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EFB-Forschungsbericht Nr. 522

Materialeffiziente Herstellung belastungsangepasster Blechbauteile mit durch Laser additiv aufgebrachten flexiblen Verstärkungszonen

efb522

Verfasser:
Prof. Dr.-Ing.habil. Markus Bambach, Dipl.-Ing. Ismail Ünsal, M. Sc. Jens Wasielewski, Lehrstuhl Konstruktion und Fertigung, Brandenburgische Technische Universität Cottbus-Senftenberg - Prof. Dr. rer. nat. Reinhart Poprawe, M. Sc. Rebar Hama-Saleh Abdullah, Fraunhofer-Institut für Lasertechnik Aachen

104 Seiten (sw, 80 teils farbige Abb., 13 Tab.)

ISBN: 978-3-86776-576-3

Preis (Digital) EUR 56,47

Preis (Print) EUR 70,65

Zusammenfassung

Der vorliegende Bericht beschreibt die Forschungsergebnisse des von der AiF geförderten IGF-Vorhabens mit der Nr. 19292 BG unter dem Titel: „Materialeffiziente Herstellung belastungsangepasster Blechbauteile mit durch Laser additiv aufgebrachten flexiblen Verstärkungszonen". Ziel des Vorhabens ist die Schaffung von Basiswissen für die Entwicklung additiver Fertigungsverfahren als werkzeuglose Verfahren zur flexiblen Aufbringung von stoffschlüssigen lokalen Verstärkungen und Funktionselementen auf Halbzeugen und umgeformten Bauteilen.

Als Werkstoffe wurden der mikrolegierte kaltgewalzte Stahl 1.0550 mit der Blechstärke von 2 mm und die Aluminiumlegierung EN AW 6016 mit der Blechstärke 1 mm ausgewählt. Die Verstärkung wurde mit artgleichem und artfremdem Material durchgeführt.

Neben dem pulverbasierten Laserauftragschweißen (LMD) und dem Tape-Beschichten wurde das drahtbasierte Metallschutzgasschweißen (MSG) aufgenommen. Es wurden zunächst geeignete Prozessfenster für stoffschlüssige Verstärkungen ermittelt. Der Verzug konnte durch Einspannung, Kühlung und eine angepasste Aufbaustrategie minimiert werden. Das Tape-Beschichten war nur mit artungleichen niedrigschmelzenden Zusatzwerkstoffen möglich.

Die mechanischen Eigenschaften (Verstärkung + Substrat) entsprechen in etwa dem Grundwerkstoff, beim kaltgewalzten 1.0550 wurde teilweise auch eine geringe Verringerung der Bruchdehnung und Zugfestigkeit je nach Grad der Rekristallisation festgestellt. In Biege- und Tiefziehversuchen wurde die Umformbarkeit der verstärkten Bleche nachgewiesen. Simulationsmethoden ermöglichten die Vorauslegung der Verstärkungen für bestimmte Lastfälle und die Auswahl der Prozessfolge (Aufbringen der Verstärkung vor oder nach der Umformung).

Das Leichtbaupotenzial konnte an Demonstratoren aufgezeigt werden. Bei einem Kragenzug mit dem Werkstoff EN AW 6016 konnte die Lastaufnahme um über 250 % bei einer Gewichtszunahme von max. 5 % erhöht werden. Anhand eines verstärkten Drehmomentwanderdeckels aus 1.0550 konnte die Lastaufnahme bei einer Gewichtszunahme von 3 % um 40 % erhöht werden.
Zum Abschluss wurden Konzepte zur Einbindung der additiven Fertigung in Prozessketten erarbeitet.

Das IGF-Vorhaben „Materialeffiziente Herstellung belastungsangepasster Blechbauteile mit durch Laser additiv aufgebrachten flexiblen Verstärkungszonen" der Forschungsvereinigung EFB e.V. wurde unter der Fördernummer AiF 19292BG 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. 522 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.

Summary

The present report describes the research results of the IGF project No. 19292 BG, funded by the AiF, under the title: "Material-efficient manufacturing of load-adapted sheet metal components with flexible reinforcement zones added by laser additive manufacturing".

The goal of the project is the creation of basic knowledge for the development of additive manufacturing processes as die-less processes for the flexible application of local rein-forcements and functional elements on semi-finished products or formed components.

The materials selected were the micro-alloyed cold-rolled steel 1.0550 with a sheet thick-ness of 2 mm and the aluminum alloy EN AW 6016 with a sheet thickness of 1 mm. The reinforcement was carried out with similar and dissimilar material.

In addition to powder-based laser metal deposition (LMD) and tape coating, wire-based metal inert gas arc welding (MIG) was also investigated. The first step was to determine suitable process windows for metallurgically bonded patches. The distortion can be mini-mized by clamping, cooling and adapted build-up strategies. Tape coating is only possible with dissimilar low-melting filler materials. The mechanical properties (patch + substrate) correspond approximately to those of the base material, with the cold-rolled 1.0550 a reduction of the mechanical properties depending on the degree of recrystallization is observed. The formability of sheets with local reinforcements was proven in bending and deep drawing tests. Simulation methods allow for designing the reinforcements for specific load cases and the selection of the process sequence (patch application before or after forming).

Demonstrators were used to demonstrate the lightweight design potential. In a hole flanging process for the material EN AW 6016, the load carrying capacity of the flange could be increased by more than 250 % with a weight increase of only 5 %. The load-carrying capacity of a reinforced cover of an automotive torque converter made of 1.0550 could be increased by 40 % with a weight increase of only 3 %.
Finally, concepts were developed for integrating additive manufacturing into process chains.

Inhaltsverzeichnis

Zusammenfassung
Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Abkürzungsverzeichnis
1. Einleitung
2. Stand der Technik
3. Ziele des Projektes
4. Lösungsweg zur Erreichung des Projektziels
5. Festlegung der Werkstoffe und Demonstratoren
5.1 Werkstoffe
5.2 Demonstratoren
6. Prozessentwicklung zur Herstellung von Verstärkungen mit additiven Auftragsverfahren
6.1 Additive Verstärkungen mit dem LMD-Verfahren
6.1.1 Verfahren und Anlagentechnik
6.1.2 Versuchsdurchführung und Ergebnisse für ZE630 (artgleich)
6.1.3 Versuchsdurchführung und Ergebnisse für EN AW 6016 (artgleich)
6.1.4 Versuchsdurchführung und Ergebnisse für EN AW 6016 (Scalmalloy©)
6.2 Versuchsdurchführung und Ergebnisse für das Tape-Beschichten
6.3 Additive Verstärkungen mit dem MSG-Verfahren
6.3.1 Verfahren und Anlagentechnik
6.3.2 Versuchsdurchführung und Ergebnisse
7. Prüfung und Modifikation verstärkter Proben
7.1 Mechanische Eigenschaften
7.1.1 Probenherstellung und Versuchsdurchführung
7.1.2 Ergebnisse für den Werkstoff 1.0550
7.1.3 Ergebnisse für den Werkstoff EN AW 6016
7.2 Umformbarkeit
7.2.1 Probenherstellung und Versuchsdurchführung
7.2.2 Ergebnisse
7.3 Glätten
7.4 Laserwärmebehandlung
7.5 Korrosionsbeständigkeit
7.5.1 Probenherstellung und Versuchsdurchführung
7.5.2 Ergebnisse für 1.0550
7.5.3 Ergebnisse für EN AW 6016
8. Weiterverarbeitung verstärkter Proben
8.1 Biegen
8.1.1 Probenherstellung und Versuchsdurchführung
8.1.2 Umformgrenzen beim Biegen verstärkter Proben
8.2 Kragenziehen
8.2.1 Probenherstellung und Versuchsdurchführung
8.2.2 Kraftentwicklung und erreichbare Kragengeometrien
8.2.3 Einfluss der additiven Verstärkung auf das Aufweitverhältnis
8.2.4 Schädigung verstärkter Proben
8.2.5 Funktionalisierung verstärkter Kragen
8.3 Streckziehen
8.3.1 Probenherstellung und Versuchsdurchführung
8.3.2 Ergebnisse
9. Prozessintegration
9.1 Numerische Prozessauslegung
9.1.1 Numerisches Modell und Vorgehen
9.1.2 Ergebnisse der Umformsimulation
9.1.3 Fazit
9.2 Abgeleitete allgemeine Vorgehensweise
9.3 Sizing-Optimierung mit Umformbarkeitsnebenbedingung
9.4 Lokale Verstärkung eines Demonstrators
9.5 Konzepte zur Integration in die Prozesskette
9.6 Investitionskosten
10. Wissenschaftlich-technischer Nutzen der Ergebnisse, insbesondere für KMU
11. Literaturverzeichnis