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EFB-Forschungsbericht Nr. 444

Entwicklung einer Charakterisierungsmethodik für bandbeschichtete Feinbleche

efb444

Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Bernd-Arno Behrens, Dipl.-Ing. Christoph Michael Gaebel, Institut für Umformtechnik und Umformmaschinen der Leibniz-Universität Hannover

112 Seiten (sw, 86 teils farbige Abb., 2 Tab.)

ISBN: 978-3-86776-492-6

Preis (Digital) EUR 57,35

Preis (Print) EUR 71,64

Zusammenfassung

Die Zielsetzung dieses Forschungsvorhabens lag auf der Entwicklung einer Charakterisierungsmethodik für organisch bandbeschichtete Feinbleche. Bei der umformtechnischen Herstellung von Blechbauteilen aus organisch bandbeschichteten Feinblechen kommt es zu einem formänderungsbedingten Glanzverlust. Da das Haftungsvermögen und die Duktilität kommerzieller Lacksysteme für übliche Bauteilanwendungen als hinreichend bewertet werden können, stellt beispielsweise im Bereich der Weißen Ware der Glanzverlust das ausschlaggebende Kriterium zur Bewertung der Umformeigenschaften dar. Im Rahmen dieses Vorhabens wurden zwei Charakterisierungsansätze zur Ermittlung des formänderungsbedingten Glanzverlusts verfolgt. Neben einer ex situ-Methodik wurde auch ein in situ-Versuchskonzept erfolgreich umgesetzt, welche beide zur Ermittlung von beschichtungsbezogenen Grenzformänderungskurven (Lack-FLC) herangezogen werden können.

Beim ex situ-Ansatz wurde auf den Versuchsaufbau des MARCINIAK-Tests zurückgegriffen, um gezielt Proben mit unterschiedlichen Dehnungszuständen und Formänderungen zu erzeugen und hinsichtlich ihres Glanzverlusts zu bewerten. Die Zielsetzung bei der weiterführenden Entwicklung des in situ-Ansatzes lag in der Reduzierung der Versuchsumfänge. Aufgrund der linearen Abhängigkeit des Glanzverlusts vom Dehnungszustand konnte die Versuchsmatrix auf lediglich zwei Probenformen reduziert werden.

Durch eine grundlegende Modifizierung des Versuchsaufbaus konnte die Formänderung wie auch der Glanzwert einer Probe simultan während des Ziehvorgangs gemessen werden. Durch beide Maßnahmen wurde die Anzahl an umzuformenden Proben deutlich gesenkt, wobei die Ergebnisauflösung bei den betrachteten Probenformen verbessert wurde.

In einem zusätzlichen Arbeitspaket befasste sich dieses Vorhaben mit Versuchsreihen zur Bewertung von Schutz- und Ziehfolien für die Umformung organisch bandbeschichteter Feinbleche. In einem zielführenden Prüfkonzept wurde die Werkstoffumlenkung an einer Ziehkante nachgebildet, wodurch der Versuchswerkstoff hohe Flächenpressungen in der Kontaktzone sowie infolge der Zugbelastung des Blechstreifens Formänderungen erfährt. Gleichermaßen wirkt dieses Belastungskollektiv auch auf die auf den Werkstoff applizierten Folien sowie dementsprechend in der Grenzschicht zwischen Folie und Decklack.

Anhand des Glanzverlusts nach dem Entfernen der Folien war eine Bewertung von unterschiedlichen Folienarten möglich. Anhand von zusätzlichen Praxisversuchen mit tiefgezogenen Versuchsbauteilen zeigte sich, dass derartige Folien im Umformprozess einen Schutz vor mechanischen Verletzungen der Lackschicht gewährleisten und einem flächenpressungsbedingten Glanzverlust entgegenwirken können. Voraussetzung dafür ist, dass es infolge der Kontaktbeanspruchung im Umformwerkzeug nicht zu einer Beeinträchtigung der Lackoberfläche durch die Klebemasse der Folie kommt.

Anhand der hergestellten Versuchsbauteile wurde weiterhin die Anwendbarkeit von Lack-FLCs bei einem Lacksystem für Hausgeräte aufgezeigt. Im post-processing von Umformsimulationen wurde eine Klassifizierung der Formänderungen auf Basis der Lack-FLC bezüglich eines definierten Glanzverlusts vorgenommen, sodass Bauteilbereiche oberhalb dieses Kriteriums identifiziert werden konnten. Die Zulässigkeit dieses als Lack-FLC abgebildeten Kriteriums wurde anhand der experimentellen Ergebnisse bestätigt. Somit können die mit dem entwickelten Prüfkonzept ermittelten Lack-FLCs zur Prognose von unzulässig hohen Glanzverlusten eingesetzt werden.
Das Ziel des Vorhabens wurde erreicht.

Das IGF-Vorhaben „Entwicklung einer Charakterisierungsmethodik für bandbeschichtete Feinbleche" wurde unter der Fördernummer AiF 18105N von der Forschungsvereinigung EFB e.V. finanziert und betreut und über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Der Abschlussbericht ist als EFB-Forschungsbericht Nr. 444 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.

Summary

The objective of this research project was to develop a characterization method for organic coil-coated sheet metals. Using forming technology, the manufacturing of sheet metal components from coil-coated sheet metals causes a loss of gloss due to deformation. The loss of gloss is a key factor in the evaluation of the forming properties in the field of white goods, because the adhesive properties and the ductility of commercial coating-systems are sufficient for typical component use. Within this research project, two characterization approaches to evaluate the loss of gloss caused by deformation have been investigated. An ex situ-method as well as an in situ-test concept have been implemented successfully and both can be considered to calculate forming limit curves referred to the coating (coating-FLC).

The ex situ-approach is based on the experimental setup of the MARCINIAK test to produce samples with varying strain state and deformations and to evaluate them with regard to the loss of gloss. The objective of the further development of the in situ-approach was to reduce the scale of the tests. Due to linear dependence between the loss of gloss and the strain state, the test matrix could be reduced to only two sample geometries. By fundamentally changing the experimental setup, it was possible to measure the deformation as well as the gloss value simultaneously within the drawing process. Both approaches lead to a reduction of the number of samples to be formed, while the outcome resolution increased for the considered sample geometries.

In an additional work package, test series have been implemented to evaluate protection foils and drawing foils for forming of organic coil-coated sheet metals. In an expedient test concept the material redirection caused by a drawing edge has been reproduced, affecting high surface pressure in the contact area of the material and deformation due to tensile load of the sheet metal strip.

This load collective also has an effect on the foils attached to the material and the boundary layer between foil and coating. By determining the loss of gloss after removing the foils, different kinds of foils could be evaluated. Additional, practical tests with deep-drawn components showed, that these foils protect the coating in the forming process from breaking mechanically and prevent a loss of gloss due to surface pressure. It is a prerequisite, that the coating surface is not affected by the foil adhesive during forming process.

With the manufactured test components, the applicability of coating-FLCs has been shown for a coating system concerning a household appliance. During post-processing of the forming simulations, a classification of the deformation has been made based on the coating-FLCs and regarding a defined loss of gloss, so that component areas above the criterion could be identified. The reliability of the coating-FLCs based criterion has been confirmed by the test results. Therefore, the FLCCs investigated with the developed concept can be used to forecast inadmissible high loss of gloss.
The objective of the project was achieved.

Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Formelzeichen und Abkürzungen
1 Zusammenfassung
Summary
2 Anlass für das Forschungsvorhaben
3 Stand der Technik
3.1 Organische Bandbeschichtung von Feinblechen
3.1.1 Reinigen und Vorbehandeln
3.1.2 Grundierung (Primer)
3.1.3 Decklacke
3.1.4 Folien
3.2 Prüfmethoden zur Bewertung organischer Beschichtungen
3.2.1 Prüfmethoden zur Bewertung der Verformbarkeit von organischen Beschichtungen
3.2.2 Prüfmethoden zur Bewertung des Erscheinungsbildes von organisch beschichteten Blechbauteilen
3.2.3 Indirekte Prüfmethoden zur Bewertung des Erscheinungsbildes von organischen Beschichtungen
3.3 Forschungsstand zur Charakterisierung der Umformeigenschaften organisch bandbeschichteter Feinbleche
4 Zielsetzung und Vorgehensweise
5 Durchgeführte Arbeiten
5.1 Primäre Untersuchungswerkstoffe
5.2 Ex situ-Versuchskonzept zur Glanzwertentwicklung
5.2.1 Probenauswahl und Versuchsauslegung
5.2.2 Beschreibung des formänderungsbedingten Glanzverlusts
5.2.3 Schlussfolgerungen aus den Ergebnissen der ex situ-Versuchsreihen
5.3 In situ-Versuchskonzept zur Glanzwertentwicklung
5.3.1 Modifizierung des Versuchsaufbaus
5.3.2 Beschreibung des formänderungsbedingten Glanzverlusts
5.3.3 Betrachtung weiterer organisch bandbeschichteter Werkstoffe
5.4 Untersuchungen zum Einfluss von Zieh- bzw. Schutzfolien
5.4.1 Streifenziehversuche in Anlehnung an den Renault-Test
5.4.2 Streifenziehversuche mit flachem Werkzeugkörper
5.4.3 Streifenziehversuche mit Umlenkung am Werkzeugradius
5.5 Anwendung der ermittelten Lack-FLCs
5.5.1 Versuchsbauteile
5.5.2 Praxisbauteil
6 Ergebnisse
6.1 Einschätzung zur industriellen Umsetzbarkeit
6.2 Wissenschaftlich-technischer Nutzen der Ergebnisse für KMU
7 Literatur
7.1 Normen und Richtlinien