Werkstoffcharakterisierung und Simulation

In den letzten Jahren hat sich in der Automobilbranche mit dem Presshärten ein neues Verfahren etabliert, welches sich sehr gut für die umformtechnische Herstellung besonders sicherheitsrelevanter Bauteile eignet. Durch stark erhöhte Prozesstemperaturen wird in einem mit der Formgebung kombinierten Härteprozess ein Gefüge mit besonders hohem Martensitanteil erzeugt, was zu enormen Festigkeiten führt. Das am häufigsten für diesen Zweck eingesetzte Material ist der mit Mangan und Bor legierte Stahl 22MnB5. Durch eine starke Herabsetzung der zum Härten notwendigen kritischen Abkühlgeschwindigkeit ist dieses Material für den Presshärtprozess besonders geeignet. Dieser Schritt der Blechverarbeitung in Richtung der Warmumformung stellt allerdings neuartige Herausforderungen dar. Die komplexeren Bedingungen an die Auslegung der Fertigungsprozesse erfordern ein hohes Maß an Forschung und Entwicklung, um einen der Blechumformung im kalten Zustand entsprechenden Stand zu erreichen. Ein Augenmerk liegt hierbei auf der Ermittlung von Eingangsgrößen für numerische Simulationen. Diese sind aus der heutigen industriellen Praxis, insbesondere der Fertigungstechnik, kaum mehr wegzudenken und stellen oft das wichtigste Werkzeug dar, um eine schnelle Serienreife von Bauteilen zu erreichen und eine wirtschaftliche Prozesssicherheit zu gewährleisten. Die Genauigkeit der Berechnungen hängt dabei besonders von der Qualität der Eingangsdaten ab. Die hinterlegten Materialeigenschaften beeinflussen sehr stark die letztendliche Annäherung der Berechnung an die Realität. Sind für die Kaltumformung rein mechanische, isotherme Betrachtungen ausreichend, ist im Falle der Warmumformung die Implementierung von Materialmodellen notwendig, welche die mechanischen Eigenschaften der Werkstoffe in für den jeweiligen Prozess charakteristischen Temperaturbereichen wiedergeben. Desweiteren treten nicht vernachlässigbare thermische Wechselwirkungen des Werkstücks mit seiner Umgebung auf, weshalb zusätzlicher experimenteller Aufwand zur Bestimmung von Wärmeübergangskenngrößen unerlässlich ist. Der Kontaktwiderstand bildet für die thermische Auslegung von Bauteilen eine wichtige Voraussetzung für die gekoppelt durchgeführten Berechnungen mit der Finite- Elemente- Methode (FEM). Beim Tiefziehen werden der Blechwerkstoff und das Werkzeug unter hohen Drücken und meist auch hohen Temperaturen zusammengepresst. Dabei sind die thermischen und auch mechanischen Eigenschaften der eingesetzten Werkstoffe für die Prozessauslegung von großer Bedeutung. Um zu den fundamentalen Eigenschaften der verschiedensten Werkstoffe zu gelangen, werden diese meist mit Hilfe der Methoden der Thermischen Analyse ermittelt. Dabei werden chemische und physikalische Eigenschaften der Werkstoffe als Funktion der Temperatur gemessen. Die Ergebnisse der Thermischen Analyse finden Verwendung in dieser realitätsnah durchgeführten FE-Simulation, um die Bauteilsicherheit zu erhöhen. Dabei wachsen die Ansprüche an die eingesetzten Werkstoffe stets weiter. Werden mehrere Materialien zu einem Bauteil zusammengesetzt, ist eine Analyse der thermischen Spannungen notwendig. Bei einer gleichzeitigen Belastung der Werkstoffe durch thermische und mechanische Einflüsse, muss eine gekoppelte Simulation durchgeführt werden. Um die Genauigkeit dieser Berechnungen zu erhöhen, muss die Druckabhängigkeit der Temperaturleitfähigkeit und des Kontaktwiderstandes mit verschieden Methoden der thermischen Analyse experimentell bestimmt und mit entsprechender Software berechnet und ausgewertet werden. Die erhöhte Umformtemperatur beim Presshärten bringt weiterhin eine Zunahme der Verformbarkeit des eingesetzten Materials mit sich. Die bis zum Versagen ertragbare Formänderung ist vielfach höher als bei Raumtemperatur. Dies erfordert natürlich die Bestimmung kritischer Formänderungsgrößen zur Einschätzung von im Prozess auftretenden Belastungen. Neben dem einachsigen Zugversuch ist in der Blechumformung die Ermittlung der Verformungsfähigkeit unter mehrachsiger Beanspruchung üblich. Hierzu werden sogenannte Grenzformänderungsschaubilder aus mehreren bis zum Bruch verformten Proben ermittelt, welche durch unterschiedliche Geometrien verschiedenen Spannungszuständen ausgesetzt werden. Je nach Verhältnis der entstehenden Formänderungen verändert sich die vom Werkstoff ertragbare Verformung. Diese ist allerdings stark von den bei der Ermittlung vorherrschenden Verhältnissen und der Geometrie der verwendeten Werkzeuge abhängig