Einsatz eines neuartigen Verfahrens zum kombinierten Recken und Tiefziehen von Außenhautbeplankungen aus Feinblech

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit dem Einsatz einer neuartigen Technologie zum kombinierten Recken und Tiefziehen von Feinblechen unter Laborbedingungen. Das übergeordnete Ziel der Untersuchung besteht darin, die von Vlahovic und Liewald [Vla06b] vorgestellte Werkzeugtechnologie weiterzuentwickeln und diese für die Verwendung von Leichtbauwerkstoffen zu ertüchtigen. Die Technologie war bisher auf einfache Geometrien unter Verwendung von Stahlblechwerkstoffen limitiert, sodass im Rahmen dieser Arbeit die Einsatzmöglichkeiten erweitert wurden. Zunächst wurden in Kapitel 2 relevante Grundlagen der Umformtechnik sowie Werkzeugkonzepte und Technologien zum Recken bzw. Steckziehen von Feinblech vorgestellt und beschrieben. Hierbei wurden speziell die prozessbeeinflussenden Werkstoffkennwerte näher beleuchtet und deren Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften streckgezogener Bauteile erläutert. Im Rahmen anschließender Voruntersuchungen wurde in Kapitel 3 die neuartige Werkzeugtechnologie zum kombinierten Streck- und Tiefziehen vorgestellt und die Charakteristika des Verfahrens sowie deren Einfluss auf das Ziehergebnis beschrieben. Die Analyse der sog. Short-Cycle-Stretchforming-Technologie (SCS) sowie die Bewertung der damit hergestellten Bauteile, zeigten deutliche Optimierungs- und Weiterentwicklungspotentiale hinsichtlich der damit herstellbaren Bauteile und der zu verwendenden Blechgüten auf. Daraus leitete sich in Kapitel 4 die Motivation und Zielsetzung: dieser Arbeit ab. In Kapitel 5 wurden im Rahmen von Grundlagenuntersuchungen zunächst geometrische und tribologische Parameter an den für diese Technologie typischen SCS-Formelementen variiert, um relevante Einflussgrößen zu identifizieren und diese gezielt zu verändern. Hierfür wurde ein Laborprüfstand zur Ermittlung der Biege- und Reibungskräfte an Formradien entwickelt und aufgebaut, mit dessen Hilfe die Prozessparameter und deren Einfluss quantifiziert werden konnten. Die Erkenntnisse dieser Untersuchungen wurden für die Entwicklung eines weiteren, auf die SCS-Technologie basierenden, Versuchswerkzeuges genutzt. Dieser anwendungsnahe Prüfstand erlaubte die gezielte Variation weiterer Prozessparameter auf den Ziehvorgang, deren Untersuchungsergebnisse die Basis für den Aufbau eines entsprechenden Simulationsmodells bildeten. Für eine realitätsnahe Abbildung des Umformprozesses wurden für das Simulationsmodell experimentell ermittelte Werkstoffkennwerte sowie gemessene Reibungskenngrößen herangezogen. Das validierte Modell konnte anschließend für eine virtuelle Optimierung des Umformprozesses auf Basis numerischer Methoden eingesetzt werden. Unter Einbeziehung dieses Modells und mithilfe weiterer experimenteller Grundlagenuntersuchungen konnte die Funktion der SCS-Technologie ebenfalls auf eine Aluminiumlegierung der 6xxx-Familie übertragen werden. Im Rahmen dieser Prozesserweiterung auf einen Leichtbauwerkstoff wurde dieser hinsichtlich seiner natürlichen Alterung untersucht, um mögliche Einflüsse auf die Funktion der SCS-Technologie zu identifizieren. Basierend auf den Erkenntnissen der Grundlagenuntersuchungen wurde in Kapitel 6 die Prozesskinematik der SCS-Technologie auf zwei Bauteilgeometrien übertragen. Mithilfe der Prozesssimulation wurden zunächst ein SCS-Werkzeug für die Herstellung einer PKW-Fondtürbeplankung aus Stahlblechwerkstoff entwickelt und unter Laborbedingungen entsprechende Bauteile gefertigt. Aufgrund der Prozesscharakteristik konnten die Bauteile auf einer einfachwirkenden Presse ohne zusätzliche Zieheinrichtung hergestellt werden. Ferner wurde ein weiteres SCS-Werkzeug für die Herstellung einer Dachbeplankung entwickelt und aufgebaut. Hierbei wurden mehrere Neuerungen gegenüber den zuvor entwickelten Werkzeugen umgesetzt. Die Anzahl der für das Recken notwendigen Formelemente konnte reduziert werden, wodurch eine deutliche Verbesserung des Materialnutzungsgrades erreicht werden konnte. Weiterhin wurden die Formelemente erstmalig gekrümmt ausgeführt, um einerseits das Werkzeug kompakter gestalten zu können und andererseits der Krümmung des Bauteils Rechnung zu tragen. Die konstruktive Gestaltungskomplexität der Formelemente wurde hierdurch erhöht, der konstruktive Werkzeugaufbau spiegelt jedoch den Aufbau heutiger, konventioneller Tiefziehwerkzeuge wider, wodurch die Praxistauglichkeit des Verfahrens nachgewiesen werden konnte. Als weiteres Novum wurde dieses Werkzeug für die Herstellung von Blechformteilen aus einer Aluminiumgüte der 6xxx-Familie konzipiert. Damit konnte die Funktion der SCS-Technologie auch unter Verwendung eines Leichtbauwerkstoffs nachgewiesen werden. Im weiteren Verlauf wurden die Bauteileigenschaften der beiden Beplankungsteile untersucht und bewertet. Sowohl die in Abhängigkeit von den Platinenabmessungen erzielten Formänderungen, als auch die entsprechende Formänderungsverteilung wurden erfasst und bewertet. Ebenfalls wurde die dehnungsabhängige Rückfederung der Beplankungssteile betrachtet, um diese gegenüber dem konventionellen Tiefziehen von Blechformteilen bewerten zu können. Ein wesentlicher Schwerpunkt der Untersuchungen bestand darin, die dehnungsabhängigen Beuleigenschaften der Bauteile zu erfassen. Diese wurden mithilfe eines Beulprüfstandes im Rahmen von quasi-statischen sowie dynamischen Beulversuchen erfasst und bewertet. Es konnte sowohl für die Fondtürbeplankung aus Stahlblech, als auch für die Dachbeplankung aus Aluminium eine deutliche Erhöhung der Beulfestigkeit mit zunehmender Verfestigung nachgewiesen werden. Für die Aluminiumbeplankungsteile konnte diese durch eine zusätzliche Warmauslagerung der Bauteile, die einen im Fahrzeugbau typischen KTL-Lacktrocknungsprozess entspricht, nochmals deutlich gesteigert werden. Die Beulsteifigkeit der Bauteile veränderte sich nur marginal mit zunehmender Verfestigung. Diese nur unmerkliche Reduzierung resultiert aus dem dehnungsabhängigen Abfall des E-Moduls und der Blechdickenreduzierung. Um den SCS-Prozess mit dem konventionellen Tiefziehen auch aus energetischer Sicht vergleichen zu können, wurden entsprechende Messreihen durchgeführt, anhand derer die zur Herstellung einer Dachbeplankung nötige Energie erfasst wurde. Eine Gegenüberstellung mit dem konventionellen Tiefziehen unter Verwendung einer Zieheinrichtung, zeigte deutliche energetische Vorteile der SCS-Technologie auf. Schließlich konnten im Rahmen einer abschließenden Untersuchung weitere Einflussgrößen auf die Reproduzierbarkeit der Ergebnisse unter Verwendung der SCS-Technologie identifiziert werden. Ferner wurde ein entsprechendes Konzept erarbeitet, welches die Reproduzierbarkeit des Prozesses durch eine gezielte Steuerung des Werkstoffflusses erhöhen soll. Das Konzept zur Steuerung des Werkstoffflusses und das entsprechend umgesetzte Werkzeug wurden in Kapitel 7 vorgestellt. Es konnte die Funktion der gezielten Beeinflussung des Werkstoffflusses nachgewiesen werden, jedoch unterlag der Prozess größeren Schwankungseinflüssen, die im Rahmen dieser Arbeit nicht näher betrachtet wurden