Projektbeschreibung


Profile aus hoch- bis ultrahochfesten Stahlwerkstoffen werden vielfach durch klassische Biegeumformprozesse wie z. B. Frei- und Gesenkbiegen oder Walzprofilieren hergestellt. Durch die Kaltumformung und die damit einhergehende Kaltverfestigung des Werkstoffs erhält das Bauteil eine höhere Festigkeit bei ansonsten unveränderten Merkmalen (Werkstoff, Gewicht). Neben der Kaltverfestigung und der Einbringung von Eigenspannungen durch die inhomogene Formänderung tritt bei der Umformung jedoch auch eine zunehmende Schädigung auf. Diese äußert sich durch Porenbildung, Porenwachstum und Porenvereinigung und beeinträchtigt die Produktqualität. Die Kaltverfestigung, die Eigenspannungen und die Schädigung beeinflussen die mechanischen Eigenschaften und haben jeweils einen eigenständigen Einfluss auf das Bauteilverhalten. Die auftretende Schädigung ist stark vom Biegeverfahren und somit vom Lastpfad, d. h. der zeitlichen Abfolge von Spannung, Dehnung, Temperatur und Dehnrate für einen materiellen Punkt während des Prozesses, abhängig. Eine zusätzliche Überlagerung von Druckspannungen beispielsweise kann die Schädigungsentwicklung positiv beeinflussen. Charakteristisch für die Biegeumformung ist die stark inhomogene Spannungs- und Formänderungsverteilung über die Blechstärke. Die Schädigung wird ausgehend vom Außenbogen im Zugspannungsbereich initiiert und setzt sich in Blechdickenrichtung fort. Die Zusammenhänge zwischen Biegeverfahren, Lastpfad, Schädigungsentwicklung und Bauteilverhalten sind bisher im Stand der Technik nicht systematisch untersucht.

Das übergeordnete Ziel dieses Teilprojekts ist es, die Schädigung bei blechbasierten Biegeprozessen vorherzusagen, zu kontrollieren und technisch zu nutzen. In der ersten Förderperiode wird das Freibiegen wegen seines grundlegenden Charakters und der Möglichkeiten zur Lastpfadbeeinflussung im Hinblick auf die Schädigungsentwicklung untersucht. Als Werkstoff wird dabei der Dualphasen-Stahl DP800 betrachtet. Die Beurteilung der Schädigung im gefertigten Biegeteil findet zu Beginn über ein Schädigungskriterium (Cockcroft-Latham) und über etablierte Schädigungsmodelle (Lemaitre und Gurson-Tvergaard-Needleman) statt. Alle Kriterien und Modelle benötigen dabei eine Parameteridentifikation. Die Qualifizierung geeigneter effizienter Charakterisierungsmethoden zur qualitativen und quantitativen Beschreibung der Schädigung beim DP800 findet in Zusammenarbeit mit den Teilprojekten B02 und B05 statt. Das Bauteilverhalten wird über Ermüdungsversuche in Zusammenarbeit mit Teilprojekt B01 untersucht. Zur eindeutigen Untersuchung des Einflusses der Schädigung auf das Bauteilverhalten müssen die Einflüsse der Verfestigung und der Eigenspannungen separiert werden. Dazu werden Härte- und Eigenspannungsmessungen sowie Spannungsarmglühen durchgeführt. Ab der zweiten Hälfte der ersten Förderperiode werden die Schädigungsmodelle durch weiterentwickelte Modelle aus dem Forschungsbereich C (insbesondere Teilprojekt C02) ersetzt und überprüft. Zudem werden dann Blechhalbzeuge mit bekannter Vorschädigung von Teilprojekt A04 für Biegeversuche zur Untersuchung des Einflusses der Umformhistorie bereitgestellt.

Die zentrale Fragestellung für die erste Förderperiode lautet: Wie lässt sich die Schädigung beim Freibiegen vorhersagen und kontrollieren? Zur Beantwortung werden folgende Teilfragestellungen untersucht:

  • In welchem Maße kann der Lastpfad beim Freibiegen durch Variation der Prozessparameter (z. B. Blechbreite, Reibung, Werkzeugradius oder gezielte Spannungsüberlagerung) beeinflusst werden?
  • Wie wirken sich die Lastpfadänderungen auf die Schädigungsentwicklung aus (z. B. Porenvolumen, Verteilung über die Blechstärke)?
  • Wie wirkt sich die Umformhistorie auf die Schädigungsentwicklung aus?
  • Wie lassen sich schädigungskontrollierte Prozessrouten oder Prozessmodifikationen durch gezielte Spannungsüberlagerung beim Freibiegen anhand des Zusammenhangs zwischen Schädigungsentwicklung und Lastpfad ableiten?
  • Wie ist der Zusammenhang zwischen der Schädigung und dem Bauteilverhalten (z. B. anhand von Ermüdungsversuchen)? Wie lassen sich hierbei die Effekte der Schädigung von den Effekten der Verfestigung und Eigenspannungen separieren?

Ziel der zweiten Förderperiode ist die technologische Umsetzung der gewonnenen Erkenntnisse in schädigungskontrollierten Prozessen in neu- oder weiterentwickelten Verfahren (z. B. Walzprofilieren mit Druckspannungsüberlagerung). In der dritten Förderperiode steht die Erweiterung des Werkstoffspektrums unter Berücksichtigung unterschiedlicher Temperaturführungen im Prozess und weiterer Blechbiegeverfahren im Vordergrund.

 

Wichtige Ergebnisse der 1. Förderperiode

Im Folgenden sind die wesentlichen Ergebnisse der ersten Förderperiode aus TP A05 beschrieben. Zunächst wird in Grundversuchen der Einfluss bekannter Lastpfade auf die Schädigungsentwicklung dargestellt. Dazu wird die Schädigungsentwicklung bei verschiedenen Triaxialitäten η (normierter hydrostatischer Druck) und Lode-Winkel-Parametern θ ̅ (Maß für die Lage der mittleren Hauptspannung) untersucht. Anschließend wird gezeigt, dass konventionelle Prozessparameter beim Freibiegen keinen Einfluss auf den Lastpfad aufweisen. Mittels gezielter Druckspannungsüberlagerung wird daher in einem neuentwickelten Blechbiegeprozess der Lastpfad und somit auch die Schädigung eingestellt. Dies wurde über Dichte- und REM-Messungen nachgewiesen. Schlussendlich wird der alleinige Einfluss der Schädigung auf die Bauteilleistungsfähigkeit gebogener Profile anhand neuentwickelter Bauteiltests gezeigt.

Schädigungsentwicklung in Grundversuchen
Es wurden einstufige, gestoppte Grundversuche mit bekannten Lastpfaden durchgeführt. Dabei wurden gekerbte Zugversuche (η>0,33; θ ̅≈1) in Kooperation mit TP S01 [Sch19], ebene Torsionsversuche mit Nut (η=0,θ ̅≈0) [Mey20], Zugversuche im ebenen Deformationszustand (η=0,57,θ ̅≈0) [Mey20] und konventionelle Zugversuche (η=0,33,θ ̅≈1) [Mey20] durchgeführt. Die Grundversuche wurden qualitativ hinsichtlich ihrer Porenentwicklung im REM und quantitativ hinsichtlich ihrer Schädigungsentwicklung über die Abnahme des scheinbaren E-Moduls (Makroskopisch gemessene Steifigkeit des Prüfkörpers in einem einachsigen Zugversuch) und die Massen-Dichten-Reduktion untersucht. Dabei wurde zum einen deutlich, dass sowohl der scheinbare E-Modul als auch die Dichte mit steigender Formänderung beim einachsigen Zugversuch abnimmt. Die Reduktion der Dichte um 0,1 % erzeugt eine Abnahme des im Zugversuch gemessenen, scheinbaren E-Moduls um 13 %. Die zugrundeliegenden Mechanismen für diese Abweichungen sind bislang unerforscht. Weiterhin konnte erarbeitet werden, dass bei ebenen Torsionsversuchen selbst bei Vergleichsumformgraden von 𝜑 > 0,46 keine Porenentwicklung im REM detektiert werden konnte. Bei identischem Lode-Winkel-Parameter jedoch höherer Triaxialität wurde beim Zugversuch im ebenen Formänderungszustand bereits bei einem Umformgrad von 𝜑 ≈ 0,14 eine deutliche Schädigungsentwicklung detektiert. Aus den Grundversuchen konnte somit abgeleitet werden, dass bei dem genutzten DP800 eine Schädigungsentwicklung stattfindet, die mit sinkender Triaxialität bei konstantem Lode-Winkel-Parameter abnimmt.

Beeinflussung der Lastpfade beim Freibiegen
Es wurde systematisch analysiert, welchen Einfluss konventionelle Prozessparameter beim Freibiegen auf den Lastpfad aufweisen. Dazu ist für verschiedene Umformgrade und Prozessparameter die jeweilige Tri-axialität auf der Scheitelachse untersucht worden (Abb. 1a). Eine Variation des Stempelradius führt bei kon-stantem Umformgrad am Außenbogen zu keiner Änderung der Triaxialität (Abb. 1b). Ebenso bleibt die Tri-axialität am Außenbogen bei Variation der Gesenkweite w, Reibung µfb und Gesenkkantenradius rg konstant [Mey20]. Der Lode-Winkel-Parameter ist im plastischen Bereich aufgrund des ebenen Formänderungszu-standes unter Nutzung der Levy-Mises-Fließregel gleich null. Am Innenbogen unterscheiden sich die Triaxialitätsverläufe, da die Kontaktpunkte des Bleches mit dem Stempel vom Stempelradius abhängig sind.

Abb. 1: a) Schematischer Versuchsaufbau und Prozessparameter beim Freibiegen und b) Verlauf der Triaxialität über der Blechdicke entlang der Scheitelachse für drei verschiedene Stempelradien [Mey20]

Gezielte Spannungsüberlagerung zur Kontrolle des Lastpfades
Da über konventionelle Prozessparameter keine signifikante Beeinflussung des Spannungszustandes im schädigungsbehafteten Außenbogen vorgenommen werden kann, wurde eine Spannungsüberlagerung ge-nutzt. Zur Lastpfadbeeinflussung müssen Spannungsüberlagerungen aufgebracht werden, die den Dehn-pfad des Bleches während der Umformung nicht signifikant ändern, um separiert den Einfluss der Schädi-gung bei identischer Bauteilgeometrie zu analysieren. Prinzipiell stehen neben der reinen hydrostatischen Spannungsüberlagerung die drei Möglichkeiten der separierten tangentialen, axialen und radialen Überlage-rung zur Verfügung (Abb. 2).

Abb. 2: Prinzipielle Möglichkeiten der Span-nungsüberlagerung [*Mey20]

Diese wurden sowohl analytisch als auch numerisch sowie experimentell un-tersucht. Eine rein hydrostatische Überlagerung ist aufgrund der sehr hohen notwendigen Drücke bis zu 3000 bar (für eine 300 MPa Drucküberlagerung) nicht praktikabel. Bei einer tangentialen Druckspannungsüberlagerung findet bereits bei geringen zusätzlichen Drücken eine Ablösung des Biegestempels vom Blech statt, sodass die Biegung unkontrolliert eingeleitet wird. Eine axiale Spannungsüberlagerung ist aufgrund der stetig variablen Anlagefläche durch den einachsigen Spannungszustand in der Randschicht des Biegeteils nicht ausreichend kontrollierbar. Zusätzlich können hohe Reibkräfte je nach technologischer Umsetzung resultieren. Die radiale Spannungsüberlagerung wurde als zielführend für die Reduktion der Schädigungsentwicklung erarbeitet. Als technologische Umsetzung wurde zunächst das aus der Literatur bekannte Elastomerbiegen genutzt [Cup73]. Durch die Spannungsüberlagerung über das Elastomer konnte die Triaxialität um bis zu 15 % von 0,57 auf 0,48 für einen Dualphasenstahl DP1180 reduziert werden [Tek17]. Diese Triaxialitätsreduktion führte zu einer verringerten Schädigung und zu einer erhöhten Leistungsfähigkeit in Form der Ermüdungs-festigkeit. Die Effekte der Verfestigung und der Eigenspannungen konnten im Gegensatz zu den Vorarbeiten für die Antragstellung der ersten Förderperiode über Härte- und Eigenspannungsmessungen separiert wer-den. Aus technologischer und industrieller Sicht ist das Elastomerbiegen aufgrund der Verschleißeigenschaf-ten des Elastomers jedoch unrentabel. Das Elastomer weist veränderliche Eigenschaften über die Lebens-dauer auf und die Kontrollierbarkeit wird durch die stempelwegabhängige Drucküberlagerung erschwert. Die Optimierung des Elastomerbiegens zur kontrollierten Spannungsüberlagerung wurde deshalb in Kooperation mit TP C05 untersucht. Aufgrund der maximal möglichen Formänderungen des Elastomers ist die maximale Druckspannungsüberlagerung auf ca. 15 % der Fließspannung von DP800 begrenzt. Daher wurde ein neues Biegeverfahren entwickelt.
Das zum Patent angemeldete Biegen mit radialer Spannungsüberlagerung [Mey17] (Abb. 3a) ist in der Lage, kontrolliert Druckspannungen in radialer Richtung in Höhe bis zur Fließspannung zu überlagern. Die zusätzlichen Druckspannungen werden über rotierende Werkzeuge auf das Blech aufgebracht. Während des Prozesses erzeugt die Kraft Nr in der aktuellen Biegezone eine Spannungsüberlagerung. Der dazu be-nötigte Druck wird über einen zusätzlichen an der unteren Lagerschale befestigten Hydraulikzylinder aufge-bracht. Aufgrund der Werkzeugkinematik wandert die Umformzone am Außenbogen des Bleches entlang und die Spannungsüberlagerung ist stets normal zum Blech gerichtet [Mey19c]. Das Blech wird über die unteren und oberen rotierenden Werkzeuge so geführt, dass eine Durchbiegung in den Schenkeln verringert wird und das Blech stets an definierten Positionen liegt. Die vertikal bewegliche obere Lagerschale ist mit dem Oberwerkzeug einer konventionellen Biegepresse verbunden. Mit steigendem Biegewinkel rotieren die oberen Werkzeuge ineinander und die unteren Werkzeuge entfernen sich voneinander.
Zur Prozessauslegung und als Grundlage für die Modellierung der herrschenden Spannungszustände wur-den die Prozesskräfte über einen jeweiligen Freischnitt im Gleichgewicht analytisch ermittelt [Mey19b]. Die Bestimmung der resultierenden Druckspannung in der Umformzone erfolgte über Hertz’sche Flächenpres-sung [Her81] über die vorher ermittelte Kraft zur Spannungsüberlagerung. Aus der durch Wolter [Wol52] weiterentwickelten Biegetheorie konnte die Dehnungsverteilung über die Blechdicke abgeleitet werden. Fer-ner wurde die daraus resultierende Spannungsverteilung auf das ebene Blechbiegen übertragen und um eine Radialspannungskomponente zur analytischen Vorhersage der Triaxialität erweitert. Zur Beschreibung des kompletten Lastpfades eines materiellen Punktes im Zugbereich des Biegeteils und zur Modellvalidie-rung wurde die Finite-Elemente-Methode (Abaqus 2016, Implizit 2D) eingesetzt. Die analytische Vorhersage der minimalen Triaxialität weicht abhängig vom aufgebrachten Gegendruck maximal um einen Triaxialitäts-wert von nur 0,041 von der numerischen Vorhersage ab [Mey19b]. Das RSS-Biegen ist in der Lage die herrschende Triaxialität deutlich zu verringern (Abb. 3b), sodass die Zunahme des Porenflächenanteils ge-hemmt wird. Im Vergleich zu der Triaxialität von 0,57 beim Freibiegen und 0,48 beim Elastomerbiegen kön-nen mittels RSS-Biegen sogar negative Triaxialitäten erzeugt werden. Der Vergleichsumformgrad am Ende des Prozesses bleibt trotz steigender Spannungsüberlagerung konstant. Die Überlagerung beeinflusst somit die resultierende Geometrie des Bleches nicht. Dies wurde über lichtmikroskopische Messungen nachgewie-sen. Die Triaxialität ist im Prozessverlauf nicht konstant, da sich das rotierende Werkzeug um den analysier-ten Punkt bewegt.

Abb. 3: a) Technologische Umsetzung des RSS-Biegens und b) Numerisch ermittelte Lastpfade beim RSS-Biegen in Abhängig-keit der Spannungsüberlagerung [*Mey20]

Schädigungsentwicklung beim Biegen
Zur Ermittlung der Schädigungsentwicklung beim Biegen wurden Bauteile mit identischer Geometrie (Blech-dicke, -breite, Krümmung und Biegewinkel) untersucht, die durch Frei- bzw. RSS-Biegen hergestellt wurden (Abb. 4).

Abb. 4 : Schematische Darstellung der Bauteilherstellung

Im Vordergrund der Untersuchung stand der Einfluss der Höhe der radialen Spannungsüberlage-rung σr im Vergleich zum konventionellen Freibiegen auf die Schädigung für unterschiedliche Umformgrade. Der Biegewinkel ist kein Maß für die Umformung, wird aber zu Vergleichszwecken im jeweiligen Test iden-tisch gehalten. Zur Schädigungscharakterisierung wurden hauptsächlich die Dichtemessung und die Rasterelektronenmikroskopie genutzt. Abweichend zum Erstantrag konnte die Methode des unterkühlten Durchschlagens von Hoefnagels-Tasan [Hoe08] zur Verringerung des Präparationsaufwandes und des Präparationseinflusses nicht erfolgreich auf Biegeteile übertragen werden. Eine entsprechend entwickelte Vorrichtung hat das unterkühlte Biegeteil zwar an der schwächsten Stelle in der Biegezone getrennt, aber eine quantitative Auswertung der entsprechenden Poren und eine Zuordnung der gegenüberliegenden Bruchflächen war nicht möglich. Die Nutzung der Rasterelektronenmikroskopie (REM) ermöglicht die im Lichtmikroskop unerkannten Poren (Porenfläche < 1 µm2) zu detektieren und die Porenentstehungsmechanismen zu analysieren. Die Methodik der automatisier-ten Erstellung eines REM-Panoramas (ein kombiniertes Gesamtbild aus einer Vielzahl von einzelnen REM-Aufnahmen) für Biegeteile und dessen Auswertung ist in Zusammenarbeit mit TP B02 erarbeitet worden [Mey19a]. Es konnten neben der Analyse der Entstehungsmechanismen auch quantitative Aussagen über die duktile Schädigungsevolution getroffen werden. Als Vergleichsgrößen wurden der Porenflächenanteil über die Blechdicke im Querschliff (Abb. 5), die mittlere Einzelporenfläche sowie die absolute Porenanzahl genutzt. Durch die Druckspannungsüberlagerung beim RSS-Biegen und die teilweise sogar negative Triaxia-lität ist der Porenflächenanteil am Außenbogen beim RSS-gebogenen Bauteil bis zu 50 % geringer [Mey19a]. Beim Freibiegen konnte eine nahezu monotone Steigung des Porenflächenanteils zum Außen-bogen hin detektiert werden. Ferner wurde auch die durchschnittliche Porenfläche einer einzelnen Pore und die gesamte Porenanzahl durch die verringerte Triaxialität beim RSS-Biegen reduziert. Beim Freibiegen war zudem die maximale Porenfläche einer einzelnen Pore in den untersuchten REM-Panoramen mit 2,26 µm² um 85 % größer als beim RSS-gebogenen Bauteil (1,22 µm²).

Abb. 5: a) Im REM gemessener Porenflächenanteil am Außenbogen über der Blechdicke und b) auf den Ausgangszu-stand (AZ) bezogene Dichten unterschiedlich gebogener Bauteile [*Mey20], RSS: RSS-Biegen, FB: Freibiegen

Die Dichtemessung stellt eine schnelle und effiziente Methode zur Schädigungsbestimmung dar [Mey19a], da keine aufwändige Probenpräparation benötigt wird. Die Messung liefert jedoch ausschließlich integrale Werte über die vorliegende Schädigung im betrachteten Probenausschnitt im Vergleich zu einem Referenz-wert. Zur hochpräzisen Messung der Dichte wurde über die pauschalen Mittel das Dichtemessgerät IMETER V6 angeschafft. Im Gegensatz zu konventionellen Dichtemessgeräten erlaubt dieses die automatisierte Dichtemessung in einem temperierten Gefäß bei hoher Messgenauigkeit (< 0,004 g/cm³). Die Biegeproben mit einer Masse von ~10 g wurden entlang der Umformzone herausgetrennt. In Abb. 5b sind die auf den Ausgangszustand bezogenen Dichten von Biegeteilen bei unterschiedlichen Umformgraden und Gegendrü-cken dargestellt [Mey20]. Die Massen-Dichten der RSS-gebogenen Bauteile sind bei identischem Umform-grad höher als die der freigebogenen Bauteile. Weiterhin ist die Schädigungsentwicklung bei steigendem Gegendruck, also geringer Triaxialität, niedriger. Ferner wird mit steigender Formänderung sowohl für die Freibiegeteile als auch für die RSS-gebogenen Bauteile eine höhere Abnahme der Dichte detektiert. Es ist beim RSS-Biegen möglich, Bauteile mit höherem Umformgrad als beim Freibiegen zu erzeugen, die jedoch eine geringere Schädigungsentwicklung aufweisen. Dadurch wird deutlich, dass neben der plastischen Formänderung auch die Triaxialität eine tragende Rolle für die Schädigungsentwicklung spielt. Ein quantitati-ver Vergleich der beiden Messmethoden zeigte, dass die Dichtemessungen einen 20-fach höheren Schädi-gungswert im Vergleich zur Ermittlung über die Rasterelektronenmikroskopie ermittelt [Mey20]. Die erhöhte Schädigungsmessung mittels der Dichtemethodik wird darauf zurückgeführt, dass eine Vielzahl von Mikro-poren im REM aufgrund der Auflösung nicht detektierbar sind und die Versetzungen ebenfalls die Dichte beeinflussen. Ferner werden Poren während der mechanischen Präparation verkleinert [Tas12].

Leistungsfähigkeit gebogener Bauteile
Die Leistungsfähigkeit wurde durch den Arbeitskreis Leistungsfähigkeit wie folgt definiert: „Die Leistungsfä-higkeit ist die Beanspruchbarkeit eines Bauteils im für die Auslegung relevanten Lastfall“. Mögliche Belas-tungsarten von Biegeteilen sind dabei zyklische (Strahlenblende), elastische (Federn), schlagartige (Crash-boxen, Kranausleger) oder statische (Stützpfeiler) Beanspruchungen. Der alleinige Effekt der Schädigung auf die Leistungsfähigkeit konnte über eine Separation der weiteren wirkenden Effekte (geometrische Grö-ßen, Eigenspannungen, Verfestigung, Härte) herausgestellt werden. Über die beiden Verfahren Frei- und RSS-Biegen wurden aus identischen Halbzeugen geometrisch gleiche Bauteile erzeugt. Mittels Lichtmikro-skop konnten vergleichbare Blechdicken und Krümmungen am Außenbogen (Unterschied < 1 %) für gleiche Biegeverhältnisse bei frei- und RSS-gebogenen Bauteilen festgestellt werden. Die mittels Röntgendiffrakto-metrie gemessenen normierten Eigenspannungen der unterschiedlichen Biegeproben wichen um maximal 3 % ab. Eine vergleichbare Verfestigung konnte über die gemessene Versetzungsdichte in Zusammenarbeit mit TP B04 und Härtemessungen nachgewiesen werden [Mey20].

Für Biegeteile sind neben zyklischen Versuchen [Tal17] keine Prüfverfahren der Leistungsfähigkeit im Stand der Technik bekannt. Daher wurden für die unterschiedlichen Anforderungen eines Biegeteils neue Testver-fahren entwickelt [Mey20]. Die gesteigerte Ermüdungsfestigkeit, einzig aufgrund der reduzierten Schädi-gung, wurde bereits für das Elastomerbiegen aufgezeigt [Tek17]. Bei der Übertragung der Prüfmethodik auf RSS-gebogene Bauteile konnte in Zusammenarbeit mit TP C01 eine 4,5 % höhere Ermüdungsfestigkeit ermittelt werden. Die RSS-Biegeteile wiesen jedoch im Gegensatz zu den elastomergebogenen Bauteilen aufgrund der rotierenden Werkzeuge am Innenbogen geringfügige Riefen auf, die als potenzielle Rissinitiie-rungsstellen wirken können. Daher hat bisher keine eindeutige, separierte Betrachtung der Effekte stattge-funden.
Zur Ermittlung der elastischen Eigenschaften wurde ein bereits gebogenes Profil bei geringer Gesenkweite erneut elastisch belastet. Beim Herabsenken des Oberwerkzeuges wurde sowohl der Stempelweg h als auch die benötigte Kraft Fu gemessen, um den Kraft-Verschiebungsmodul über Regression zu bestimmen. Mit steigender Schädigung nimmt die Steifigkeit bei den untersuchten Proben um bis zu 8 % ab.
Gebogene Profile werden auch in crashrelevanten Strukturen, wie beispielsweise in Crashboxen im Automo-bil oder Kranauslegern, eingesetzt. Daher wurde die Biegezone auf deren Crash-Eigenschaften untersucht. Da gewöhnliche Crashtests Schwankungen unterlegen sind und die Belastung nicht einstellbar ist, ist ein neuer Crashversuchsstand (Abb. 6a) für U-Profile entwickelt worden. Dieser hat das Ziel, die Belastung der Bauteile vordefiniert einzustellen und einen realen Lastfall abzubilden.

Abb. 6: a) Neuer Versuchsstand für einstellbare Crashversuche, b) kritischer Auftreffwinkel β bei unterschiedlich gebo-genen Bauteilen und c) Kerbschlagarbeit bei Raumtemperatur bei Nutzung der M-Probe [Mey19c]

Anhand des Auftreffwinkels β erfolgt eine Einstellung der Belastung des Profils. Je größer dieser Winkel ist, desto stärker ist die im Versuch auftretende Weiterbiegung der beiden Biegeschenkel. Zur Quantifizierung der Crasheignung wurde der kritische Aufprallwinkel βg für unterschiedlich gebogene Biegeteile ermittelt. Der kritische Aufprallwinkel und die versagensfrei erreichte Krümmung nach dem Test war bei den freigeboge-nen Bauteilen um bis zu 10 % geringer (Abb. 6b).
Zur Ermittlung der Kerbschlagzähigkeit ist eine modifizierte Probe erarbeitet worden (Abb. 6c). Die neuent-wickelte Probengeometrie (sogenannte M-Probe) [Mey19c] wurde sowohl bei Raumtemperatur als auch bei Temperaturen T << 0 °C durchschlagen. Die Proben wurden dazu in flüssigem Stickstoff bei -196 °C ge-kühlt. Die Einbringung einer Nut erzeugt eine Spannungskonzentration direkt in der Umformzone. Die Probe ist mehrfach gebogen, damit das Pendelschlagwerk beim Auftreffen kein zusätzliches Kippmoment erzeugt. Durch die Spannungsüberlagerung beim RSS-Biegen und die damit verbundene reduzierte Schädigung kann die aufgenommene Schlagenergie um bis zu 19 % erhöht werden (Abb. 6c). Bei in flüssigem Stickstoff ge-kühlten M-Proben konnte eine Erhöhung der Kerbschlagarbeit von 31 % für RSS-gebogene Proben festge-stellt werden. Die Kerbwirkungen durch die Schädigung in der Biegezone nehmen somit bei geringeren Temperaturen zu. Zur Prüfung der Übertragbarkeit wurden ausgewählte Methoden zur schädigungskontrol-lierten Umformung erfolgreich auf den einphasigen Aluminiumwerkstoff AlMg3 übertragen. Durch die verrin-gerte Triaxialität konnte die Schädigung reduziert werden und die resultierende Erhöhung der Steifigkeit lag trotz der unterschiedlichen Schädigungsmechanismen in ähnlicher Größenordnung [Mey20].

Zusammenfassung
In der ersten Förderperiode wurde die Hypothese bestätigt, dass die Schädigung beim Blechbiegen einen signifikanten Einfluss auf die Bauteilleistungsfähigkeit aufweist und somit für eine akkurate Bauteilauslegung unverzichtbar ist [Tek20]. Durch die Erarbeitung neuer Bauteilprüfversuche kann die Leistungsfähigkeit von Biegeteilen je nach Belastungsfall ermittelt werden. Dabei konnten die Einflüsse der Schädigung eindeutig von den Einflüssen der weiteren Effekte, wie Geometrie, Verfestigung und Eigenspannungen separiert wer-den. Ferner kann die Schädigung im Biegeteil über eine geeignete Druckspannungsüberlagerung eingestellt werden. Die Schädigung kann effizient über integrale Messmethoden, wie die Dichtemessung bestimmt werden. Qualitativ stimmen die Schädigungswerte aus Dichte- und REM-Messung überein. Für die physika-lischen Ursachen der quantitativen Unterschiede in beiden Messmethoden besteht Forschungsbedarf. Ebenso ist der quantitative Zusammenhang zwischen Schädigung und Bauteilleistungsfähigkeit bislang nicht bekannt.

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Projektleitung
Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E. h. A. Erman Tekkaya
Institut für Umformtechnik und Leichtbau (IUL), TU Dortmund

Projektbearbeitung
Rickmer Meya M. Sc.
Institut für Umformtechnik und Leichtbau (IUL), TU Dortmund