Die Fertigung von dreidimensionalen Bauteilen durch Tiefziehen erfolgt aus ebenen Platinen, die wiederum Abschnitte aus kontinuierlichen Blechbändern sind. Beim etablierten Herstellungsprozess über den Strangguss und das Warm- und Kaltwalzen werden die Materialeigenschaften im Band durch mikrostrukturelle Effekte (z.B. Anisotropie, Eigenspannungen, Kaltverfestigung, Poren, Gitterfehler, …) verändert. Diese Veränderungen, insbesondere Poren und Gitterfehler, können die Bauteileigenschaften im darauffolgenden Umformprozess (in diesem Fall Tiefziehen) zusätzlich beeinflussen, insbesondere in Form von Schädigung. In Abhängigkeit der Prozessroute können im Herstellprozess unterschiedliche Lastpfade aufgebracht werden, die zu einer unterschiedlichen Schädigungsentwicklung führen. Die vom Lastpfad jedes Materialpunktes abhängige Schädigung kann heute mit unterschiedlichen Kriterien und Modellen zwar abgebildet werden, deren Ergebnisse sind bislang jedoch noch unsicher sowohl in Bezug auf den Ort der maximalen Schädigung als auch in Bezug auf den Betrag der Schädigung. Des Weiteren sind die Wechselwirkungen zwischen der durch die Umformhistorie eingebrachten (Vor-)Schädigung und der beim nachgelagerten Tiefziehprozess induzierten Schädigungsentwicklung unbekannt.

Die übergeordnete Zielsetzung dieses Teilprojekts ist demnach die quantitative Beschreibung und Vorhersage der Wechselwirkungen zwischen der durch die Umformhistorie induzierten (Vor-)Schädigung und den Prozessparametern beim Tiefziehen sowie die Kontrolle einer weiteren Schädigungsentwicklung durch eine maßgeschneiderte Prozessroute. Dem Forschungsprojekt liegt die Arbeitshypothese zugrunde, dass durch eine mehrstufige Prozessroute bei gleicher Platinenanfangs- und Bauteilendgeometrie wie beim einstufigen Prozess verschiedene Lastpfade im Werkstoff induziert werden können, die einen schädigungskontrollierten Blechumformprozess ermöglichen. Die Vorgehensweise basiert auf drei Arbeitsschritten:

In einem ersten Schritt wird hierfür der Einfluss der konventionellen Prozessparameter beim Tiefziehen auf den Lastpfad analysiert. Es werden charakteristische Materialorte im unteren Zargenbereich, im mittleren Zargenbereich, im Flanschbereich und in den Übergangsbereichen zwischen Flansch und Zarge sowie zwischen Zarge und Boden untersucht. Diese Orte sind Indizien für Bereiche mit kritischen Lastpfaden, deren Wechselwirkungen mit einer (Vor)-Schädigung verstanden werden müssen. Diesbezüglich wird im zweiten Schritt untersucht, wie durch eine mehrstufige Prozessroute (durch Reversierung, im Weiterzug und durch Stülpziehen) sowie beim Tiefziehen mit Gegendruck durch veränderte Spannungszustände die Lastpfade an diesen charakteristischen Materialorten beeinflusst werden. Im dritten Schritt wird der Einfluss unterschiedlicher Umformhistorien auf den Lastpfad untersucht. Die experimentellen Untersuchungen werden durch numerische Analysen unterstützt, um die dazugehörigen Lastpfade genauer bestimmen und bewerten zu können. Methoden des Forschungsvorhabens sind Experimente und numerische Untersuchungen auf Basis der Finite-Elemente-Methode (FEM). In den Experimenten werden Grund- und Modellversuche mit Nakajima-Proben und rotationssymmetrischen Näpfen des hochfesten Stahls DP800 durchgeführt. Ergänzend werden metallografische Untersuchungen an charakteristischen Materialorten mittels Rasterelektronenmikroskopie (REM), Lichtmikroskopie (LM), Mikro-Computertomografie (mCT), Röntgenbeugung (RB) und Mikrohärteprüfung (mHV) durchgeführt. Die numerische Untersuchung der Grund- und Modellversuche mithilfe der FEM erlaubt zusätzlich die quantitative Beschreibung des Einflusses der Prozessparameter auf den Spannungs-Dehnungs-Zustand, der Dehnrate und der Temperatur auf die definierten Materialorte sowie die Evaluation bekannter Schädigungsmodelle.

Das Ziel / Ergebnis des Vorhabens ist ein deskriptiv-numerisches Beschreibungsmodell, das die Wechselwirkungen zwischen (Vor-)Schädigung und Prozessparametern beim Tiefziehen beschreibt und zudem durch eine mehrstufige maßgeschneiderte Prozessroute eine weitere Schädigungsentwicklung minimiert. Eine Vernetzung besteht insbesondere mit Teilprojekt A04 infolge der beim Walzen induzierten Materialeigenschaften und deren Wechselwirkungen mit den Tiefziehparametern sowie mit Teilprojekt A05 bzgl. der Durchführung von Referenzversuchen und des Abgleichs des Einflusses des Biegens auf den Lastpfad. Eine weitere Vernetzung besteht zur mikrostrukturellen Charakterisierung von Proben mit den Teilprojekten B02 und B03, zur Modellierung der Schädigung mit den Teilprojekten C02, C04 und C05.

Mithilfe des Beschreibungsmodells der ersten Förderperiode werden die Erkenntnisse in der zweiten Förderperiode auf komplexere, asymmetrische Ziehgeometrien und Prozesse (z.B. Tief-Streckziehen oder Hochdruckblechumformung) übertragen und erforscht. Das Ergebnis ist eine definierte Umformung mit maßgeschneiderten Lastpfaden, die zu Bauteilen mit identischem Umformgrad, jedoch reduzierter Schädigung führen.

In der dritten Förderperiode wird gezielt der thermische Einfluss (z.B. lokale externe Lasereinstrahlung) zur Ausheilung von Materialinhomogenitäten und das Einsatzverhalten des Ziehteils berücksichtigt. Hierdurch wird ermöglicht, dass nicht nur ein schädigungsminimiertes Bauteil erfolgreich hergestellt wird, sondern dieses auch den Betriebsanforderungen genügt und die zugrunde liegenden Wirkmechanismen technisch nutzbar macht.

Projektleitung
Dr.-Ing. Patrick Mattfeld
Werkzeugmaschinenlabor WZL der RWTH Aachen

Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. Dr. h.c. Dr. h.c. Fritz Klocke
Werkzeugmaschinenlabor WZL der RWTH Aachen

Projektbearbeitung
Matthias Nick M.Sc.
Werkzeugmaschinenlabor WZL der RWTH Aachen