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EFB-Forschungsbericht Nr. 466

Detektion von Rissen in der Warmblechumformung

efb466

Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Bernd-Arno Behrens, M. Sc. Kai Wölki, Institut für Umformtechnik und Umformmaschinen, Leibniz Universität Hannover - Prof. Dr.-Ing. Randolf Hanke, Dipl.-Ing. Thorsten Müller, Fraunhofer-Institut für Zerstörungsfreie Prüfverfahren Saarbrücken

96 Seiten (sw, 67 teils farbige Abb., 9 Tab.)

ISBN: 978-3-86776-516-9

Preis (Digital) EUR 55,59

Preis (Print) EUR 68,69

Zusammenfassung

Die Herstellung von Strukturteilen einer Karosserie, beispielsweise von A- oder B-Säulen, Dachrahmen oder Teilen der Bodengruppe erfolgt heutzutage größtenteils durch das Warmumformverfahren „Formhärten". Dies ist durch das Bestreben begründet, im Karosseriebau vermehrt Stahlwerkstoffe mit immer höherer Festigkeit einzusetzen, da so die Blechdicke und damit das Gewicht der Karosseriekomponenten gesenkt und gleichzeitig eine ausreichende Steifigkeit und Crashsicherheit gewährleistet werden können.

Um das Leichtbaupotenzial bestmöglich auszuschöpfen, werden Karosseriebauteile generell nahe der möglichen Prozessgrenzen gefertigt, weswegen es aufgrund verschiedener Einflussgrößen im Prozess - z.B. Chargen- oder Temperaturschwankungen - zu Bauteilfehlern (Risse, Einschnürungen, etc.) kommen kann.

Werden fehlerhafte Bauteile nicht prozesssicher erkannt, kann dies zu erheblichen Folgekosten führen, insbesondere wenn das defekte Bauteil erst spät in der Wertschöpfungskette identifiziert wird. Eine automatisierte Prüfung formgehärteter Bauteile in einem industriellen Prozess ist nach dem heutigen Stand der Technik nicht verfügbar. Allerdings ist die Nachfrage zur Steigerung der Produktivität und Wirtschaftlichkeit gerade beim Formhärten hoch, da dieser Prozess im Vergleich zu anderen Umformverfahren grundlegend höhere Herstellungskosten der Bauteile verursacht.

Das Ziel des Forschungsvorhabens bestand in der Untersuchung und Auswahl eines geeigneten Prüfverfahrens zur automatisierten Detektion von Rissen und Einschnürungen an formgehärteten Bauteilen. Hierfür wurden in Frage kommende Prüfverfahren im Hinblick auf ihre Anwendbarkeit überprüft und bewertet. Bei den Prüfverfahren handelt es sich um die aktive und passive Thermografie sowie die EMUS-Technik.

Als Probenkörper wurden Aluminium-Silizium beschichtete, formgehärtete Blechplatinen und Praxisbauteile aus dem Werkstoff 22MnB5 verwendet. Die Praxisbauteile wiesen die Geometrie des Fußbereiches einer B-Säule auf. Beide Probenkörperformen enthielten jeweils Risse und Einschnürungen, wobei es sich sowohl um künstlich eingebrachte als auch natürlich entstandene Fehlstellen handelte, um ein möglichst großes Spektrum abdecken zu können.

Im Zuge der durchgeführten Untersuchungen wurde ein Prüfkonzept auf Basis der EMUS-Technik entwickelt, da sich diese zerstörungsfreie Prüftechnik als zielführend erwies. Im Gegensatz zur Thermografie, bei der nur Risse detektiert werden konnten, konnten mit EMUS sowohl sämtliche Risse als auch Einschnürungen erkannt werden. Darüber hinaus zeichnet sich EMUS durch einen geringeren Arbeitsaufwand beim Scannen des Bauteils sowie der Datenanalyse aus.

Um den Anforderungen der Industrie gerecht zu werden, wurde im Forschungsprojekt ein neuer EMUS-Prüfkopf konstruiert und gefertigt, welcher eine Prüfung von Bauteilen bei 150 °C für 5 s ermöglicht. Eine Integration in das Umformwerkzeug konnte aufgrund des erheblichen technischen Aufwands bei der Auslegung und Konstruktion des Prüfkopfes und des darauf abgestimmten Presswerkzeugs im Rahmen des Projekts nicht geleistet werden. Eine Implementierung des EMUS-Prüfkopfs in eine Transfereinheit (während der Abkühlung des Bauteils) ist denkbar. Der generelle Nachweis der Möglichkeit zur automatischen Prüfung formgehärteter Bauteile wurde erbracht.

Ferner wurden Untersuchungen zur Einsetzbarkeit der Dualband Thermografie zur Überwachung der Bauteiltemperaturverteilung durchgeführt. Aus den aufgezeichneten Mittelwellen- und Langwellen-Thermografiebildern wurden Emissions- und Temperaturbilder berechnet. Anhand dieser konnten „hotspots", d.h. Bereiche mit erhöhten Temperaturen, detektiert und nachgewiesen werden. Zur Validierung des Temperaturverlaufs wurden qualitative Härteverläufe des Bauteils mit der 3MA-Prüftechnik ermittelt. Es zeigte sich, dass Temperatur- und Härteverläufe miteinander korrelieren.
Das Ziel des Vorhabens, die Erhöhung der Prozesssicherheit beim Formhärten, wurde erreicht.

Das IGF-Vorhaben „Detektion von Rissen in der Warmblechumformung" der Forschungsvereinigung EFB e.V. wurde unter der Fördernummer AiF 18544N 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. 466 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.

Summary

Nowadays structural parts of the body, such as A- or B-pillars, roof frame or parts of the base group are in most cases manufactured by hot stamping. Hot stamping is applied due to the need for steel materials with high strength coupled with decreasing sheet metal thickness in order to obtain lighter body components as well as increased rigidity and crash safety. Generally, parts of the body are manufactured at process limits, which may result to defects (cracks, neckings etc.) due to various factors in the process, such as batch or temperature changes. If such faulty part is not detected reliably, faulty hot-stamped parts are joined in the further process chain.

This leads to considerable follow-up costs, especially if the faulty part is detected late. In the present state of the art an automatic test of hot-stamped components in an industrial process does not exist. However, the demand for increasing the productivity and profitability of hot-stamped processes is large, because hot-stamping, in contrast to other forming processes, is characterised by higher production costs.

One object of the research project was the investigation and selection of an appropriate test method for the automated detection of cracks and neckings of hot-stamped parts. Therefore, eligible test methods are investigated and assessed. The test methods were the active and passive thermography as well as the EMAT-technique.

The investigated specimens were aluminium-silicon-coated, hot-stamped sheet metal blanks and real parts of the materials 22MnB5. The geometry of the real parts is the lower area of a B-pillar. Both specimens contain cracks and neckings. To produce many different kinds of failures, artificially created as well as naturally caused cracks and neckings were generated.

In the course of the investigations an inspection concept based on the EMAT-technique was developed because this methodology has proven to be effective. In contrast to the thermography, with which only cracks were detected, the EMAT-technique could identify both cracks and neckings. In addition, less effort when scanning the part and less analysis is required. To meet the requirements in the industry, a new EMAT-probe was designed and manufactured in the research project. The sensor enables a part test at 150 °C for 5 s.

An integration into the forming tool is currently due to the limited temperature stability not possible. But an implementation of the EMAT-sensors in a transfer unit (during the cooling of the part) is realisable. The general feasibility of the automatic testing of hot-stamped parts was rendered.Furthermore, investigations of the usability of dual-band thermography for monitoring the part temperature distribution were carried out. Emission and temperature images were calculated based on the medium- and long-wave thermographic images. By means of these images "hot spots" (areas with higher temperatures) could be detected and proved. For the validation of the temperature profile the hardness profile of the part was determined using 3MA-technique. The comparisons showed a correlation between temperature and hardness profiles.
The objective of the project was achieved.

Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Formelzeichen und Abkürzungen
Zusammenfassung
1 Einleitung
2 Stand der Technik
2.1 Formhärten
2.1.1 Einleitung
2.1.2 Direktes und indirektes Formhärten
2.1.3 Partielles Formhärten
2.2 Zerstörungsfreie Prüfverfahren (ZfP)
2.2.1 Einleitung
2.2.2 Passive Thermografie
2.2.3 Dualband-Thermografie
2.2.4 Aktive Thermografie
2.2.5 EMUS-Technik
2.2.6 Mikromagnetik (3MA)
3 Zielsetzung und Vorgehensweise
4 Durchgeführte Arbeiten
4.1 Einleitung
4.2 Untersuchungswerkstoff
4.3 Prüfobjekte
4.3.1 Formgehärtete Platinen mit gradierten Rissen und Einschnürungen
4.3.2 Formgehärtete Praxisbauteile mit Rissen und Einschnürungen
4.4 Röntgenographische Eigenspannungsmessungen
4.5 Zerstörungsfreie Prüfung mittels aktiver Thermografie
4.5.1 Erste Messungen an formgehärteten Blechplatinen
4.5.2 Versuchsserie an Blechplatinen und Praxisbauteilen
4.5.3 Versuchsserie mit optimierter Düsengeometrie und Signalfilterung
4.6 Zerstörungsfreie Prüfung mittels EMUS-Technik
4.6.1 EMUS-Prüfkopf und Versuchsaufbau
4.6.2 Versuchsserie an raumtemperierten Praxisbauteilen
4.6.3 Vergleichende Labormessungen an raumtemperierten und warmen Praxisbauteilen
4.7 Zerstörungsfreie Prüfung mittels Dualband-Thermografie
4.7.1 Detektion von „hotspots" mit Dualband-Thermografie
4.7.2 Härteverlaufsmessungen mittels 3MA-Technologie
4.7.3 Korrelation der Härtemessung mit Thermografie
4.8 Zerstörungsfreie Prüfung von Eigenspannungen mit 3MA
4.9 Konstruktion und Umsetzung eines Versuchsstandes zur Riss- und Einschnürungsdetektion
4.9.1 Konstruktion und Umsetzung eines Umformwerkzeuges zur Herstellung defekter Prüfobjekte
4.9.2 Untersuchung der Prozessführung zur Vermeidung von Reißern im Umformprozess
4.9.3 Versuchsstand zur Versuchsdurchführung mit neuem Formhärtewerkzeug
5 Ergebnisse
5.1 Einschätzung zur industriellen Umsetzbarkeit
5.2 Wissenschaftlich-technischer Nutzen der Ergebnisse für KMU
6 Literatur