Beschreibung
P1127 – Materialwissenschaftlich gestützte Entwicklung von Simulationsstrategien für den Einsatz des adiabatischen Trennens in der Blechteilefertigung
Zur Reduktion des Materialeinsatzes und gleichzeitiger Verfolgung des Leichtbaugedankens werden zunehmend höchstfeste Stähle mit Zugfestigkeiten größer 1000 MPa im Automobilbau eingesetzt. Praktisch jedes Blechbauteil erfährt während des Herstellprozesses eine Beschnittoperation. Konventionelles Scherschneiden oder Feinschneiden können allerdings für höchstfeste Stähle nicht oder nur unter hohem Aufwand bezüglich der Vor- und Nachbehandlung eingesetzt werden.
Hier bietet das adiabatische Scherschneiden eine Alternative zum konventionellen Scherschneiden oder zum kostenintensiven Laserbeschnitt. Es konnte bereits gezeigt werden, dass dieses Verfahren eine hohe Güte bezüglich der Geradheit, Rundheit und Oberflächenbeschaffenheit der schergeschnittenen Kante aufweist. Allerdings fehlen für den industriellen Einsatz des adiabatischen Scherschneidens grundlegende Untersuchungen für relevante hochfeste Stähle, wie vielfach genutzte Presshärtestähle. Weiterhin sind für diese Stähle die beim adiabatischen Scherschneiden eintretenden mikrostrukturellen Vorgänge und ihre Auswirkung auf technologische Eigenschaften nicht beschrieben. Ebenso fehlen grundlegende Ansätze zur Abschätzung der notwendigen Prozessenergie, Prozessgeschwindigkeit und eine Klassifizierung bezüglich der Eignung der einzusetzenden Werkstoffe.
Das Ziel des Projektes ist es, diese offenen Fragen zu beantworten, sowie die Lücke zum industriellen Einsatz, durch eine grundlegende Charakterisierung des Prozesses, zu schließen. Weiter wird eine Methodik zur Simulation des stark temperatur- und dehnratenabhängigen Prozesses benötigt. Zur Erreichung der Ziele wurden umfangreiche Materialcharakterisierungsversuche (Temperaturen bis 1000 °C und Dehnrate ?̇ bis 1000 1/s) durchgeführt. Zur Bestimmung des Versagensverhaltens dienten Zugversuche mit Kerbgeometrie. Insgesamt wurden drei unterschiedliche Stahlgüten untersucht. Auf Grundlage dieser Untersuchungen wurden nummerische und analytische Modelle zur Abschätzung der lokal entstehenden Temperatur und der notwendigen Prozessenergie zur Durchführung der Trennoperation entwickelt. Es wurden adiabatische Scherschneidversuche zur Herstellung zylindrischer Bauteile und verschiedener Demonstratoren (Rechteckplatten mit abgerundeten Kanten) durchgeführt. Weiterhin wurde gezeigt, dass zwei der untersuchten Stähle (20MnB5 und C75S), trotz nahezu ähnlicher mechanischer Kennwerte bei Raumtemperatur unter quasi-statischer Belastung, deutliche Unterschiede beim adiabatischen Trennen zeigten.
Insbesondere wurde gezeigt, dass die Dehnratensensitivität der Stähle, sowohl einen großen Einfluss auf die Initiierung und Ausbildung von adiabatischen Scherbändern besitzt, aber auch gleichzeitig die notwendige Prozessenergie durch diesen Faktor stark beeinflusst wird. Mit Finite-Elemente-Simulationen konnte die entstehende charakteristische Form der schergeschnittenen Flächen mit hoher Genauigkeit vorhergesagt werden. Die entwickelten Methoden können für die Prozessauslegung genutzt werden.
Veröffentlichung:
Mai 2020
Autoren:
Prof. Dr.-Ing. A. E. Tekkaya, Dr.-Ing. T. Clausmeyer, Dipl.-Ing. D. Staupendahl, F. Schmitz M.Sc., Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. M. F.-X. Wagner, Dipl.-Ing. S. Winter
