Institut für Integrierte Produktion Hannover Innenhochdruckumformen laserstrahlgelöteter Tailored Hybrid Tubes aus Stahl-AluminiumMischverbindungen für den automobilen Leichtbau 15. Werkstoff-Forum Hannover Messe 2015 | Produktion erforschen und entwickeln | Vorhaben Entwicklung eines IHU-Herstellungsprozesses für Leichtbauteile auf Basis von Halbzeugen aus gelötetem Stahl und Aluminium – Entwicklung des Fügeprozesses für Stahl und Aluminium durch Laserstrahllöten (Laser Zentrum Hannover e.V.) – Identifikation geeigneter Umformparameter Vorversuche an Blechmaterial – FEM-Modell der Umformung für die Prozessauslegung – Durchführung eines realen IHU-THT-Prozesses Mögliche Geometrien für Bauteile aus IHU-THTs © IPH | Jonathan Ross | Produktion erforschen und entwickeln | 2 Projektpartner Gräbener Maschinentechnik GmbH & Co. KG IPH - Institut für Integrierte Produktion Hannover gGmbH Johnson Controls GmbH KIRCHHOFF Automotive Deutschland GmbH Laser on demand GmbH Laser Zentrum Hannover e. V. LMB GmbH Scansonic IPT GmbH SET Ltd. © IPH | Jonathan Ross | Produktion erforschen und entwickeln | 3 Arbeitsgebiete Produktionsautomatisierung Logistik Prozesstechnik – verteilte Systeme – – Schmiedeverfahren – drahtlose Kommunikation – Innenhochdruckumformen – Intelligenz in Systemen – Hybridschmieden – Simulationstechniken – Prozesskette Umformtechnik – Geschäftsprozessgestaltung – multi-funktionale Werkzeuge – Systemdurchgängigkeit – Wirtschaftlichkeit von Prozessketten © IPH | Jonathan Ross Gestaltung von Produktionsnetzen – Dezentrale Steuerung der Produktion in Netzen – sicherer Materialfluss in Produktionsnetzen – Logistikeffizienz – Ressourceneinsatz | Produktion erforschen und entwickeln | 4 Unternehmensstruktur und Arbeitsbereiche Geschäftsführung Beirat Prof. Dr.-Ing. Bernd-Arno Behrens Prof. Dr.-Ing. habil. Peter Nyhuis Prof. Dr.-Ing. Ludger Overmeyer Dr.-Ing. Georg Ullmann Industrie Land Niedersachsen Hochschule Zentrale Aufgaben Logistik Produktionsautomatisierung Prozesstechnik Dr.-Ing. Georg Ullmann Christian Böning Björn Eilert Dr.-Ing. Malte Stonis © IPH | Jonathan Ross | Produktion erforschen und entwickeln | 5 Ausgangssituation Gewichtsreduzierung zur Verbrauchssenkung – steigendes Umweltbewusstsein, Erhöhung der Fahrdynamik, Effizienzsteigerung – Kompensierung der Zusatzgewichte für Fahrsicherheit und Komfort – hochfeste Stähle und Werkstoffmix – pro 100 kg Einsparung von 0,3 l/100 km – ab 2018 gestaffelte Strafzahlungen bei Nicht-Erfüllung der geforderten Emissionsgrenzen © IPH | Jonathan Ross | Produktion erforschen und entwickeln | 6 Ausgangssituation Substitution mehrerer Bauteile zu einem Bauteil – Forderung nach unterschiedlichen lokalen Festigkeitseigenschaften zur Optimierung des Crashverhaltens innerhalb eines Bauteils – 1 Anpassung der Bauteileigenschaften durch angepasste Formen und Wandstärken 1,8 mm 2,1 mm 3 2 1,4 mm – Tailored Blanks – Tailored Tubes 4 5 1,4 mm Quelle: VW Quelle: ThyssenKrupp Konstruktiver Leichtbau durch Einsatz des IHU-Verfahrens – hohe Steifigkeiten durch geschlossenen Querschnitt – Möglichkeit variabler Querschnitte – hohe homogene Verfestigungen Tailored Hybrid Tubes (THTs) – zusätzliche Anpassung des Werkstoffs (Stahl und Aluminium) © IPH | Jonathan Ross Quelle: ATZ Online | Produktion erforschen und entwickeln | 7 Ausgangssituation Anwendungspotenzial von IHU-THTs – Achsträger – Cockpitquerträger, Sitzquerträger Quelle: Congress ILS 2005 – Rücksitzlehnen Quelle: VW – Aufprallschutz in Türen zur Anbindung an Türinnenblechen Quelle: iw-online.de Quelle: umformtechnik.net © IPH | Jonathan Ross Quelle: variostruct.de | Produktion erforschen und entwickeln | 8 Lötversuche – Pyrometrische Temperatur-Leistungsregelung – Strahlauslenkung (Variation von Frequenz und Amplitude) – unterstützt von angepasster Vorschubgeschwindigkeit Scanner Drahtzufuhr T Pyrometer t Angepasstes Temperatur-Zeit-Profil © IPH | Jonathan Ross Prinzip des Laserlötprozesses | Produktion erforschen und entwickeln | 9 Lötversuche Werkstoffe – – – Stahl: DC 05, HCT600X Aluminium: EN AW-6082, EN AW-7075 Lote: AlSi12, ZnAl16 CAD-Modell Prozesskopf © IPH | Jonathan Ross Realer Versuchsaufbau mit Prozesskopf | Produktion erforschen und entwickeln | 10 Lötversuche Blechwerkstoffe: DC 05, EN AW-6082 Lot: AlSi12 St Al Querschliff Fügestelle des gelöteten Flachmaterials – Aluminium angeschmolzen – komplett von Lot umschlossen – Rm=125 MPa © IPH | Jonathan Ross Al St Querschliff Fügestelle des gelöteten Flachmaterials bei verbessertem Lötprozess Verbesserte Lötparameter – – Reduzierung Wärmeeintrag Reduzierung Anschmelzen Aluminium | Produktion erforschen und entwickeln | 11 Lötversuche Blechwerkstoffe: DC 05, EN AW-6082 Lot: ZnAl16 St Al Querschliff Fügestelle des gelöteten Flachmaterials – Aluminium angeschmolzen – komplett von Lot umschlossen © IPH | Jonathan Ross | Produktion erforschen und entwickeln | 12 Umformversuche an Flachmaterial Umformversuche an gelöteten Blechproben – Ziel: gleichmäßige Umformung der Werkstoffhälften – Problem: unterschiedliches Fließverhalten St und Al keine lokale Temperierung – Wärmekapazität des THTs sehr gering (dünne Wandstärken, große Innendurchmesser) verworfen: lokale Temperierung der Werkstoffe – Ausgleich des Temperaturgradienten durch IHU-Flüssigkeit Ergänzung: Parameter Wandstärke 𝜎1 – Beeinflussung der Spannung σ innerhalb einer Werkstoffhälfte einer Probe durch Anpassung der Querschnittsfläche A bei gleicher Kraft F 𝜎= 𝜎2 𝐹 𝐴 𝐴2 > 𝐴1 𝜎2 < 𝜎1 ergänzt: Beeinflussung der Spannung einer Werkstoffhälfte durch Variation der Querschnittsfläche © IPH | Jonathan Ross | Produktion erforschen und entwickeln | 13 Umformversuche an Flachmaterial statt Hydraulischer Tiefung aller Proben: Zugversuche – deutlich reduzierter Aufwand – schnellere Versuchsdurchführung Lötnaht – höherer Probenumfang – anschließende Validierung der geeignetsten Parameterkombinationen durch Hydraulische Tiefung Zugversuch-Proben mit geneigter Lötnaht Zugproben der Hybridverbindung mit Lötnähten unterschiedlicher Ausrichung – Lötnaht mit geringster Festigkeit im Verbund – Zugbelastung durch senkrecht angreifende Normalkraft ungünstig Lötnaht – günstiger: Scherung durch Tangentialkraft Kräfteverhältnis an der Lötnaht der Zugprobe © IPH | Jonathan Ross | Produktion erforschen und entwickeln | 14 Umformversuche an Flachmaterial Hydraulische Tiefung – hydraulischer Tiefungsversuch aufwendig – hohe Versuchsdauer – Erforderlichkeit großer Materialproben – realistische Simulation der Blechumformung – belastungsangepasste Ermittlung der Fließkurve – Biaxialer Spannungszustand wie im IHU-Prozess Prinzip des hydraulischen Tiefungsversuchs [Doege/Behrens: Handbuch Umformtechnik] Biaxialer Spannungszustand in der Tiefungsprobe [ebd.] © IPH | Jonathan Ross | Produktion erforschen und entwickeln | 15 FEM-Simulation IHU-Prozess Nachbildung der Lötnaht in FEM – zunächst für Flachmaterial – Anpassung an Versuchsergebnisse der Umformproben anschließend Übertragung der Lötnaht auf 3D-Bauteile Umformversuche an Monomaterial – Zugversuche – Hydraulische Tiefung Flachmaterial Hybridprobe in LS-DYNA rot – Stahlteil; grün – Aluminiumteil; blau – Lötnaht © IPH | Jonathan Ross | Produktion erforschen und entwickeln | 16 FEM-Simulation IHU-Prozess – Auslegung IHU-Prozess mittels FEM (LS-DYNA, explizites Schalenmodell) – einstufige Prozessauslegung – Ausweitung der Simulationen auch auf Realbauteile – Parameterstudie zur Identifizierung prozessbeeinflussender Parameter Stahl, 1 mm Aluminium, 2 mm FEM-Modell IHU-THT vor der Umformung; Stempel und THT dargestellt, anliegendes Formwerkzeug ausgeblendet rot – Stahlteil; grün – Aluminiumteil; blau – Lötnaht © IPH | Jonathan Ross Umformsimulation IHU-THT am Ende des Umformprozesses; Stempel und THT dargestellt, anliegendes Formwerkzeug ausgeblendet farbliche Darstellung der v.-Mises-Vergleichsspannung | Produktion erforschen und entwickeln | 17 FEM-Simulation IHU-Prozess Aluminium, 2 mm Stahl, 1 mm Umformsimulation IHU-THT; Stempel und THT dargestellt, anliegendes Formwerkzeug ausgeblendet rot – Stahlteil; grün – Aluminiumteil; blau – Lötnaht © IPH | Jonathan Ross | Produktion erforschen und entwickeln | 18 Fügestelle Stumpfstoß Lötnaht geringere Festigkeit höhere Festigkeit Überlappstoß Lötnaht Fase Schnittdarstellung beider Varianten von Lötverbindungen des Stahl- und Aluminiumrohrs © IPH | Jonathan Ross | Produktion erforschen und entwickeln | 19 Ausblick Weiterführende Versuche – Abschluss Lötversuche – Umformversuche Flachmaterial – Werkstoffdaten für FEM-Simulation Untersuchung der Diffusionszone – Mikrohärtemessung FEM-Modell IHU-THT im Stumpfstoß gefügt – EDX-Analyse Übertragung auf 3D-Bauteile – Spannvorrichtung – Umformwerkzeug – Prozessauslegung FEM-Modell IHU-THT im Überlappstoß gefügt © IPH | Jonathan Ross | Produktion erforschen und entwickeln | 20 Ansprechpartner Jonathan Ross, M.Sc. Dipl.-Ing. Sarah Nothdurft IPH - Institut für Integrierte Produktion Hannover gGmbH LZH – Laser Zentrum Hannover e.V. Hollerithallee 6 Hollerithallee 8 30419 Hannover 30419 Hannover ( +49 (0)511 27976-332 ( +49 (0)511 2788-365 7 +49 (0)511 27976-888 7 +49 (0)511 2788-100 @ [email protected] @ [email protected] 8 www.iph-hannover.de 8 www.lzh.de www.ihu-tht.de © IPH | Jonathan Ross | Produktion erforschen und entwickeln | 21 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit © IPH | Jonathan Ross | Produktion erforschen und entwickeln | 22
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