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Die
Erfindung betrifft ein computerimplementiertes Warmumformungssimulationsverfahren.
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Seit
einigen Jahren wird insbesondere den steigenden Anforderungen hinsichtlich
des Insassenschutzes im Automobilbau durch Verwendung immer höherfester
Stahlwerkstoffe begegnet. Dabei kommen einerseits Werkstoffe zum
Einsatz, deren Festigkeit im Anlieferungszustand dem Zustand des
fertigen, kaltumgeformten Produkts entspricht. Andererseits haben
sich Warmumformungsverfahren mit integrierten Vergütungsprozessen
etabliert. Bei derartigen Warmumformungsverfahren wird die für eine Umformung
vorgesehene Ausgangsplatine aus einem umwandelbaren Stahlwerkstoff
zunächst
in einer Erwärmungseinrichtung
auf die Austenitisierungstemperatur erwärmt. Anschließend erfolgt
der schnelle Transfer der erwärmten
Metallplatine in ein einstufiges Umformwerkzeug. Beim Schließen des Werkzeugs
findet zum einen die Umformung der Metallplatine zur vorgesehenen
Bauteilkontur statt, zum anderen erfolgt aufgrund des Kontaktes
der Metallplatine mit dem Umform- Werkzeug
und durch Strahlungsaustausch eine rasche Abkühlung des Werkstücks. Nach
dem vollständigen
Schließen
am Ende des Umformprozesses wird das Werkzeug noch weiterhin mit
dem eingelegten Werkstück
geschlossen gehalten, um eine Abkühlung auf die angestrebte Bauteilendtemperatur
zu erreichen. Anschließend wird
das Werkzeug geöffnet
und das fertige Werkstück
entnommen. Aufgrund der hohen Abkühlgeschwindigkeiten der Metallplatine
während
des Umform- und Halteprozesses innerhalb des Werkzeugs kommt es
zu einer starken Festigkeitszunahme des Werkstoffs infolge eines
Härteprozesses.
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Die
Vorgänge
während
des Umformprozesses können
durch physikalische Messmethoden nur sehr schwer analysiert werden.
Daher ist die Simulation der Vorgänge im Werkzeug von entscheidender Bedeutung
für die
Analyse des Prozesses und die Ableitung von Optimierungsmaßnahmen.
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Es
ist bekannt, die Berechnung des Warmumformprozesses auf Basis eines
isothermen Berechnungsansatzes durchzuführen. Dabei wird angenommen,
dass sich die Temperatur der Metallplatine während des Umformprozesses nicht ändert. Das bedeutet,
dass auch keine Wärmeableitung
in das Umformwerkzeug stattfindet. Prinzipbedingt können bei
diesem Berechnungsansatz keine Betrachtungen zum Abkühlverhalten
des Stahlwerkstoffs durchgeführt
werden. Auch lassen sich die resultierenden Werkstoffeigenschaften
oder Gefügezusammensetzungen
nicht anhand dieses isothermen Berechnungsansatzes ermitteln. Folglich
ist auch die Optimierung der Werkzeugauslegung, beispielsweise hinsichtlich
der Kühlung,
schwierig und erfolgt häufig empirisch.
Als Werkstoffeigenschaft wird bei dieser Art von Simulation eine
experimentell ermittelte, quasi-statische Fließkurve bei einer mittleren
Umformtemperatur verwendet. Als prozessrelevante Größe wird
ein konstanter Reibbeiwert angenommen. Zur Beurteilung der Umformbarkeit
der Metallplatine wird als Grenzwert ein empirischer Maximalwert
für die plastische
Vergleichsdehnung angenommen. Der Berechnungsaufwand bei einem isothermen
Berechungsansatz entspricht somit dem Ansatz einer klassischen Simulation
einer einstufigen Kaltumformung.
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Die
Berechnung des Warmformprozesses nach der vorstehend beschriebenen
isothermen Berechungsmethode kann mit marktüblicher Software durchgeführt werden,
welche üblicherweise
für die Simulation
von Tiefziehprozessen bei Raumtemperatur verwendet wird.
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Es
sind aber auch Umformsimulationen bekannt, bei welchen Veränderungen
der Temperatur im Werkstück
Rechnung getragen wird, wobei die sich verändernden mechanischen und physikalischen
Eigenschaften des umgeformten Stahlwerkstoffs berücksichtigt
werden. Bei dieser komplexen thermisch-mechanisch gekoppelten Simulation
des Warmumformprozesses werden die Materialparameter fest in Abhängigkeit
von der Temperatur und der Abkühlrate
bestimmt und in der Software hinterlegt. Diese Lösung ist so lange richtig,
wie die kritische Abkühlgeschwindigkeit
nicht unterschritten wird. Bei Unterschreitung der kritischen Abkühlgeschwindigkeit
können
sich deutliche Abweichungen von der Gefügezusammensetzung in Abhängigkeit
von der Temperatur ergeben. Diese Abweichungen haben signifikanten
Einfluss auf die physikalisch-mechanischen Kennwerte des fertigen
Bauteils. Eine Prognose der Bauteileigenschaften oder eine prozesssichere
Optimierung der Bauteileigenschaften ist über derartige Simulationen
nur bedingt oder gar nicht möglich.
Auch kann eine Optimierung des Fertigungsprozesses und auch die
Entwicklung von Prozessvariationen nur mit sehr hohem Zeit- und
Kostenaufwand durchgeführt
werden. Spezielle Maßnahmen,
z.B. zur Verbesserung der Werkzeugkühlung, sind nur rein experimentell
zu verifizieren.
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Insbesondere
bei der Warmumformung von ultrahochfestem Stahl, z.B. zur Herstellung
armierender Beplankungen zum Schutz von Fahrzeuginsassen, besteht
die Gefahr, dass aufgrund der großen Wanddicken eine unvollständige Durchhärtung des Stahlwerkstoffs
erfolgt. Hieraus resultiert letztendlich die Gefahr einer verminderten
Beschussbeständigkeit.
Hinzu kommt, dass gerade bei dickwandigen Bauteilen eine Vorhersage
der Machbarkeit hinsichtlich der Umformfähigkeit des Stahlwerkstoffs
und eine Vorhersage der resultierenden Werkstoffeigenschaften des
fertigen Bauteils wünschenswert
sind.
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Ein
weiteres Problemfeld ist die Auslegung von warmgeformten Strukturkomponenten
bei lokaler Wärmezufuhr
innerhalb des Umformwerkzeugs. Zur Vermeidung der vollständigen Härtung einer
Metallplatine während
der Warmumformung kann in bestimmten Bereichen der Metallplatine
bzw. des Umformwerkzeugs eine Zone mit hoher Oberflächentemperatur
vorgesehen werden, in welcher der Härtevorgang während der
Umformung und anschließender
Haltezeit unterbunden wird. Die Festlegung der Größe und die
Festlegung der Temperatureigenschaften der Zonen zur Vermeidung
des Härteeffekts erfolgten
bislang empirisch, was mit einem hohen Aufwand verbunden war. Problematisch
ist, dass während
des Warmumformvorgangs mit hoher Wärmezufuhr eine Vielzahl von
Parametern zu beachten sind, wie die Blechstärke, die gewünschten
Eigenschaften in dem Bereich reduzierter Härte, die Haltezeit der Temperatur
sowie der Ablauf des Ziehprozesses hinsichtlich der Kontaktbedingungen
zwischen Werkstück
und Werkzeug. Wird zur Erzielung der hohen Oberflächentemperatur
des Werkstücks
zudem ein Heizelement eingebracht, so sind zudem die Isolation des
Heizelements gegenüber
dem umgebenden, gekühlten
Werkzeug und die notwendige Heizenergie zur Erzielung eines stabilen
Temperaturzustands im Werkzeug zu ermitteln.
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Letztlich
führen
alle die voran beschriebenen Bedingungen dazu, dass Prognosen bezüglich der resultierenden
Bauteileigenschaften mit relativ großen Unsicherheiten behaftet
sind und letztendlich empirisch überprüft werden
müssen.
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Hiervon
ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Simulationsverfahren
aufzuzeigen, mit dessen Hilfe eine Prognose der Bauteileigenschaften
verbessert wird und das eine prozesstechnische Optimierung erleichtert.
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Diese
Aufgabe wird bei einem Simulationsverfahren mit den Merkmalen des
Patentanspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen des Erfindungsgedankens sind Gegenstand
der Unteransprüche.
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Die
Aufgabe wird durch ein computerimplementiertes Simulationsverfahren
auf Basis einer Finite-Elemente-Modellierung gelöst, bei welchem die temporären und
lokalen Phasenzusammensetzungen des Stahlwerkstoffs die Basis für die Berechnung der
temporären
lokalen mechanischen Eigenschaften der Metallplatine während und
nach Abschluss der Warmumformungssimulation sind. Im Rahmen des
erfindungsgemäßen Verfahrens
werden daher zunächst
ein Finite-Elemente-Modell einer Metallplatine aus einem umwandelbaren
Stahlwerkstoff sowie ein Finite-Elemente-Modell eines Umformwerkzeugs bereitgestellt.
Die wesentliche Grundlage dieses Simulationsverfahrens ist ein Zeit-Temperatur-Umwandlungs-Datensatz
(ZTU-Datensatz) des Metallwerkstoffs, um das zeitabhängige Umwandlungsverhalten
des Stahlwerkstoffs während
des Härtens
beschreiben zu können.
Durch einen ZTU-Datensatz liegen Informationen bezüglich der
unteren kritischen Abkühltemperatur
und bezüglich
der oberen kritischen Abkühltemperatur
des Stahlwerkstoffs vor ebenso wie die Martensitstarttemperatur.
Der ZTU-Datensatz enthält
Informationen über
die Gefügezusammensetzung
bezüglich
der prozentualen Verteilung der einzelnen Phasen und die für den Umformprozess
wichtige Härte
des Werkstücks
nach der Abkühlung.
Der ZTU-Datensatz ist hinsichtlich seines Informationsgehalts nicht
mit den klassischen ZTU-Diagrammen gleichzusetzen, sondern geht
inhaltlich bei weiterem darüber
hinaus, da die einzelnen Phasen und Phasenzusammensetzungen physikalische
und mechanische Eigenschaften zugeordnet sind, wie beispielsweise
die für
die Warmumformung wichtige thermische Leitfähigkeit und die Festigkeit.
Erst durch die Ableitung der physikalischen und mechanischen Werkstoffkennwerte
aus dem Gefüge
des Stahlwerkstoffs lassen sich bislang nicht erreichte Genauigkeiten
bei der Abbildung des Umformprozesses erzeugen, die letztlich eine
genauere Bauteilprognose zulassen.
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Die
Integration eines metallurgischen Werkstoffmodells ermöglicht eine
weitaus präzisere
Aussage hinsichtlich der mechanischen Eigenschaften des umgeformten
Werkstücks
in einzelnen lokalen Bereichen. Durch die Kenntnis der aktuellen
lokalen Temperatur, der Temperaturhistorie und der Abkühlgeschwindigkeit
ergibt sich die Möglichkeit,
Materialkennwerte nicht nur in Abhängigkeit von der Temperatur
und Abkühlrate
zu bestimmen, sofern diese oberhalb der kritischen Abkühlgeschwindigkeit
liegt, sondern insbesondere auch wenn die kritische Abkühlgeschwindigkeit
unterschritten wird. Gerade in diesem Fall ergeben sich deutliche
Abweichungen von der Gefügezusammensetzung
und damit Veränderungen
der physikalisch-mechanischen
Kennwerte. Wie bei allen Simulationen kann es erforderlich sein,
das Werkstoffmodell durch parallele Versuche hinsichtlich seiner
Genauigkeit zu verifizieren.
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Die
physikalisch-mechanischen Daten des ZTU-Datensatzes lassen sich
entweder experimentell bestimmen, was mit einem erheblichen Aufwand verbunden
ist oder aber durch eine Thermo-Chemie-Berechnung bestimmen. Hierunter
ist ein theoretischer Ansatz zu verstehen, der ausgehend von der zu
einem bestimmten Zeitpunkt und bei einer bestimmten Temperatur bestehenden
chemischen Zusammensetzung physikalische und mechanische Kennwerte
errechnet. Mit diesem Berechnungsansatz ist es z.B. möglich gebrochene
Abkühlungsverläufe zu simulieren.
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Das
Simulationsergebnis wird natürlich
immer genauer, je mehr Daten dem Werkstoffmodell zugrunde gelegt
werden. Daher kann selbstverständlich
nicht nur die Austenitisierungstemperatur als Startparameter des
Simulationsverfahrens berücksichtigt
werden, sondern beispielsweise auch die mittlere Austenitkorngröße des Stahlwerkstoffs
vorgegeben werden, um letztlich sämtliche interessierenden mechanischen
Kennwerte des Werkstoffs im prozessrelevanten Temperaturbereich
zwischen Raumtemperatur und 950 °C
zu bestimmen. Weitere Kenngrößen des
Prozesses bzw. des Werkstoffs lassen sich in Abhängigkeit von der Temperatur
bzw. dem Temperaturgradienten berechnen, beispielsweise die spezifische
Wärmekapazität, die Leitfähigkeit, aber
auch die mechanischen Eigenschaften wie z.B. Härte, Fließgrenze, Zugfestigkeit, Verfestigungsexponent.
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Es
wird als besonders vorteilhaft angesehen, wenn mittels eines Hochtemperatur-Versagensmodells
eine zulässige örtliche
Plastifizierung des Stahlwerkstoffs während des Warmumformungsprozesses
in Abhängigkeit
von der Zeit-Dehnungs-Historie analysiert wird. Der Grad der zulässigen örtlichen Plastifizierung
kann vorher als Prozessparameter bestimmt oder festgelegt werden.
Im Kern geht es bei diesem Ansatz zunächst darum, den Prozess des Umformens
zu optimieren, und zwar durch kontinuierliche Berechnung der Materialeigenschaften
während
der Umformung.
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Anschließend können die
ermittelten temporären
lokalen mechanischen Eigenschaftswerte der umgeformten und gehärteten Metallplatine
an ein Versagensmodell übergeben
werden. Im Rahmen des Versagensmodells sollen Grenzen des Werkstoffs
aufgezeigt werden. Grenzen können
einerseits in der reinen Umformbarkeit, das heißt in der Durchführbarkeit
des Umformprozesses liegen. Das Versagensmodell kann aber auch Bestandteil
einer Crashsimulation eines Kraftfahrzeugs sein, um festzustellen,
ob das theoretisch herstellbare Werkstück letztendlich den praktischen
Anforderungen genügt.
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Für die Warmumformung
können
nicht nur Metallplatinen konstanter Wandstärke und aus einem einheitlichen
Material verwendet werden. Selbstverständlich können auch Tailored Blanks mit
bereichsweise unterschiedlichen Wandstärken zum Einsatz kommen. Gerade
bei den Tailored Blanks ist die Berechnung der örtlichen Wandstärkenverteilung
gekoppelt mit den örtlichen
Festigkeitseigenschaften von Bedeutung. Bei Vorliegen dieser Kennwerte kann
das Verhalten des fertigen Bauteils unter Crashbeanspruchungen genauer
vorhergesagt werden.
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Üblicherweise
wird von der vereinfachenden Annahme ausgegangen, dass die Wandstärke im fertigen
Bauteil derjenigen der Ausgangsplatine entspricht. Weiterhin wird üblicherweise
zur Beschreibung der Festigkeitseigenschaften im fertigen Bauteil lediglich
eine charakteristische Fließkurve
angenommen, welche vom vollständig
gehärteten
Zustand ausgeht. Durch die verbesserte Kenntnis der örtlichen
physikalisch-mechanischen Kennwerte des Werkstücks lassen sich im Rahmen der
Erfindung differenziertere Aussagen hinsichtlich der Festigkeit treffen
und Optimierungsmaßnahmen
einleiten, um die Versagens tests zu bestehen, das heißt die Umformbarkeit,
die Crashsicherheit oder auch die Beschusssicherheit einer umgeformten
Metallplatine aus ultrahochfestem Stahl sicherzustellen. Mit dem erfindungsgemäßen Ansatz
ist es daher nicht nur möglich,
die grundsätzliche
Herstellbarkeit eines Bauteils zu überprüfen, sondern darüber hinaus
eine unmittelbare Prognose der Bauteileigenschaften im Rahmen von
Versagensmodellen zu liefern. Selbstverständlich ergibt sich aus der
detaillierten Kenntnis der Bauteileigenschaften die Möglichkeit,
Prozessvariationen mit reduziertem Zeit- und Kostenaufwand durchzuspielen,
um auf diese Weise zu einem optimalen Verfahrensergebnis zu gelangen,
beispielsweise um die Technologie des lokalen Vorkühlens von
Platinen oder auch die Werkzeug-Kühltechnologie zu optimieren.
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Bei
armierenden Beplankungen aus ultrahochfestem Stahl zum Schutz von
Fahrzeuginsassen wurden bislang üblicherweise
ebene, konturbeschnittene Plattenstücke miteinander verschweißt, um die Konturen
der Fahrzeugkarosserie nachzubilden. Der Einsatz warmformbarer Strukturbauteile
aus hochfestem Panzerungsstahl ist herstellungstechnisch komplex,
da es aufgrund des Wesens des Blechumformungsprozesse zu einer lokalen
Verringerung oder auch Aufdickung der Wandstärke kommen kann, was in der
Folge zu Schwankungen in der Beschussresistenz führt. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
und den mit dem Verfahren ermittelten Daten für ein Versagensmodell kann
eine Vorhersage der resultierenden Werkstoffeigenschaften, insbesondere
auch hinsichtlich der Beschussfestigkeit, getroffen werden. Das
erfindungsgemäße Verfahren kann
daher bevorzugt zur Prozessoptimierung bei der Herstellung von Panzerungsbauteilen
für Kraftfahrzeuge
zum Schutz vor Gewalteinwirkung von außen hinsichtlich der Umformmethode
und Härtestrategie
verwendet werden. Insbesondere ist mit diesem Verfahren eine Aussage
darüber
möglich,
ob eine Wandstärkenreduzierung
letztlich zu einer Verminderung der Beschussfestigkeit führt oder
ob die lokalen Werkstoffeigenschaften eine Reduzierung der Wandstärke zulassen
mit dem Ziel einer gewichtseffizienten Lösung mit effektivem Materialeinsatz.
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Als
wesentliche Vorteile der thermisch-mechanisch gekoppelten Warmformsimulation
gemäß dem beanspruchten
Verfahren sind eine zuverlässigere
Vorhersage der resultierenden Materialeigenschaften im fertigen
Bauteil zu nennen kombiniert mit einer zuverlässigeren Vorhersage der Wandstärkenverteilung,
der Herstellbarkeit des Bauteils, der Möglichkeit, diese Daten in ein
Versagensmodell zu integrieren, beispielsweise zur Beurteilung der
Festigkeit.
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Selbstverständlich lassen
sich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
nicht nur Aussagen hinsichtlich des Werkstücks treffen, sondern auch Optimierungen
am Werkzeug vornehmen. Insbesondere können die Größe und die Eigenschaften von
Zonen zur Erzielung gewünschter
Werkstoffeigenschaften besser simuliert werden. Dadurch lässt sich
letztlich der Ablauf des Ziehprozesses beispielsweise hinsichtlich
der Kontaktbedingungen und der Haltezeit sowie der Anordnung von
kühlenden
und erwärmenden
Zonen einschließlich
Isolierungsmaßnahmen
im Werkzeug optimieren. Mit Hilfe der simulierten Warmumformung
nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
kann z.B. die Stabilität
der Temperatur in einer Zone des Werkzeugs über mehrere Prozesszyklen analysiert
werden bzw. eine Aussage zur Wirksamkeit bei Prozessunterbrechungen
getroffen werden.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
schafft einen kosteneffizienten Ansatz, die Phase der Prozessauslegung
stark zu verkürzen.
Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist ein Einblick in die inneren Vorgänge des thermisch-mechanisch gekoppelten
Warmumformungsprozesses im Bereich besonders temperierter Zonen
möglich.