EDAG-Forum Karosserie
Fulda, 23.Juni 2005
Neue Materialien = größeres Prozessrisiko ?
Neue Materialien = größeres Prozessrisiko ?Fol ie 2
EDAG-Forum Karosserie
Leichtbau: Material und Fertigungstechnik
Einflussgrößen auf die ProzesssicherheitF
F
F
F
FF
FF
F
F
FF
FF
F
F
FF
Prozessrisiko: Grenzformänderung und Prozessfenster
Neue Materialien = größeres Prozessrisiko ?Fol ie 3
Anforderungen Automobilindustrie: Erfüllung der Sicherheitsanforderungen
( New Car Assessment Program ) Erheblich verringerter Kraftstoffverbrauch Verbesserte Umweltverträglichkeit Kostengünstige Großserien-Produktion
→ Trend zum LEICHTBAU
Leichtbau: Material und Fertigungstechnik
Neue Materialien = größeres Prozessrisiko ?Fol ie 4
Leichtbau:
… ist nicht die Werkstoffsubstitution
… ist die Summe aus Anwendungen der Konstruktionstechnik, Werkstofftechnik, Umformtechnik und Verbindungstechnik
Konstruktions-techik
Werkstoff-techik
Fertigungs-techik
Fertigungs-techik
Umformtechnik
Verbindungs-technik
Leichtbau: Material und Fertigungstechnik
Neue Materialien = größeres Prozessrisiko ?Fol ie 5
Sta
hl u
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Ela
stom
ere
Son
stig
e
Kun
stst
offe
Alu
min
ium
Son
stig
e N
E-M
etal
le
Baujahr 2005
Baujahr 1995
Baujahr 1985Baujahr 1975
74
13
6 3 4
68
13
5 4
63
1413
6 4
55
14 15
106
0
10
20
30
40
50
60
70
80
Werkstoffverteilung beim PKWin Deutschland (Gewichts-%)
10
Leichtbau: Material und Fertigungstechnik
Trotz Zunahme von Kunststoff-, Aluminium- und Magnesiumkomponenten hat der Pkw Leichtbau die Entwicklung von höher- und hochfesten Stählen forciert
Werkstoffverteilung beim PKW
Neue Materialien = größeres Prozessrisiko ?Fol ie 6
0
10
20
30
40
50
60
70
0 400 600 1000200 800 1200Untere Streckgrenze [MPa]
Bru
chd
ehn
ung
[%
]
W eiche Tiefziehgüten
Martensitische StähleTRIP-StähleDP-/MP-Stähle
CMnHöherfeste mikrolegierte Stähle
BH-Stähle
Höherfeste IF-Stähle
IF-Stähle
Isotrope Stähle
LSS< 210 MPa
UHSS> 550 MPa
HSS210 - 550 MPa
Neue hochfeste Materialien - Potential und Anforderung
Leichtbau: Material und Fertigungstechnik
Neue Materialien = größeres Prozessrisiko ?Fol ie 7
0
10
20
30
40
50
60
70
0 400 600 1000200 800 1200Untere Streckgrenze [MPa]
Bru
chd
ehn
ung
[%
]
Warmumformung
Walzprofilieren und Biegen
Tiefzieheneinfache Geometrie
Tiefziehenkomplexe Geometrie
Halbwarm-umformung
Hydromec
Umformverfahren (Prozesse)
Leichtbau: Material und Fertigungstechnik
Neue Materialien = größeres Prozessrisiko ?Fol ie 8
Grenzformänderungsdiagramm
Ermittlung der Formänderung
Hauptdehnung
Hau
ptde
hnun
g
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
-0,3 -0,2 -0,1 0 0,1 0,2 0,3 0,4-0,4
Grenze der Einschnürung
Bruchgrenze
Prozessrisiko: Grenzformänderung und Prozessfenster
Neue Materialien = größeres Prozessrisiko ?Fol ie 9
Vergleichsdehnung
Werkstoffbeschreibung
Fliesskurve
Prozessrisiko: Grenzformänderung und Prozessfenster
Flie
sssp
annu
ng k
f[N
/mm
²]
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2
Dehnung
Deh
nung
Grenzformänderung
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
-0,4 -0,3 -0,2 -0,1 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6
Deh
nung
AlMgSi05 DP600 St14
Neue Materialien = größeres Prozessrisiko ?Fol ie 10
Umformmechanismen
Leichtbau: Material und Fertigungstechnik
Tiefziehen
= ln(d0/d1)d0
d1
z.B. Eckengeometrie von R10 in Tiefe 30mm: → =0,34
Dehnung
Deh
nung
Grenzformänderung
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
-0,4 -0,3 -0,2 -0,1 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6
Deh
nung
Biegen
Vergleichsdehnung
Flie
sssp
annu
ng k
f[N
/mm
²]
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2
Fliesskurve
Bodenreisser
R
s0
= ln(s0/2R) z.B. Radius R3 bei Blech Dicke 0,7 mm: → =0,08
Neue Materialien = größeres Prozessrisiko ?Fol ie 11
Systemabhängigkeit der Tiefziehfähigkeit
f1, f2
Tiefziehfähigkeit
Prozessfenster
f1 (Umformprozess)
f1 = BlechGeometrie (Dicke, Oberflächenrauheit, etc.)Werkstoff (Streckgrenze, Zugfestigkeit, Gleichmaßdehnung, E-Modul)Anisotropie r- und n-Wert
f1(Blech)
f2 = UmformprozessWerkzeug:
Geometrie (Abmessung, Oberfläche)Werkstoff (Art, Härte)
Schmierstoff:Art, Menge
Maschine:Ziehgeschwindigkeit, Niederhaltersteuerung, Steifigkeit, Umformtemperatur
Prozessrisiko: Grenzformänderung und Prozessfenster
Neue Materialien = größeres Prozessrisiko ?Fol ie 12
Gutteilbereich
Prozessfenster
Prozessrisiko: Grenzformänderung und Prozessfenster
max
sG
renzziehverh
ältni
FaltenbildungNie
derh
alte
rkra
ft
Ziehverhältnis ß
Bodenreißer
Zarge
Boden Flansch
Neue Materialien = größeres Prozessrisiko ?Fol ie 13
Prozessstabilität
kontinuierliche Erfüllung der Qualitätsanforderungen (bezogen auf das Bauteil)
Anforderung:
Erfassen von Abweichungen
Reaktion auf Abweichungen
VoraussetzungProzeßverständnis geeignete Analyse
Voraussetzung geeignete Anlage geeignete Stellglieder
Prozessrisiko: Grenzformänderung und Prozessfenster
Hohe technische Verfügbarkeit (bezogen auf Werkzeug und Maschine)
Neue Materialien = größeres Prozessrisiko ?Fol ie 14
Chargenschwankungen
Platine Geometrie: Zuschnitt und Blechdicke
Materialeigenschaften: Rp0,2, Rm, Ag
Schwankungsbreiten in einem beobachteten Serienprozess über 10 Chargen:
Schwankungsbreite Blechwerte
0,00%
5,00%
10,00%
15,00%
20,00%
25,00%
Rp0,2 Rm s
Kennwert
Abw
eich
ung
[%]
Material Blech
Einflussgrößen auf die Prozesssicherheit
DP 600Wanddicke 1,5 mm
0,00
0,10
0,20
0,30
0,40
0,50
0,60
0,70
Rp0,2 Rm s
Âuswirkung Schwankungsbreite auf Rückfederung
Verä
nder
ung
Rüc
kspr
ung
[mm
]
Neue Materialien = größeres Prozessrisiko ?Fol ie 15
Einflussgrößen auf die Prozesssicherheit
Stellgrößen zur Beeinflussung der Rückfederung
Radius am Ziehring Form und Lage der Ziehsicken
Niederhalterkraft und Kraftverteilung
Einflussgrößen auf die Rückfederung
Blechdicke Biegeradien an Stempel, Matrize und Ziehsicken Krümmung der Biegekanten (Profil) Endbeschnitt und Lochung Ziehtiefe
Neue Materialien = größeres Prozessrisiko ?Fol ie 16
Niederhaltersteuerung
Einflussgrößen auf die Prozesssicherheit
Einfluss Niederhalterkraft auf Rückfederung
3
3,5
4
4,5
5
5,5
0 10 20 30 40 50 60Niederhalterkraft [kN]
Vers
chie
bung
Aus
senp
unkt
[mm
]
Verschiebung normal Verschiebung tangential Verschiebung gesamt
Neue Materialien = größeres Prozessrisiko ?Fol ie 17
System Zieheinrichtung / Werkzeug für eine Vielpunktansteuerung
FF
FF
FF
Halten Fließen
gezielte Bereichsansteuerung
direkte Krafteinleitung
unabhängige Bereiche auf der Niederhalteroberfläche
Einflussgrößen auf die Prozesssicherheit
Quelle: Schuler
Neue Materialien = größeres Prozessrisiko ?Fol ie 18
Pin 2 = 100 kN
Pin 2 = 200 kN
Druckverteilung beim massiven Niederhalter
FF
FF
FF
Einflussgrößen auf die Prozesssicherheit
Quelle: Schuler
Neue Materialien = größeres Prozessrisiko ?Fol ie 19
Pin 3 = 100 kN
Pin 3 = 200 kN
Druckverteilung beim segment-elastischen Niederhalter
FF
FF
F
Einflussgrößen auf die Prozesssicherheit
Quelle: Schuler
Neue Materialien = größeres Prozessrisiko ?Fol ie 20
Krafteinleitungspunkte
1000 kN
1000 kN 1000 kN
150 kN150 kN 150 kN
Druckverteilung
Einflussgrößen auf die Prozesssicherheit
Quelle: Schuler
Neue Materialien = größeres Prozessrisiko ?Fol ie 21
1
2 3 4 5
6
7
168 9 10
11 12 13
1514a
14b
1
2 3 4 5
6
7
168 9 10
11 12 13
1514a
14b
Zylinderanordnung
beeinflußte Bereiche
Einflussgrößen auf die Prozesssicherheit
Quelle: Schuler
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Einflussgrößen auf die Prozesssicherheit
Einfluß der Ziehstablage auf die Rückfederung
Neue Materialien = größeres Prozessrisiko ?Fol ie 23
Wechselbeziehungen in der Fertigungstechnik
Material
Verfahren Konstruktion
Maschine
Logistik
Kalkulation
CAD
Berechnung
Design
Crash
Fügen
Umformen
Bauteil
Einflussgrößen auf die Prozesssicherheit
Neue Materialien = größeres Prozessrisiko ?Fol ie 24
Prozessstabilität:
… ist nicht die Frage nach dem Werkstoff
… liegt in der Verantwortung der Werkstofftechnik, Umformtechnik und Verbindungstechnik
Leichtbau: Material und Fertigungstechnik
fertigungsgerechteKonstruktion
VerfahrensbezogeneWerkstofftechnik
konstruktions- und materialspezifischeFertigungstechnik
Quelle: Gestamp
Neue Materialien = größeres Prozessrisiko ?Fol ie 25
Vielen Dank
für IhreAufmerksamkeit
Prof. Dr. – Ing.BerndEngel
Einflussgrößen auf die Prozesssicherheit