FlexWB Passgenaue Bauteileigenschaften durch flexible Wärmebehandlung

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1 Ergebnisse aus 31 Verbundprojekten des BMBF-Förderschwerpunkts Ressourceneffizienz in der Produktion Effizienzfabrik, Berlin, FlexWB Passgenaue Bauteileigenschaften durch flexible Wärmebehandlung V. Ploshikhin 1,3, C. Lengsdorf 2, A. Prihodovsky 1, J. Kaiser 1, H. Bleier 1 1 Neue Materialien Bayreuth GmbH 2 SMS Elotherm GmbH 3 ISEMP, Universität Bremen Neue Materialien Bayreuth GmbH / Professor Dr.-Ing. V. Ploshikhin /

2 Partnerkonsortium FlexWB Induktionsanlagen, Energie- und Ressourceneffizienz Prozesssimulation und Demonstrationswerkzeug A-Säule Werkzeug Gehängeaufnahme und Bauteileigenschaften Greif- und Transfereinrichtungen Prozessgrundlagen und Realisierung der Prozessketten Werkstoffe, Werkstoffdaten und Beschichtungen Tribologische Eigenschaften und Werkzeugauslegung Intelligentes Versuchswerkzeug und Prozessparameter / 2 /

3 Gliederung Problemstellung: Leichtbau durch Presshärten hochfester Stähle Lösungsansatz: Kontakterwärmung statt Ofenerwärmung Technologieschlüssel: Einsatz induktiver Wärmequellen Zusammenfassung / 3 /

4 Problemstellung / Motivation Motivation Leichtbau Stahl- Leichtbaukomponenten Gewicht Quelle: Daimler AG CO 2 / 4 /

5 Problemstellung / Motivation Weltweite Produktion von pressgehärteten Bauteilen : 350 Mio : 107 Mio : 3 Mio. 1997: 8 Mio. Quelle: Schuler SMG

6 Problemstellung / Motivation Ofenbasiertes Warmumformen (Presshärten) Rollenherdofen ca. 40 m lang Quelle: Schuler SMG Energieintensiv (Ofen läuft permanent, auch bei Produktionsstopp) Hohe Energieverluste bei Wartungsarbeiten Sehr hohe Investitionskosten (Platzbedarf, Ofen) und niedrige Flexibilität Nur bedingte Möglichkeiten zur Realisierung von gradierten Eigenschaften (z.b. keine partielle Erwärmung der Platinen möglich) / 6 /

7 Problemstellung / Motivation Beispiel VW-Werk Kassel Produktion heute: Teile / Tag künftig: Teile / Tag Quelle: Blechnet / 7 /

8 Problemstellung / Motivation Im Ofen schwer realisierbar: partielle Eigenschaften Höchste Festigkeit ( MPa) Hohe Duktilität und Energieabsorptionsvermögen 1. Verbesserung der Crashsicherheit in Bereichen mit Zug- und Biegebelastung durch hohe Duktilität (Bruchdehnung bis 15%) und niedrige Festigkeit ( MPa) 2. Verbesserung der Energieaufnahme in Bereichen der Faltenbildung bei Stauchung durch Reduzierung der Festigkeit (auf MPa) bei der geringeren Bruchdehnung / 8 /

9 Gliederung Problemstellung: Leichtbau durch Presshärten hochfester Stähle Lösungsansatz: Kontakterwärmung statt Ofenerwärmung Technologieschlüssel: Einsatz induktiver Wärmequellen Zusammenfassung / 9 /

10 Lösungsansatz Die beste Wärmeübertragungsmethode der Welt Schnelle Wärmeübertragung aus einem Wärmespeicher durch einen direkten Kontakt / 10 /

11 Lösungsansatz Prinzip der Kontaktwärmebehandlung (KWB) Wärmeisolierung Platine Kontaktplatte 1 Kontaktplatte 2 Wärmequellen (z. B. Induktoren) Schnelle Wärmeübertragung aus einem Wärmespeicher durch einen direkten Kontakt / 11 /

12 Lösungsansatz Erwärmte Bleche im KWB-Heizmodul im Labormaßstab / 12 /

13 Temperatur, C Technologieschlüssel Temperaturentwicklung eines Bleches C Aufheizen Abkühlen Zeit, s / 13 /

14 Spannung in N/mm² Technologieschlüssel Eigenschaften vor und nach der Wärmebehandlung Spannung Dehnung Diagramm Festigkeit von ca MPa nach Kontaktwärmebehandlung und Abschrecken Ausgangsfestigkeit ca. 580 MPa (Werkstoff 22MnB5) Dehnung in % Ausgangszustand 5min 15s / 14 /

15 Lösungsansatz KWB-Umformlinie im Vorserien-Maßstab in Aktion (Video) / 15 /

16 Gliederung Problemstellung: Leichtbau durch Presshärten hochfester Stähle Lösungsansatz: Kontakterwärmung statt Ofenerwärmung Technologieschlüssel: Einsatz induktiver Wärmequellen Zusammenfassung / 16 /

17 Technologieschlüssel Wie werden Kontaktplatten warm gemacht? / 17 /

18 Technologieschlüssel Induktive Verfahren am Beispiel Rohr / 18 /

19 Technologieschlüssel Realisierung der Erwärmung für Kontaktwärmebehandlung Oberseite Unterseite / 19 /

20 Technologieschlüssel Herausforderung: gleichmäßige Temperaturverteilung Erwärmung von einer Seite mit Temperaturmaxima über den Heizleitern; bei der Erwärmung von zwei Seiten kann über versetzte Anordnung der Leiter eine homogenere Temperaturverteilung erzielt werden. Durch Isolation der Kontaktplatten mit keramischem Material wird die Temperatur-verteilung noch gleichmäßiger, weil am Rand über reduzierte Abstrahlung kaum noch Wärme verloren geht. / 20 /

21 Technologieschlüssel Integration in ein Erwärmungsmodul Erwärmungsmodul Erwärmungsmodul (Aufnahme mit einer Thermokamera) / 21 /

22 Technologieschlüssel Entlang der Prozesskette zum Endprodukt Erwärmung Transport / Positionierung Warmumformen B-Säule aus einem hochfesten Stahl / 22 /

23 Technologieschlüssel Möglichkeiten zur differenzierten Erwärmung 1. Beim Aufheizen T1 T2 T1 T1 T2 T1 2. Bei der Zwischentemperierung T2 > Ac3 > T 1 T1 T2 T3 T2 T1 T2 T3 T2 T1 > T2 > T3 / 23 /

24 Temperatur Technologieschlüssel Mögliche Erwärmungsstrategien Ac 3 T 1 Ac 1 T 2 V3 V2 V1 Zeit / 24 /

25 Temperatur in C Verlängerung in mm Technologieschlüssel Bauteilgefüge On-Demand , , , , ,12 50 µm 50 µm 50 µm 50 µm 500 0, , Temp. Verl. A B 0, A M 0, ,02 A M A B + M A B + M A M + (B) 0,00 Zeit in s Untersuchungen ThyssenKrupp Steel Europe AG (Gleeble) / 25 /

26 Gliederung Problemstellung: Leichtbau durch Presshärten hochfester Stähle Lösungsansatz: Kontakterwärmung statt Ofenerwärmung Technologieschlüssel: Einsatz induktiver Wärmequellen Zusammenfassung / 26 /

27 Zusammenfassung Zusammenfassung Kontaktwärmebehandlung bietet: Neue ofenfreie energieeffiziente Warmumformprozessketten Niedriger Investitions- und Platzbedarf (wichtig für KMUs) Hohes Potential zur gezielten Gestaltung partieller Bauteileigenschaften Werkzeugschonendes Warmumformen durch eine signifikante Reduzierung der Platinentemperatur vor der Umformung / 27 /

28 Danksagung Das Verbundprojekt Flexible Wärmebehandlung zur gezielten Gestaltung von Bauteileigenschaften und zur Erhöhung der Energieeffizienz der Prozesskette Warmumformen wird mit Mitteln des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) innerhalb des Rahmenkonzeptes "Forschung für die Produktion von morgen" unter dem Förderkennzeichen 02PO2350 gefördert und vom Projektträger Karlsruhe (PTKA), Bereich Produktion und Fertigungstechnologien (PFT) betreut. / 28 /