Prozessstabilität bei der Organoblechumformung durch wärmeisolierende Werkzeugbeschichtungen
Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Bernd-Arno Behrens, Dipl.-Ing. Hendrik Vogt, Institut für Umformtechnik und Umformmaschinen, Leibniz Universität Hannover - Prof. Dr.-Ing. Christoph Herrmann, Dr.-Ing. Christian Stein, Fraunhofer-Institut für Schicht-und Oberflächentechnik Braunschweig
126 Seiten - 73,00 EUR (sw, 116 teils farbige Abb., 13 Tab.)
ISBN 978-3-86776-635-7
Zusammenfassung
Um den CO2-Ausstoß von PKW durch Leichtbaustrategien merklich zu verringern, muss der Leichtbaugedanke vermehrt Einzug in die Großserie halten.
Die Organoblech-Technologie zeichnet sich durch ein hohes Leichtbaupotenzial und vor allem effiziente Verarbeitungsverfahren aus. In den letzten Jahren wurden erhebliche Anstrengungen sowohl in der Wissenschaft, aber auch der Wirtschaft unternommen, die Umformung dieser Halbzeuge zu beherrschen. Inzwischen wird der Prozess gut verstanden, so dass eine verbreitete Umsetzung in Serienfertigung zu erwarten ist.
Allerdings treten mit zunehmender Bauteilkomplexität auch zunehmend unzureichend konsolidierte (=verdichtete) Bauteile bzw. Bauteilbereiche auf, die unter anderem das optische Erscheinungsbild beeinträchtigen. Die unzureichend konsolidierten Bereiche sind auf eine schnelle Auskühlung der Organobleche während der Umformung zurückzuführen und erschweren somit den Einsatz. Trotz optisch ansprechender Ästhetik des Materials bei guter Konsolidierung wird somit ein Einsatz im Sichtbereich verhindert.
Ziel dieses Vorhabens war es daher, die Konsolidierungs- und Oberflächenqualität bei der Umformung komplexer Organoblechbauteile zu erhöhen, ohne die Werkzeugtemperatur zu steigern.
Durch den Einsatz einer wärmeisolierenden Werkzeugbeschichtung kann das Zeitfenster zur Umformung von Organoblechen vergrößert werden. Durch den verringerten Wärmestrom wird die Erstarrung des Organobleches verzögert, wodurch auch bei vergleichsweise langen Werkzeugkontaktzeiten der Thermoplast bis zum Erreichen der Konsolidierungsphase geschmolzen bleibt.
Zunächst wurden Screeningversuche zur Evaluation der Wärmedämmwirkung und der mechanischen Stabilität verschiedener Beschichtungsansätze und Prozessvariationen durchgeführt. Dabei wurden zum einen Dünnschichtsysteme wie modifizierte DLC-Schichten sowie zum anderen Dickschichtsystem aus keramischen Wärmedämmschichten geprüft.
Um die Erkenntnisse auf einen Umformprozess zu übertragen, wurde zudem ein Versuchswerkzeug konstruiert und in Betrieb genommen. Dieses war so ausgelegt, dass verschiedene Schichten darin getestet werden konnten.
Im Anschluss wurden die geeignetsten Schichtsysteme im Versuchswerkzeug untersucht. Dazu wurden Bauteile aus Organoblech hergestellt, die anschließend anhand optischer Kennwerte ausgewertet wurden. Da die Schichtsysteme bei industriellen Testbedingungen lediglich einen geringen Einfluss auf die Konsolidierungsqualität hatten, wurden zudem Prüfungen bei extremen Bedingungen (niedrige Werkzeugtemperatur und Umformgeschwindigkeit) durchgeführt. Dabei zeigen die modifizierten DLC-Schichten bei polierten Werkzeugen und geringen Werkzeugtemperaturen einen positiven Effekt.
Besonders die Kombination aus thermisch gespritzten ZrO2-Schichten als Wärmedämmschicht und der a-C:H:Si:O-Beschichtung als Deckschicht sorgt für eine Verbesserung der Oberflächenqualität. Durch den Einsatz dieser kann ein Freiliegen von Faserbündeln an der Bauteiloberfläche vermieden werden.
Förderhinweis
Das IGF-Vorhaben „Prozessstabilität bei der Organoblechumformung durch wärmeisolierende Werkzeugbeschichtungen" der Forschungsvereinigung EFB e.V. wurde unter der Fördernummer AiF 20215N über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Der Abschlussbericht ist als EFB-Forschungsbericht Nr. 577 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.
Summary
To significantly reduce CO2 emissions from passenger cars through lightweight construction strategies, the lightweight construction concept must increasingly find its way into large-scale production. Organic sheet technology is characterized by high light weighting potential and, above all, efficient processing methods. In recent years, considerable efforts have been made both in science and industry to master the forming of these semi-finished products. In the meantime, the process is well mastered and understood, so that widespread implementation in series production can be expected.
However, with increasing component complexity, insufficiently consolidated (≈compacted) components or component areas are also increasingly occurring, which, among other things, impair the visual appearance. The insufficiently consolidated areas are due to rapid cooling of the organic sheets during forming and thus make their use more difficult. Despite the visually appealing aesthetics of the material with good consolidation, use in the visible area is thus prevented.
The aim of this project was therefore to increase the consolidation and surface quality during the forming of complex organic sheet components without increasing the tool tem-perature. By using a heat-insulating die coating, the time window for forming organic sheets can be increased. The reduced heat flow delays the solidification of the organic sheet, which means that even with comparatively long mold contact times, the thermo-plastic remains molten until the consolidation phase is reached.
Initially, screening tests were carried out to evaluate the thermal insulation effect and me-chanical stability of different coating approaches and process variations. On the one hand, thin-film systems such as modified DLC coatings and, on the other, thick-film systems consisting of ceramic thermal barrier coatings were tested. To transfer the findings to a forming process, a test tool was also constructed and put into operation. This was de-signed so that various coatings could be tested in it. The most suitable coating systems were then investigated in the test tool. For this purpose, components were made of organic sheet metal, which were then evaluated based on optical characteristics.
Since the coating systems had only a slight influence on the consolidation quality under industrial test conditions, tests were also carried out under extreme conditions (low tool temperature and forming speed). Here, the modified DLC coatings showed a positive effect with polished tools and low tool temperatures. In particular, the combination of thermally sprayed ZrO2 layers as a thermal barrier layer and the a-C:H:Si:O coating as a top layer improves the surface quality. The use of these coatings prevents fibre bundles from being exposed on the component surface.
Inhaltsverzeichnis
Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Formelzeichen und Abkürzungen
Zusammenfassung
1 Anlass für das Forschungsvorhaben
2 Stand der Technik
2.1 Faserverbundwerkstoffe
2.1.1 Fasern
2.1.2 Polymere Matrixsysteme
2.1.3 Faserhalbzeuge
2.2 Organoblechumformung
2.2.1 Umformverfahren
2.2.2 Erwärmung
2.2.3 Konsolidierung
2.3 Oberflächenkennwerte
2.3.1 Tastschnittverfahren
2.3.2 Amplitudenkenngrößen
2.3.3 Dreidimensionale Kenngrößen
2.4 Werkzeugbeschichtungen
2.4.1 Dünnschichten
2.4.2 Dickschichten (keramische Wärmedämmschichten)
3 Zielsetzung und Vorgehensweise
4 Untersuchungswerkstoffe & Versuchsdurchführung
4.1 Untersuchungswerkstoffe
4.2 Versuchsanlagen und Untersuchungsmethoden
4.2.1 Beschichtungsanlagen
4.2.2 Thermische Beschichtungsprüfung
4.2.3 Umformversuche
4.2.4 Thermografie
4.2.5 Maßhaltigkeitsuntersuchung
4.2.6 Oberflächenprüfung
4.2.7 Biegeuntersuchungen
5 Werkzeugkonstruktion und Inbetriebnahme
5.1 Werkzeugauslegung und Konstruktion
5.2 Werkzeuginbetriebnahme
6 Beschichtungsauswahlentwicklung und thermische Charakterisierung
6.1 Dünnschichten auf Probekörpern
6.2 Dickschichten auf Probekörpern
6.3 Thermische Charakterisierung von Dünnschichten
6.4 Thermische Charakterisierung von Dickschichten
6.5 Beschichtung von Werkzeugeinsätzen
7 Umformversuche und Bauteilanalyse
7.1 Referenzversuche
7.2 Einfluss der Prozessparameter auf die Oberflächenqualität
7.3 Qualifizierung der Dünnschichten
7.4 Qualifizierung der Dickschichten
8 Handlungsempfehlungen zur Übertragung auf eine Demonstratorgeometrie
9 Ergebnisse
9.1 Wissenschaftlich-technischer Nutzen der Ergebnisse für KMU
10 Literatur
11 Anhang
11.1 Schichtcharakterisierung
11.2 Werkzeuginbetriebnahme
11.3 Referenzversuche
11.4 Einfluss der Prozessparameter auf die Oberflächenqualität
11.5 Qualifizierung der Dünnschichten
