Multikriterielle, prozessübergreifende Auslegung für den Herstellprozess von Aluminium-Kühlplatten auf Basis der ganzheitlichen Modellierung der Prozesskette Umformen/Laserschweißen

• Antragsteller: Dr.-Ing. Christian Hagenlocher; Dr.-Ing. Kim Rouven Riedmüller
• Fachliche Zuordnung: Ur- und Umformtechnik, Additive Fertigungsverfahren ; Fügetechnik und Trenntechnik
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 558591047

In modernen Batteriemanagementsystemen für Hochleistungsanwendungen wie Elektrofahrzeugen und Systemen für erneuerbare Energien nimmt die Batteriekühlung mittels entsprechender Kühlplatten eine Schlüsselfunktion ein. Die Kühlkanäle dieser Platten werden zunächst umformtechnisch in ein ebenes Blech eingebracht. Das fertige Bauteil entsteht dann durch das Fügen dieses umgeformten Blechs mit einem zweiten ebenen Blech mittels Laserschweißens im Überlappstoß. Beim Schweißen der Nähte, die bei diesen Kühlkanälen meist mehrere Meter umfassen, werden relativ hohe Laserleistungen genutzt, um die beiden Teilkomponenten mit möglichst hohen Vorschubgeschwindigkeiten zu schweißen. Beim Laserstrahlschweißen mit solchen hohen Geschwindigkeiten neigen jedoch hochfeste Aluminiumlegierungen, die zur Herstellung der Kühlplatten eingesetzt werden, zur Bildung von Heißrissen. Diese Heißrisse führen zu undichten Nähten und damit zum Bauteilausschuss. Für die Auslegung des Herstellungsprozesses solcher Aluminium-Kühlplatten werden heute die Fertigungsschritte Umformen und Laserschweißen separat mittels FE- bzw. CFD-Simulationen modelliert und individuell optimiert. Die Optimierung des Umformprozesses zielt dabei im Wesentlichen darauf ab, bei der Umformung möglichst wenig Eigenspannungen in das Bauteil zu induzieren, um Rückfederungseffekte gering zu halten und somit eine hohe Maßhaltigkeit zu erzielen. Zur Vermeidung von Heißrissen im Schweißprozess sind hingegen Druckeigenspannungen im zu schweißenden Bereich von Vorteil, was dem Ziel eines möglichst eigenspannungsfreien Bauteils nach der Umformung entgegensteht. Dies bildet die Ausgangslage dieses Forschungsvorhabens, welches die multikriterielle Auslegung der Fertigungsprozesskette von Aluminium-Kühlplatten unter Berücksichtigung aller für das Bauteil relevanten Qualitäts- (Maßhaltigkeit, Festigkeit, Dichtheit), sowie von Kostenzielen (Energiebedarf) zum Ziel hat. Dafür werden zuerst die Einzelprozesse modelliert und optimiert. Später soll durch die Kombination der entwickelten Umform- und Laserschweißmodelle eine Betrachtung der gesamten Prozesskette und der auftretenden Wechselwirkungen zwischen den Fertigungsverfahren möglich werden. Für eine möglichst robuste Auslegung des Herstellungsprozesses von Aluminium-Kühlplatten werden dabei nicht nur deterministische Prozesseingangsgrößen, sondern auch Unsicherheiten, die durch spezifische Schwankungsbreiten der Materialeigenschaften und die Prozessumgebung entstehen, betrachtet und im Gesamtmodell berücksichtigt. Die Prozesskette wird schließlich in den Laboren der Institute umgesetzt und dabei in die Werkzeuge und Vorrichtungen Sensoren integriert, die eine direkte Rückmeldung aus dem Prozess und die Validierung der Modelle ermöglichen. Die auf diese Weise in FÖP1 entwickelten Simulationsmethoden und analytischen Modelle bilden dann die Grundlage für die Entwicklung einer inversen, multikriteriellen Optimierungsstrategie für die gesamte Prozesskette in FÖP2.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2476: Prozessübergreifende Modellierung in der Produktionstechnik
• Mitverantwortliche: Professor Dr.-Ing. Mathias Liewald; Professor Dr.-Ing. Andreas Michalowski