Erweiterung der Formgebungsgrenzen von Blechplatinen aus schnellaushärtenden Aluminiumlegierungen durch gezielte Einstellung der mechanischen Eigenschaften
Final Report Abstract
Im ersten AP wurde ein Prozessfenster für die Verfestigung schnellaushärtbarer Aluminiumlegierungen erarbeitet. An einer eigens konstruierten Wärmebehandlungsstation wurden zunächst grundlegend die Verfestigungsmechanismen mehrerer serienrelevanter Aluminiumlegierungen der 6000er Gruppe untersucht und anschließend die werkstoffspezifischen Mechanismen für unterschiedliche Wärmebehandlungen ausführlich erforscht. Die Haltezeit wurde als Haupteinflussfaktor auf die Verfestigung identifiziert und die Erhöhung des Fließbeginns auf die Bildung von semi- und inkohärenten Ausscheidungen der Legierungselemente (Mg, Si) infolge der Wärmebehandlung zurückgeführt. Das aufgespannte Prozessfenster für die Einstellung der entscheidenden Wärmebehandlungsparameter Maximaltemperatur und Haltezeit zeigt die Möglichkeit einer lokalen Wärmebehandlung bei moderater Haltedauer auf, welche sich ohne negative Auswirkungen auf die Umformung selbst sowie auf die finalen Bauteileigenschaften realisieren lässt. Auf Basis des Prozessfensters wurden im zweiten AP die prinzipiellen Wirkmechanismen einer lokalen Verfestigung von THTB mittels der Methode der Finiten Elemente ausgearbeitet und validiert. Die grundlegenden Wirkmechanismen der lokalen Erhöhung der Fließgrenze sind einerseits auf die erhöhten Reaktionskräfte und die damit verbundenen Effekte in Form eines erhöhten Widerstandes gegen tangentiale Druckspannungen sowie eines verbesserten Materialeinzugs aus der Umformzone in rissgefährderte Bauteilbereiche zurückzuführen. Anderseits hat die zu späteren Prozesszeiten verzögerte Blechausdünnung der Platine einen messbaren Beitrag bei der Kraftübertragung und damit bei der versagensfreien Umformung von THTB aus schnellaushärtbaren Aluminiumlegierungen zur Folge. Gekoppelt können beide Effekte der lokalen Verfestigung das Umformvermögen eines Bauteils aus schnellaushärtbaren Aluminiumlegierungen entscheidend beeinflussen und die bisherigen Grenzen der Umformbarkeit zu höheren Umformgraden erweitern. Im AP 3 wurden allgemein gültige Gestaltungsrichtlinien für die Gestaltung von Wärmebehandlungslayouts erarbeitet. Aufgrund der Möglichkeit, alle relevanten Dehnungszustände abbilden zu können, wurde für die Untersuchung ein Kreuznapf als Bauteilgeometrie herangezogen. Ausgehend von einer flächendeckenden Verfestigung konnte die Größe der zu verfestigenden Bereiche für die Gestaltung von THTB reduziert werden. Im Hinblick auf Form und Lage der Wärmelayouts gilt es, risskritische Bereiche, welche einer Blechausdünnung ausgesetzt sind, lokal so weit zu verfestigen, dass zum einen ein verspätetes Fließen des Werkstoffes und damit eine verzögerte Reduzierung der Blechdicke eintritt. Zum anderen können radiale Zugspannungen besser über kritische Blechzonen in die Umformzone im Flansch weitergeleitet werden, wodurch eine frühzeitige Plastifizierung des Werkstoffes begünstigt und damit der Materialeinzug in kritische Bereiche gefördert wird. In Anbetracht des mit der Größe des Layouts verbundenen Zeit- und Kostenaufwandes bei der Wärmebehandlung stellt die deutliche Reduzierung der zu behandelnden Fläche einen entscheidenden Faktor bei der praxisnahen Umsetzung von THTB in der industriellen Serie dar. Um den industrienahen Einsatz von THTB zur Steigerung des Umformvermögens schnellaushärtbarer Aluminiumlegierungen weiterhin zu erweitern, ist eine hohe Flexibilität bei kurzen Prozesszeiten und niedrigen Anlagenkosten notwendig. Im Hinblick auf die lokale Wärmebehandlung bietet sich der Laser als Erwärmungswerkzeug an. Dieser garantiert neben höchster Energiedichte die größte Flexibilität bei kürzesten Umrüstzeiten. Durch den Einsatz von Industrierobotern kann die Laserstrahlung gezielt an ihre Wirkungsstätte quasi verlustfrei transportiert werden. Bei variierender Layoutgeometrie entfallen im Vergleich zu Induktion oder Konduktion die Werkzeugkosten durch Adaption der Roboterbahnen, welche den Einsatz der Laserstrahlung nicht nur für den Prototypenbau, sondern auch für die Kleinserie besonders interessant gestaltet. Mit Hilfe der Laserstrahlung können sowohl durch eine kurzzeitige als auch moderate Wärmebehandlung eine lokale Reduzierung und/oder Steigerung der Festigkeit und Fließgrenze selektiver Platinenbereiche erzielt werden. Es können Eigenschaftsgradienten mit entgegengesetzt gerichtetem Fließverhalten über der Blechebene unmittelbar nebeneinander generiert werden, welche bei prozessangepasster Auslegung eine gezielte Steuerung des Materialflusses während der Umformung ermöglichen und die versagensfreie Umformung der Bauteile zu höheren Umformgraden erweitern. Gegenstand zukünftiger Forschungsaktivität wird daher die systematische Untersuchung des Lasers als Wärmequelle zur gezielten, lokalen Einstellung der mechanischen Eigenschaften schnellaushärtbarer Aluminiumlegierungen in Abhängigkeit unterschiedlicher Temperatur-Zeit-Profile sein. Die entscheidenden Einflussfaktoren bei dieser Forschungsaktivität bilden die während der Wärmebehandlung aufkommenden Mechanismen, die so genannten Laserstrahlumformmechanismen. In Abhängigkeit der Bestrahlungsparameter ist zu untersuchen, inwieweit sich die ausbildenden thermomechanischen Effekte auf die mechanischen Eigenschaften auswirken. Aus der Literatur ist bekannt, dass diese thermomechanischen Effekte mit einer lokalen Deformation der bestrahlten Platine einhergehen. In diesem plastisch deformierten Bereich liegt somit eine Blechzone mit einer erhöhten Fließgrenze vor [1]. Ergänzend zu der Möglichkeit, die mechanischen Werkstoffeigenschaften mittels Wärmeeintrag zu verändern, bieten diese thermomechanischen Effekte des Laserstrahlumformens somit eine zusätzliche Option zur gezielten und prozessangepassten Modulierung der mechanischen Materialeigenschaften und damit zur Erweiterung der Umformbarkeit schnellaushärtbarer Aluminiumlegierungen.
Publications
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Advanced laser heat treatment with respect to the application for Tailored Heat Treated Blanks. In: Schmidt, M.; Vollertsen, F.; Geiger, M. (Hrsg.): Physics Procedia. Proceedings of the 6th International Conference on Laser Assisted Net Shape Engineering (LANE), 5(2010)2, Amsterdam: Elsevier B. V., S. 233- 242
Nguyen, H.; Merklein, M.
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Adjusting Optimzed Material Properties for Tailored Heat Treated Blanks. In: J.R. Duflou, R. Clarke, M. Merklein, F. Micari, B. Shirvani and K. Kellens (Hrsg.): Key Engineering Materials, 473(2011), Switzerland: Trans Tech Publications, S. 420-427
Merklein, M.; Nguyen, H.
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Flow Behaviour of Advanced Aluminium Materials. In: Hirt, G.; Tekkaya, E.A. (Hrsg.): Steel research international: Special Edition: 10th International Conference on Technology of Plasticity, (2011), Weinheim: Wiley-VCH Verlag GmbH&Co. KGaA, S. 1066-1071
Merklein, M.; Biasutti, M.; Nguyen, H.; Böhm, W.
