Potenziale der Kontakterwärmung in der Blechwarmumformung
Verfasser:
Dipl.-Ing. Stefan Polster, Dr.-Ing. Pat.-Ing. Julia Schönherr, M. Sc. Franz Reuther, Dipl.-Ing. Fabian Dietrich, Prof. Dr.-Ing. Reinhard Mauermann, Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik Chemnitz
112 Seiten - 74,00 EUR (sw, 64 teils farbige Abb., 18 Tab.)
ISBN 978-3-86776-611-1
Zusammenfassung
Leichtbau ist ein allgegenwärtiges Thema in der derzeitigen Diskussion um neue Fahrzeugkonzepte. Der Bedarf an leichteren Autos und entsprechend gewichtsoptimierten Bauteilen wird auch durch alternative Antriebssysteme weiter stark zunehmen. Ein Hauptaugenmerk der Leichtbaukonzepte liegt auf dem eingesetzten Werkstoff, wobei hier insbesondere aus-scheidungshärtbare Aluminiumlegierungen und höchstfeste Presshärtestähle im Fokus stehen.
Jedoch bedingen gerade dieser Leichtbauwerkstoffe in der Bauteilproduktion den Einsatz von temperaturunterstützten Prozessen, zum Beispiel Wärmebehandlungs- oder Warmumformprozesse. Aus ökologischer Sicht ist jedoch der verstärkte Einsatz von temperaturunterstützten Prozessen konträr zu den Bestrebungen, den Bedarf an industrieller Prozesswärme zu reduzieren.
Daher muss dem steigenden Bedarf an diesen Leichtbaukomponenten die Senkung des Energieverbrauchs und die Verbesserung der Energieeffizienz in der Produktionsphase entgegengesetzt werden. Hierzu können energieeffiziente und anpassungsfähige Erwärmungstechnologien wie die Kontakterwärmung einen wichtigen Beitrag leisten.
Im Rahmen des Projekts „Potenziale der Kontakterwärmung in der Blechwarmumformung" fanden umfangreiche Untersuchungen zur Kontakterwärmung und -temperierung statt. Dabei wurden einerseits die anlagentechnischen Grenzen, wie z. B. das Abkühlungsverhalten der Kontaktplatten, die maximalen Aufheizraten und Erwärmungszeiten, untersucht und andererseits die Erwärmungsprozesse sowie die damit erzielbaren Bauteileigenschaften (z. B. Zugfestigkeit, Bruchdehnung, Härte) analysiert.
Hinsichtlich der Energieeffizienz bietet die Kontakterwärmung als Schnellerwärmungsverfahren großes Potenzial. Durch die Kontakterwärmung kann eine Platine im Durchschnitt 10mal schneller erwärmt werden, als in einem konventionellen Kammerofen. Bei Aluminiumlegierungen ist zudem die im vorliegendem Projekt untersuchte pressenintegrierte Kontakterwärmung, d. h. die Kopplung einer Heiz- mit einer Abkühlstufe zu einem Transferwerkzeug, ein weiterer vielversprechender Ansatz, die Verarbeitung dieser Legierungen in die industrielle Anwendung zu überführen.
Mit Hilfe der kontaktbasierten Heizstufe konnte im Projekt eine Testplatine mit bis zu 60 K/s auf die geforderte Solltemperatur erwärmt werden, also 30mal schneller als bei der Ofenerwärmung. Die bei der Kontakttemperierung genutzte Abkühlstufe ermöglicht zudem maximale Abkühlraten von über 300 K/s, was bei der Wärmebehandlung von speziellen Alumini-umlegierungen (z. B. AA7075 mit einer kritischen Abkühlrate >100 K/s) ein entscheidendes Kriterium für das Erreichen der geforderten Bauteileigenschaften darstellt.
In Summe stellt die Kontakterwärmung für Leichtbauwerkstoffe nachweislich ein effizientes und flexibel einsetzbares Schnellerwärmungsverfahren dar.Dies leistet einen wichtigen Beitrag, um den Energieverbrauch bei temperierten Umformprozessen dauerhaft zu senken und somit Leichtbaukomponenten ökologisch nachhaltig zu produzieren.
Förderhinweis
Das IGF-Vorhaben „Potenziale der Kontakterwärmung in der Blechwarmumformung" der Forschungsvereinigung EFB e.V. wurde unter der Fördernummer AiF 19191BR über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Der Abschlussbericht ist als EFB-Forschungsbericht Nr. 554 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.
Summary
Lightweight construction is an omnipresent topic in the current discussion about new car concepts. The need for lighter cars and accordingly lightweight structural components like pillars, sills and cross members will also increase regardless of alternative driving systems. One focus of lightweight construction is the material, especially precipitation-hardenable aluminum alloys and high-strength, press hardening steels.
Despite all their differences, these materials have one thing in common: Mostly they can only be processed using temperature-controlled processes. This means that certain mechanical properties of the workpiece can only be set by a specific, multi-stage temperature procedure.
The industrially widespread heating via convection and radiation, for example used in roller hearth furnaces, is an inefficient, time-consuming and inflexible solution. For this purpose, contact heating has been developed as an innovative technology, which is characterized by high heating rates of 400 K/s, the possibility of partial heating and flexible process steps, e.g. intermediate cooling and holding stations.
The challenges arising from contact heating are in particular the definition of the specific temperature regime for achieving the final mechanical properties of the part. This requires precise knowledge of the overall system of material, technology and equipment.
The following article demonstrates these three research fields and highlights the current technical implementation at Fraunhofer IWU, suitable process parameters for heating of 6000 and 7000 aluminum alloys and press hardening steels as well as future applications and limits of the contact heating technology.
Inhaltsverzeichnis
Zusammenfassung
Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Abkürzungs- und Kurzzeichenverzeichnis
1 Einleitung
2 Stand der Technik und Forschung
2.1 Blecherwärmungsverfahren und -anlagen
2.2 Funktionsprinzip der Kontakterwärmung
2.3 Anwendungsgebiete der Kontakterwärmung
2.3.1 Stahlwerkstoffe
2.3.2 Aluminiumlegierungen
3 Problemstellung, Forschungsziel und Arbeitsprogramm
3.1 Wissenschaftlich-technische und wirtschaftliche Problemstellung
3.2 Arbeitshypothesen und Forschungsfragen
3.3 Lösungsweg und realisierter Arbeitsplan
4 Projektergebnisse
4.1 AP1: Definition der Anforderungen an Bauteile und Prozesse
4.1.1 Definition relevanter Prozessrouten für die Blechwarmumformung
4.1.2 Werkstoffauswahl
4.2 AP2: Anpassung der Werkzeug-, Anlagen- und Messtechnik sowie Versuchsplanung
4.2.1 Anpassung der Werkzeug- und Anlagentechnik
4.2.2 Messtechnik
4.2.3 Versuchsplanung
4.3 AP3: FE-Simulation
4.3.1 Modellaufbau und Wirkprinzip
4.3.2 Modellrandbedingungen
4.3.3 Kalibrierung der thermischen Modellrandbedingungen
4.4 AP4: Versuchsdurchführung und -auswertung
4.4.1 Mehrstufige Erwärmungsprozesse in der KEA
4.4.2 Prozessrouten S1 und S3
4.4.3 Prozessrouten A1 bis A3
4.5 AP5: Leitfaden
4.5.1 Serienbetrieb KEA
4.5.2 Serienbetrieb pressenintegrierte Kontakttemperierung
4.5.3 Berechnungsformeln
5 Nutzung und Verwertung der erzielten Forschungsergebnisse
5.1 Wissenschaftlich-technischer und wirtschaftlicher Nutzen der Ergebnisse
5.2 Innovativer Beitrag der erzielten Ergebnisse
5.3 Industrielle Anwendungsmöglichkeiten
6 Literaturverzeichnis
