Technologiepotenziale für intelligenten Leichtbau

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1 Strukturbauteile im Automobil - Technologiepotenziale für intelligenten Leichtbau R. Neugebauer, W.-G. Drossel, A. Sterzing, F. Schieck Wissenschaftstag des Institutes für Faserverbundleichtbau und Adaptronik der DLR Braunschweig,

2 1. Einführung 2. Erschließung von Werkstoffpotenzialen durch Technologieentwicklung 3. Umformtechnologien für aktive Strukturbauteile 4. Zusammenfassung 2

3 1. Einführung 2. Erschließung von Werkstoffpotenzialen durch Technologieentwicklung 3. Umformtechnologien für aktive Strukturbauteile 4. Zusammenfassung 3

4 Das Fh IWU ein Institut der Fraunhofer-Gesellschaft Das Institut in Zahlen Gründung am 1. Juli 1991 ca. 380 Mitarbeiter > 23 Mio. Jahresetat m² Fläche, davon m² Versuchsfeld Kompetenzfelder Werkzeugmaschinen Mechatronik Spanende Technologien Umformtechnologien Systemtechnologien Fraunhofer IWU Standort Chemnitz Fraunhofer IWU Standort Dresden 4

5 Kernkompetenz Prozessketten der Automobilproduktion - Karosserie und Powertrain Produkt Produkt Technologie Produktionssystem Qualitätssicherung Blechumformung Design Klappen mit FGL-Aktorik Strömungswiderstand Thermomanagement Noise-Source-Ranking Leichtbaunockenwelle Spanende Technologien Fügen Fügen Werkzeugentwicklung Schwingprüfung mit Multiaxialprüfstand 5

6 Bahntechnik - Crashsichere Frontmodule Verbesserung des Crashverhaltens Simulationsmodells und simulierte Crashverformung. Gewichtsreduzierung gute mechanische Eigenschaften durch hohe Steifigkeit und gute Schwingungs- und Schalldämpfung bessere Wärmeisolation als massives Aluminium gute Recyclingfähigkeit Umgeformtes und aufgeschäumtes Frontmodulsegment Frontmodul für Schienenfahrzeug aus Aluminium-Aluminiumschaum- Sandwiches. Füge- und Reparaturtechniken 6

7 Spannungsfeld Mobilität Alternative Wege zu einer ökologisch orientierten Mobilität Heute Öl Morgen Kohle Biomasse Verbrennungsmotor versus E-Mobilität Heute Raffinerie Tankstelle Kriterium Verfügbarkeit? Hydrierung Kriterium CO 2 -neutral BtL Biomass to Liquid KFZ Tankstelle 1-Liter-Auto Tankstelle 1-Liter-Auto E-Mobil Morgen E-Netz Kraftwerk - Batterietechnik? - Produktionstechnik? - CO 2 -Neutral? - Gesamtwirkungsgrad? Kriterium CO 2 -neutral E-Mobil Strom E-Netz tankstelle Kohle Gas AKW Sonne Wind Biomasse Wasser 7

8 1. Einführung 2. Erschließung von Werkstoffpotenzialen durch Technologieentwicklung 3. Umformtechnologien für aktive Strukturbauteile 4. Zusammenfassung 8

9 Leichtbaupotenzial und technologischer Lösungsansatz Masseeinsparpotenzial durch Leichtbau im Automobil Karosserie: 15 % Motor/Antriebsstrang: 7 % Fahrwerk: 6 % Package: 5 % Leichtbauwerkstoffe Nichteisen-Metalle - Magnesium - Aluminium - Titan hoch-/höchstfeste Stahlwerkstoffe Anwendung hochfester Stähle VW Touareg ZStE 340 DP 600 TRIP 700 CPW 800 BTR 165 Bruchdehnung A 80 [%] Zielgebiet (während Umformung) Al Mg reduzierte Festigkeit erhöhte Dehnung Thyssen Krupp Stahl Zugfestigkeit R m [N/mm 2 ] Lösungsansatz HSS, AHSS, UHSS Ti nach Umformung Technologisches Parameterfeld Parameterbereich Betriebslast Temperatur, Geschwindigkeit... 9

10 Umformen von Strukturbauteilen aus Magnesium Thermisches IHU mit flüssigen Wirkmedien (T-IHU) Ansatz: Nutzung des Umformmediums als Wärmeträger Herausforderungen: Umformbereich: Beeinflussung des Umformverhaltens Nachschiebebereich: Vermeidung von Falten Lösung: Realisierung eines definierten Temperaturgradienten zwischen Nachschiebe- und Umformbereich Domhöhe h max [mm] AZ31B AZ61A AZ80A-F AZ 61 A = RT 20 6,1 0 T-IHU-Werkzeug Gekühlte Segmente Beheiztes Segment Isolierung Heizpatronen Kühlkreisläufe Umformergebnisse 47,2 51,2 48,3 38,6 20,5 6,1 6,1 6,1 18,2 Erweiterung der Umformgrenzen AZ 61 A = 300 C 100,2 61, Umformtemperatur [ C] 10

11 Weiterentwicklung des IHU zum Gas Forming Thermisches IHU mit gasförmigen Wirkmedien (T-IHU-G) Anspruch: Erweiterung des Verfahrens auf Temperaturbereiche über 300 C Umformung spezieller Aluminium-, Titan- und Stahllegierungen Herausforderung: Nutzung eines hochtemperaturbeständigen Umformmediums Lösung: Hot-Gas-Forming mit Stickstoff als Umformmedium Realisierbare Prozessparameter: max. Umformdruck 700 bar max. Umformtemperatur C max. Gasvolumen 6 l (bei 700 bar) Beispiel: Beispiel: Querträger Querträger aus aus Al Al Gasdruckerzeuger- Anlage am IWU Prototyp In Zusammenarbeit mit Siebenwurst Werkzeugbau Vorverdichter Druckspeicher Hochdruck - pumpen 11

12 Technologiebeispiel - Formhärten Bauteilbeispiele VW Passat Realisierung höchster Bauteilfestigkeiten (bis zu 1700 N/mm 2) Realisierung von hochgenauen und komplexen Bauteile Reduzierung der Bauteilanzahl und Werkzeuge LEICHTBAU in Stahl Beispiel: Direktes Formhärten PART EXAMPLES sill board (-2,45 kg) roof rail (-1,67 kg) B pillar (-4,72 kg) tunnel (-5,1 kg) coil with blanking press blanking blank heating furnace 950 C hydraulic press hot forming tool with cooling hot forming laser line laser trimming Gewichtsreduzierung 25 kg (im Vergleich zum Vorgängermodell) 12

13 Technologische Weiterentwicklung Prozesskombination Gas-Forming und Formhärten Testgeometry Versuchsausrüstung/-vorbereitung Umformmaschine (SHP ) Umformwerkzeug, einschließlich Kühlung (Definition: Werkzeuggeometrie, -design, -gestaltung) Bereitstellung von Testrohren - Werkstoff: 22MnB5 - D = 70 mm; s = 2,0 mm - R m 550 N/mm 2 Prozesssequenz/-strategie - Ermittlung geeigneter Prozessparameter (Erwärmung/Kühlung, Transfer, Werkzeugschließen, Umformen) 380 mm Kritische Bauteilbereiche (umformtechnischer Anspruch) Eckbereiche Senke Realisierung und Bewertung von Testbauteilen - Ermittlung finaler Bauteileigenschaften, (insbesondere Festigkeit) E F B 13

14 Verfahrensablauf Gas-Forming/Formhärten internal pressure p [bar] Prozesssequenz Druck-Zeit-Verlauf Gas forming Sollkurve Istkurve forming time t [s] Werkzeugschließen t = 10 s GAS FORMING t = 18 s Druck p max = 600 bar Nachschieben s = 2 x 12 mm Kühlen t = 20 s Bauteiltransfer t = 10 s Realisiertes Bauteil (22MnB5) Erwärmung t = 5 min; = 950 C E F B 14

15 Ergebnisse Gas-Forming/Formhärten Festigkeit im Wandbereich (basierend auf Härtemessungen) 600 (DIN EN ISO 18265; DIN 50150) 2000 Messlänge l = 100 mm 0 l Vickers hardness HV strength R m [N/mm 2 ] Effekte: measuring length l [mm] -Signifikanter Festigkeitsanstieg Nachweis der Machbarkeit -ungleichmäßige Festigkeitsausbildung Einfluss von Kontakt- und Werkzeugbedingungen Bauteile mit örtlich optimalen Eigenschaften 15

16 1. Einführung 2. Erschließung von Werkstoffpotenzialen durch Technologieentwicklung 3. Umformtechnologien für aktive Strukturbauteile 4. Zusammenfassung 16

17 Technologien für aktive Strukturbauteile - Motivation Adaptronik: Integration von Sensoren und Aktoren auf Werkstoffebene Reduzierung von Schwingungen und Lärm Structural health monitoring Leichtbaukonstruktionen mit hoher Funktionsintegration Wandlerwerkstoff Piezokeramik F - + F Sensor = Deformation Ladung L + V - Aktor = Elektrisches Feld Deformation 17

18 Technologien für aktive Strukturbauteile - Anwendungsbeispiel Low-Cost Lautsprecher-System mit piezokeramischen Modulen - direkt in die Karosseriestruktur integriert - geringe Masse, minimaler Bauraum, frei lokalisierbar Grundlagen: Aktor-Module mit Piezo-Folien oder Piezo-Fasern Quelle: PI Ceramic Blechteil mit Piezo-Modul Source: Fraunhofer IWU 18

19 Technologien für aktive Strukturbauteile - Prozessketten Funktionsintegration Technologie für aktive Strukturbauteile heute Piezo-Modul Standard module Applikation auf Metallstruktur (Kleben) Aktives Strukturbauteil Laborbedingungen Reproduzierbarkeit Fertigungszeit Quelle: Smart Material GmbH Produktionstechnologien für Strukturbauteile hoch produktiv, niedrige Bauteilkosten hohe geometrische Vielfalt in kurzen Prozessketten Leichtbau durch Werkstoff und Geometrie 19

20 Prozesskettenansatz für aktive Strukturbauteile Großserienfähige Produktionstechnologien für leichtmetall- und faserverbundbasierte Komponenten mit integrierten PiezoSensoren and -Aktoren PT-PIESA DFG SFB / TR 39 - Sprecher: Prof. Reimund Neugebauer Prozesskette heute Produktion von Sensoren und Aktoren Mechanische Bauteilfertigung Piezokomposite- Modul Strukkturbauteil Applikation Prozesskette PT-PIESA Oil sump Modul- und Bauteilfertigung Material- und Funktionsintegration in einer Prozesskette Integration 1. Förderperiode 7/2006-6/ Teilprojekte Budget: 7,0 Mio. 20

21 Forschungsgegenstand SFB /TR 39 PT-PIESA Entwicklung von Piezofaser-Metall-Modulen CF-PEEK Folien Foils with mit Gripper Stapel- TPM werkzeug Measuring and Mess- & Curing Tool rungs- Online- Polarization Fixierwerkzeug Fixing Tool Piezo-Komposite-Bauteile Thermoplastischen-Matrices Prof. W.Hufenbach Prof. R.Neugebauer Dr.W.-G. Drossel Umformen von Piezo-Metall-Verbünden Prof. R. Singer Integration durch Leichtmetalldruckguß Prof. M.Geiger Prof. A.Schmidt Laser Kontaktierung Prof. A.Michaelis Dr. A.Schönecker Piezokeramik 21

22 Herausforderung für die Umformtechnik duktiles Aluminium Bruchdehnung 15 % Mechanical Structure Interface Layer Spannung Sensor-/Actuator-Module Keramik Aluminium Piezokeramik Blech Piezokeramik spröde Bruchdehnung 1 %0 Formänderung Piezokeramische Folie nach der Umformung in einem Patch-Verbund Formbarkeit? ohne Zug, ohne Schub!!! D Lösung: Bernoulli, Navier max Biegen dünner Fasern!!! 2 22

23 Integrationsansätze Direkte Integration auf Micro-Niveau Piezo-faser Modul-Integration in einen Doppel-Blech-Verbund Klebstoff Blech 2 Metall Direkte, steife Ankopplung Piezo-Modul Blech 1 Piezo-Modul Temporär weiche Ankopplung Hohe Leistungsfähigkeit aufgrund niedriger Verluste durch fehlende Zwischenschichten Geringes Umformpotenzial Leistungsfähigkeit abhängig von: - Schubsteifigkeit des ausgehärteten Klebstoffs - Zwischenschichten im Modulaufbau Umformbarkeit wird durch die Schubsteifigkeit des nicht ausgehärteten Klebstoffs bestimmt 23

24 Lösungsansatz temporäre Kopplung Prinzip des schwimmenden Lagers während der Umformung Schichtaufbau (undeformiert) Schichtaufbau (umgeformt) Blech 1 s MFC-na MFC neutral axis (na) Gaze MFC Klebstoff l MFC Blech 2 Basis-Blech mit MFC Kontaktierung Blech MFC mit Gaze Kabel Montageband (Fixierung, Abstand) 24

25 Lösungsansatz temporäre Kopplung Vor der Umformung 5 10 Pa s T = 22 C Niedrige Viskosität schwimmendes Lager Während der Umformung Pa s T = 22 C Gelierzeit time min (22 C) Gelierzeit min (45 C) Hohe Viskosität steife Ankopplung (Sensor und Aktor Performance) Nach der Umformung Voll ausgehärteter Klebstoff E-Modul = 3770 N/mm² Aushärtezeit 8 h (22 C) Tensile Test of Sika Icosit KC220/15 Stress [N/mm²] Strain [N/mm²] 25

26 Modellierung Abmessungen im Piezo-Modul 250 μm Querschnitt einer Piezofaser Kupfer-Elektroden (17,5 μm) Polyimide Film (10 μm) Epoxy-Matrix Standard Modul Quelle: Smart Material GmbH Diskretisierung des Umformmodells in der Größenordnung der Piezofaser ist nicht möglich Homogenisierung notwendig Abstandshalter Niederhalter Blech in-aktiver MFC-Teil Aktiver MFC-Teil Ziehring FE-Modell zur Umformsimulation 26

27 Umformung von Piezo-Metall-Kompositen 3-Punkt-Biegen Streckziehen / Tiefziehen Probe Testwerkstück Biegeradius: 10 mm Blechdicken: 1.0 / 1.5 mm Schliffbild Ziehtiefe: 30 mm Blechdicken: 1.0 / 0.8 mm Erichsen Test Variation der Biegeradien: 75 / 40 / 10 mm Unterschiedliche Blechdicken Variation der Niederhalterkraft Unterschiedliche Werkzeuggeometrie Unterschiedliche Blechdicken 27

28 Umformung von Piezo-Metall-Kompositen Inline - Test Direkte Kapazitätsmessung im Umformwerkzeug 3-Punkt-Biegetest Kein Kapazitätsabfall bis zu Radien R=10 3D-Umformung (Tiefziehen) Abfall der Kapazität um bis zu 22% Fehlerindikation Radius Kap. vor Umformung [nf] [nf] R50* R40* R10* Kap. nach Umformung *Al6016; 0.8/1.0 mm; M8528P1 Ziehtiefe Kap. vor Umformung [mm] [pf] [pf] 25* Kap. nach Umformung *Al5182; 0.8/1.0 mm; M2814P1 28

29 Umformung von Piezo-Metall-Kompositen CT-Tests Ergebnis für das 3-Punkt-Biegen Keine Schädigung bis zu Biegeradien R=10 29

30 Validierung der Simulations-Modelle punch force [N] uniform bending -- radius 50 mm Test Data Simulation punch displacement [mm] punch force [kn] stretch-forming -- radius 50 mm Test Data Simulation punch displacement [mm] punch force [kn] deep-drawing -- radius 25 mm Test Data Simulation punch displacement [mm] Sehr gute Übereinstimmung mit den experimentell ermittelten Stempelkräften Modelle geeignet für die Prozessoptmierung 30

31 Vorhersage von Prozessgrenzen Streckziehen R50 Tiefziehen R25 W elast, fibre W elast, fibre N*mm N*mm 31

32 1. Einführung 2. Erschließung von Werkstoffpotenzialen durch Technologieentwicklung 3. Umformtechnologien für aktive Strukturbauteile 4. Zusammenfassung 32

33 Zusammenfassung Ressourceneffizienz heißt immer auch Leichtbau Leichtbau = Bauteildesign + Werkstoff + Technologie Extremleichtbau durch Adaptronik erfordert serientaugliche Technologien - Umformen von Piezo- Metall-Verbunden ist möglich 33

34 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Kontakt: 34