine deutlich wirtschaftlichere Fertigungstechnik für die Anwendung im flexiblen strukturellen Fahrzeugbau entwickelt. Als Demonstration dient die Auslegung und Fertigung eines Längsträgers für die Elektrofahrzeugbranche. Das inkrementelle Schwenkbiegen (ISB) ermöglicht neues, wirtschaftliches Leichtbaupotenzial für den Fahrzeugsektor, vor allem bei kleinen und mittleren Stückzahlen wie etwa in der Elektromobilität oder für einzelne Fahrzeugderivate. Die dort vorherrschende werkstoff- und prozessintensive Schalenbauweise könnte durch die Flexibilität des ISB substituiert werden, kombiniert mit der Möglichkeit, hochfeste Profile umzuformen. Die Verbundpartner des Förderprojekts befassen sich mit der Herstellung, Auslegung und fertigungstechnischen Bewertung eines Strukturbauteils aus einem hochfesten Hutprofil, um die grundsätzliche Verfahrensauslegung abzusichern. ATZ Jahrgang VERFAHRENSÜBERBLICK ISB UND FUNKTIONSWEISE Inkrementelles Schwenkbiegen ist ein Verfahren für die flexible Biegeumformung von Profilen aus metallischen Werkstoffen. Das Verfahren wird am Lehrstuhl für Umformtechnik der Universität Siegen (UTS) auf einer Prototypenanlage wissenschaftlich untersucht und ausgelegt [3]. ISB nutzt die Vorteile der kinematischen Umformverfahren derart, dass die Werkzeuggeometrie unabhängig von der Endkontur hinsichtlich der Biegegeometrie ist. Das inkrementelle Umformverfahren fertigt die Biegegeometrie sukzessive in mehreren 29

3 TITELTHEMA KAROSSERIE Profil Schwenkeinheit wechselseitiger Biegungen, sogenannter S-Schläge, kann durch eine alternierende Biegerichtung oder gegensinniges Positionieren des Profils erreicht werden. BILD 2 Strukturintegration ( Edag) Halteeinrichtung BILD 1 Verfahrensablauf inkrementelles Schwenkbiegen ( UTS) 30 v Teilschritten. Dies bietet die Möglichkeit, den Bogen rein über die Wahl der Verfahrensparameter zu definieren. Das Halbzeug wird dafür zunächst geklemmt und anschließend um einen inkrementellen Winkel gebogen. Nach Entlastung wird das Profil um einen definierten Vorschubweg zugestellt. Eine sukzessive Wiederholung dieses Ablaufs führt zu der gewünschten Biegung, die über die Wahl der Verfahrensparameter definiert wird, BILD 1. Eine weitere Besonderheit dieses Umformverfahrens ist die Möglichkeit, die Biegeachse quer zur Profillängsachse zu verlagern. Dies nimmt Einfluss auf die resultierende Dehnungsverteilung im umzuformenden Bogen, sodass die Gefahr einer Riss- oder Faltenentstehung gezielt beeinflusst werden kann. Zudem können im Profilquerschnitt verschachtelbare Teilquerschnitte auf derselben Anlage gebogen werden. Somit können sowohl verschiedene Profilquerschnitte als auch unterschiedliche Biegegeometrien bearbeitet beziehungsweise gefertigt werden. Auch die Herstellung BAUTEILAUSLEGUNG Im Zuge der Förderausschreibung Elektro Power des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie ist das inkrementelle Schwenkbiegen zur Herstellung kostengünstiger Trägerstrukturen in Elektrofahrzeugen untersucht worden. Begonnen mit einem elektrofahrzeugspezifischen Lastenheft wurde das Anforderungsprofil speziell an die strukturellen Träger der Unterbodengruppe erfasst. Bezogen auf die Crashsituation nach Euro-NCAP- Standard muss der Längsträger die Anforderungen eines konventionellen Pkw erfüllen, im Einzelnen den Schutz der Insassen durch gezielten Abbau der Umformenergie in den Knautschzonen im Vorder- und Hinterwagen sowie das Abschirmen der durch den seitlichen Crash eingebrachten Energie von der Fahrgastzelle. Dieses Anforderungsprofil wird durch für Elektrofahrzeuge spezifische Ansprüche erweitert. So ist zusätzlich das Eindringen des Längsträgers selbst, die sogenannte Intrusion, in das Batteriepackage zu vermeiden, sodass kein Elektrolyt aus dem Energiespeicher entweichen kann. Im Rahmen des Projekts ist der Längsträger eines realen Elektrofahrzeugs in Schalenbauweise von der Edag Engineering GmbH neu gestaltet worden. Die Unterstruktur des StreetScooter-Kleinstwagens wurde dem Projekt beigestellt und deren Längsträger auf Basis der Verwendung durchgängiger Hutprofile als Halbzeuge neu ausgelegt. Dabei wurden insbesondere bauraumbedingte Vorgaben durch das Fahrwerk und die zugehörigen Radfreigänge berücksichtigt, woraus sich die geometrischen Anforderungen an die Biegetechnik des ISB ergaben. Die Biegungen sind in zwei Ebenen als doppelte S-Schläge in Form einer seitsowie aufwärtigen Verkröpfung hinsichtlich der Einbaulage im Fahrzeug angeordnet. Aus der Werkstoffklasse der Dualphasenstähle wurde ein verzinkter DP800 (DIN EN beziehungsweise HCT780X) mit einer Blechdicke von 2 mm als Hutprofil ausgewählt, der einen guten Kompromiss aus Festigkeit und Duktilität darstellt [4]. Abschließend wurde eine Integration in

4 die gesamte Unterbodengruppe vorgenommen und diese komplettiert, BILD 2. Anschließend wurde in Simulationen mit der Finite-Elemente-Methode (FEM) der Software Pam Stamp der Esi Group ein Modell entwickelt, das die kinematischen Besonderheiten des ISB-Verfahrens erfasst und die Verfah rensparameter der geforderten Biegungen auslegt [5]. Die simulierten Biegungen können anschließend hinsichtlich der geometrischen sowie umformtechnischen Einflüsse bewertet werden, BILD 3. Zur Absicherung des Crashtests entsprechend Lastenheft ist der seitliche Pfahlaufprall nach Euro-NCAP-Pole auf den Längsträger in FEM-Simulation appliziert worden [6]. Wichtiges Bewertungsmerkmal ist die Eindringung der deformierten Struktur in den Bauraum der Traktionsbatterie des Fahrzeugs sowie die unter der Crashverformung entstehenden Dehnungen im Werkstoff des Längsträgers. Die Werkstoffbeanspruchungen wurden entsprechend der im Projekt durchgeführten Werkstoffuntersuchungen gegen Rissversagen abgesichert und die Intrusionen mit der Ausgangskonstruktion in Schalenbauweise abgeglichen. Zur realitätsgetreuen Beurteilung der auftretenden Beanspruchungen durch den Crash wurden die durch die Umformung eingebrachten Werkstoffveränderungen durch Datenmapping von der Umformsimulation in die Crashsimulation implementiert. Anschließend konnte der Träger im Verbund der Unterstruktur geprüft werden. Basierend auf dieser verknüpften Simulation wurde ein Ersatzversuch abgeleitet und simuliert, der die Beanspruchung des Längsträgers durch den seitlichen Pfahlcrash im Einbaufall durch entsprechende Auflagerpunkte nachstellt, BILD 4. Unter Einbeziehung der Dehnungsverteilung durch das Umformverfahren konnte numerisch nachgewiesen werden, dass die Beanspruchungen durch den Crashtest sowie den Ersatzlastfall den Werkstoff des Längsträgers nicht versagen lassen und dass die Deformation des Batteriebauraums gegenüber der Schalenkonstruktion verringert wurde. PRAKTISCHE VERFAHRENSUMSETZUNG KUNST STOFF SPE AWARD WINNER 2015 FTE automotive Innovation drives PACE AWARD WINNER 2015 Als erster Hersteller überhaupt entwickelten wir aus getriebeölresistenten Hochleistungskunststoffen ein Gangstellermodul mit integrierter Positions- und Drehzahlsensorik, das höchsten Anforderungen an Dynamik, Genauigkeit und Zuverlässigkeit gerecht wird sowie unseren Kunden einen signifikanten Gewichtsvorteil bietet. Abgeleitet aus der numerischen Entwicklung der für das Verfahren benötigten Wirkflächen, wurde ein Werkzeug- Zusammen mit Ihnen gehen wir den nächsten Schritt. ATZ Jahrgang 31

5 TITELTHEMA KAROSSERIE konzept entwickelt, das die geforderte Umformung ermöglicht, BILD 5. Das Biegewerkzeug nimmt das Hutprofil als Halbzeug stützend auf und bringt im Boden- und den Flanschbereichen die Klemmkraft in Richtung der Biegeachse auf. Es besteht aus einer ortsfesten Klemmeinrichtung auf der Seite des noch unge bogenen Halbzeugs und einer sich über den Gliederdorn an die entstehende Biegegeometrie anpassenden, rotatorisch um die Biegeachse schwenkbaren Klemmeinrichtung. Das gesamte Anlagenkonzept des experimentellen Versuchsstands besteht aus einer Try-out-Presse für die Einleitung der Klemmkraft. Hinzu kommt ein seitlich am Werkzeug angebrachter Hydraulikzylinder, der über die Schwenkbewegung das Biegemoment in das Profil einleitet und als Nebenachse der Presse betrieben wird. Mit diesem Werkzeug ist es möglich, Hutprofile um ihre Hochachse zu biegen. Zur Applikation auf die Versuchseinrichtungen des Lehrstuhls für Umformtechnik Siegen wurden die Profilquerschnitte im Maßstab 1:2 des ausgelegten Längsträgers herunterskaliert und aus DP800 als Halbzeugmuster hergestellt. Auf der Servopresse des Automotive Centers Südwestfalen wurden diese Forschungsergebnisse anschließend im vollformatigen Längsträger umgesetzt. Die Abmaße des Hutprofilquerschnitts sind 120 mm hohe Zargen, 90 mm Bodenbreite und 20 mm Flansche. Mit dem entwickelten Werkzeug wurden wechselseitige Biegungen (S-Schläge) mit einem an der Zarge gemessenen Innenradius von 220 mm sowie einem Biegewinkel von 2 24 realisiert, BILD 6. Darüber hinaus wurden über die Verfahrensparameter unterschiedliche Biegeradien bis 340 mm sowie Biegewinkelbereiche von 14 bis 36 reproduzierbar gebogen. Zusammen mit den dargestellten Biegungen um die Querachse des Profils ist es somit gelungen, eine Fertigung des Längsträgers mittels ISB zu ermöglichen. Mit dem inkrementellen Schwenkbiegen wird eine neuartige Technik des Freiformbiegens vorgestellt, die sich durch flexible Fertigungsmöglichkeiten hinsichtlich der Biegegeometrie auszeichnet. Sie eignet sich daher insbesondere für kleine bis mittlere sowie schwankende Stückzahlen. Damit ist die Elektromobilität ein mögliches Branchensegment potenzieller Anwendungen. Im Rahmen des BMWi-Elektro- Power-Projekts ISB-Elektro wird die Fertigung eines Elektrofahrzeug-Längsträgers mittels ISB als Substitution konventioneller Schalenbauweise untersucht. Dafür wurden Finite-Elemente-Simulationen sowohl zur umformtechnischen Prozessauslegung als auch zur Validierung des derart hergestellten Strukturbauteils durchgeführt. Biegungen entsprechend der Geometrie des Unterbodenbereichs des Verfahrensdemonstrators wurden auf einer experimentellen Forschungseinrichtung maßstäblich hergestellt. BILD 3 Umformsimulation des inkrementell gebogenen Abschnitts im Unterbodenbereich, Biegung um die Profilhochachse, Darstellung der Hauptdehnung ( UTS) DANKE Das Projekt Inkrementelles Schwenkbiegen zur kosten günstigen Herstellung von Trägerstrukturen in Elektrofahrzeugen (ISB-Elektro) der Partner Automotive Center Südwestfalen GmbH, Edag Engineering GmbH, Kirchhoff Automotive Deutschland GmbH, Kronenberg Profil GmbH, Lewa Attendorn GmbH sowie dem Lehrstuhl für Umformtechnik der Universität Siegen wurde vom BMWi unter dem Kenn zeichen 01MX12048A gefördert. Die Autoren danken dem BMWi für die Förderung sowie dem Projektträger DLR für die Begleitung der Forschungsarbeiten. FAZIT UND AUSBLICK 32 BILD 4 Ersatzlastfall seitlicher Pfahlcrash am Längsträger Crash-FEM-Simulation mit Mapping-Daten, Darstellung der Hauptdehnung ( Edag)

6 Partner schafft Perspektiven Getrennt oder zusammen? BILD 5 Fertigung eines Längsträgers ( Automotive Center Südwestfalen) Safety und Security im Entwicklungsprozess. Safety und Security haben unterschiedliche Ziele und Konflikte sind unausweichlich, aber eine Trennung kommt nicht in Frage. Schnittstellen im Entwicklungsprozess, Wechselwirkungen und kollidierende Anforderungen decken wir in unserer Beratung frühzeitig auf. Und entwickeln für Sie ein umsetzbares Sicherheitskonzept, dem Sie vertrauen können. ITK Engineering GmbH Bei uns geht Sicherheit Hand in Hand. BILD 6 Verschiedene Biegeebenen ( UTS) LITERATURHINWEISE [1] Neugebauer, R.: Handbuch Ressourcenorientierte Produktion. München, Wien: Carl-Hanser- Verlag, 2014 [2] BMWi: Inkrementelles Schwenkbiegen zur kostengünstigen Herstellung von Trägerstrukturen in Elektrofahrzeugen. Forschungsverbundprojekt, Ausschreibung Elektro Power, 2011 [3] Engel B.; Frohn, P.; Knappe, A.; Wunderlich, A.: Strukturbauteile aus hochfestem Profil fertigen. In: Umformtechnik 50 (2016), Nr. 5, S [4] Davies, G.: Materials for Automobile Bodies. North-Holland: Elsevier Science Publishers, 2012 [5] Engel, B.; Groth, S.; Frohn, P.: Numerische Verfahrensentwicklung für das inkrementelle Schwenkbiegen (ISB) von komplexeren Profilquerschnitten. XXXIV. Verformungskundliches Kolloquium, Universität Leoben, Österreich, 2015 [6] Engel, B.; Groth, S.; Kuhnhen, C.; Frohn, P.; Knappe, A.: Profilträgerstrukturen durch inkrementelles Schwenkbiegen. In: Maschinenmarkt (2014), Nr. 25, S READ THE ENGLISH E-MAGAZINE Test now for 30 days free of charge: ATZ Jahrgang 33