Experimentelle Untersuchung und Modellierung des Wärmeübergangs beim Presshärten

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Alexander Brosius; Professor Dr.-Ing. Andreas Paul Fröba; Professorin Dr.-Ing. Marion Merklein
• Fachliche Zuordnung: Ur- und Umformtechnik, Additive Fertigungsverfahren
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 505805919

Wachsendes Umweltbewusstsein und gesetzliche Vorgaben zum CO2-Ausstoß haben in den letzten Jahrzehnten zu einer stetig steigenden Bedeutung des Leichtbaus in der Automobilindustrie geführt. Das Presshärten höchstfester Bor-Mangan Stähle hat sich dabei zu einem Standardverfahren bei der Fertigung sicherheitsrelevanter Karosseriekomponenten entwickelt. Bei diesem Prozess werden die Halbzeuge zunächst oberhalb der werkstoffspezifischen AC3-Temperatur vollständig austenitisiert. Nach der Wärmebehandlung erfolgt ein direkter Transfer des glühenden Blechs in das Werkzeug. Parallel zur anschließenden Umformung wird das Werkstück im Werkzeug abgeschreckt. Sofern bei diesem Prozessschritt eine kritische Abschreckgeschwindigkeit überschritten wird, bildet sich ein vollständiges martensitisches Gefüge, wodurch Zugfestigkeiten von mehr als 1500 MPa erreicht werden können. Wesentlich für die finalen mechanischen Eigenschaften der pressgehärteten Bauteile ist somit der Temperaturverlauf in der Prozesskette und insbesondere im Abschreckprozess. Für die präzise numerische Prozessauslegung ist daher eine genaue Beschreibung des Wärmeübergangs an der Kontaktstelle zwischen Werkstück und Werkzeug wichtig. Er wird in der Finite-Element-Methode in der Regel mit Hilfe eines entsprechenden Wärmeübergangskoeffizienten modelliert, wobei entweder ein konstanter Wert für den gesamten Prozess oder lediglich eine Definition in Abhängigkeit der Flächenpressung vorgenommen wird. Dies führt zu beachtlichen Unsicherheiten in der Prozessmodellierung. In der Fachliteratur gibt es zwar bereits komplexere Wärmeübergangsmodelle, welche aber primär für einzelne, teils recht eingeschränkte Versuchsreihen gültig sind. Das Ziel des Forschungsvorhabens ist daher die Erarbeitung eines grundlegenden Verständnisses der beim Presshärten vorkommenden Mechanismen des Wärmetransports sowie deren Modellierung. Die experimentelle Analyse des Wärmeübergangs unter Presshärtebedingungen erfolgt in repräsentativen Versuchsreihen mit systematischer Variation ausgewählter Prozessparameter, wobei die jeweiligen Temperaturverläufe in Werkstück und Werkzeug erfasst und zur Bestimmung von zeitabhängigen Wärmeübergangskoeffizienten genutzt werden. Diese Daten und zusätzliche Messergebnisse bezüglich des Verlaufs von Oberflächenrauigkeiten sollen zur Entwicklung eines physikalisch basierten Modells zur zeitaufgelösten Abbildung des Wärmeübergangskoeffizienten an der Kontaktstelle zwischen Werkstück und Werkzeug unter Berücksichtigung der Prozessparameter dienen. Da der Wärmeübergang wesentlich von der Kontaktsituation zwischen Werkzeug und Werkstück beeinflusst wird, sollen zusätzlich die unterschiedlichen Kontaktbedingungen numerisch abgebildet werden. Durch die Kombination des zu erarbeitenden Wärmeübergangsmodells mit einem Submodell zur kontinuierlichen Bestimmung der wahren Kontaktfläche zwischen Werkzeug und Werkstück soll die Vorhersagegenauigkeit der numerischen Prozessauslegung verbessert werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen