Schweizer Blech-Software optimiert Rohkarosserien

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Simulation gibt Einblick

Um den Prozess des Tailored Tempering zu analysieren und zu kontrollieren, braucht es tiefgehenden Einblick in die strukturelle Transformation des Materials. Gerade wegen der Komplexität des Verfahrens ist die simulationsbasierte Prozessauslegung am Computer eine enorme Hilfe. Voraussetzung ist aber, dass die Simulations-Software Warmumform- und Abschreckprozesse realistisch abbildet, die endgültigen Bauteileigenschaften zuverlässig vorhersagt und damit das Werkzeug-Know-how für diesen speziellen Typ des Warmumformens liefert.

Thermik, Mechanik, Metallurgie

Mit diesem Ziel hat die Autoform Engineering GmbH die Software «Autoform-Thermosolver» entwickelt, in der ein thermisch-mechanisch-metallurgisches Modell implementiert ist. Die Software kann von jedem Materialpunkt im Blech gewissermassen eine Temperaturgeschichte liefern und gewährt damit Einblick in das Materialverhalten während des Warmumformens und insbesondere des Abschreckens.

Damit die Vorhersage mit angemessener Genauigkeit funktioniert, müssen alle relevanten Phänomene und ihre Wechselwirkung modelliert werden. Auf thermischer Seite umfasst dies den Wärmefluss zwischen Blech, Werkzeug und Umgebung, wobei sowohl die Strahlung als auch die Konvektion Berücksichtigung finden. Mechanisch ist die plastische Deformation des Blechs zu beachten und aus metallurgischer Sicht ist die Phasentransformation aufgrund der Abkühlung einzuberechnen.

Theorie und Praxis verbunden

Experimente und Tests dienten Autoform dazu, das thermisch-mechanisch-metallurgische Modell zu verifizieren und weitere massgebende Parameter zu identifizieren. In Kooperation mit der Daimler AG entstand ein Versuchswerkzeug (siehe Bild), während am Lehrstuhl für Fertigungstechnologie der Universität Erlangen-Nürnberg systematische Tests durchgeführt wurden. Autoform steuerte eine Vorserienversion von Autoform-Thermosolver bei. Aus dieser Zusammenarbeit entwickelte sich ein grundlegendes Expertenwissen betreffend dem Prozessfenster und den resultierenden Materialeigenschaften in Abhängigkeit der relevanten Prozessparameter.

Alle physikalischen Einflüsse im Simulationsmodell integriert

Um die Untersuchungsergebnisse auf ein reales Bauteil für die Produktion zu übertragen und die Qualität der Simulationsergebnisse zu überprüfen, baute Daimler ein Werkzeug für eine B-Säule. Im Werk Sindelfingen wurde anschliessend ein kleines Los der B-Säule produziert und eingehend auf die mechanischen Eigenschaften hin unter die Lupe genommen. Proben aus verschiedenen Zonen des Bauteils wurden im Zugversuch getestet.

Die Ergebnisse wurden unter den Experten von Daimler und Autoform eingehend diskutiert. Alle physikalischen Einflüsse, die entscheidend für die Genauigkeit der Ergebnisse sind, mussten in das Simulationsmodell einfliessen. Untergeordnete Einflüsse wurden herausgefiltert – mit entsprechend positiven Auswirkungen auf die Berechnungsgeschwindigkeit. Ein Entschluss, den die Kooperationspartner im Verlauf der Untersuchungen fassten: Die latente Wärme während des Abkühlprozesses muss Berücksichtigung finden. Dann berechnet der Thermosolver die endgültigen Bauteileigenschaften äusserst treffsicher und Resultate wie die Zugfestigkeit, Bruchdehnung, Dicken- und Spannungsverteilung sowie die Härte- und Martensitverteilung lassen sich grafisch anschaulich darstellen.

Die zusätzliche Rechenzeit für Tailored-Tempering-Prozesse gegenüber konventioneller Kaltumformung betrug im Mittel lediglich fünf Prozent. Dieser ohnehin bescheidene Mehraufwand wird durch das verbesserte Prozessverständnis mehr als gerechtfertigt.

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