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Konduktive Erwärmung von Formplatinen für das Presshärten

Laufzeit:1.10.2009 -
Förderung:EFB / AiF
Web:huebnerifum.uni-hannover.de

Im Rahmen des automobilen Karosserieleichtbaus kommen zunehmend Stahlfeinbleche mit erhöhten Festigkeiten zum Einsatz. Besonders für crashrelevante Bauteile wie Trägergeometrien wird eine möglichst hohe Festigkeit gewünscht. Ein Herstellungsverfahren, das dies besonders effektiv ermöglicht, ist das Presshärten, bei dem der Umformvorgang mit einer Wärmebehandlung der Platinen in einem Prozess kombiniert wird. Die Zuschnitte werden dazu zunächst erwärmt und anschließend im gekühlten Werkzeug umgeformt und dadurch gehärtet. Neben einer guten Umformbarkeit sind sehr hohe Bauteilfestigkeiten von Rm > 1.500 MPa sowie eine geringe Rückfederungsneigung und damit eine hohe Maßhaltigkeit realisierbar. Die mechanischen Eigenschaften von Bauteilen lassen sich gezielt einstellen und numerisch abbilden. Allerdings besteht im Bereich der Platinenerwärmung großer Optimierungsbedarf. Das Erwärmen der Platinen für das Presshärten erfolgt im industriellen Einsatz in der Regel in langen Ofenstraßen (Rollenherdöfen) durch Konvektion, Wärmestrahlung und -leitung. Dies ist mit erheblichem Anlagenaufwand (Investitionskosten bis zu ca. 1 Mio. EUR) und Hallenplatzbedarf (Investitionskosten bis zu ca. 2 Mio. EUR) verbunden. Durch eine Verkürzung von Ofenstrecken ließen sich signifikant Kosten sparen.

Die konduktive Erwärmung von elektrisch leitenden Materialien hingegen beruht auf dem Prinzip des Leistungsumsatzes in ohmschen Widerständen bei Stromdurchfluss. Dieses Verfahren wird unter anderem zum Erwärmen von Nieten, Schmiederohteilen und in Warmreckmaschinen zum Entspannen und Richten von Rohren bzw. Profilen eingesetzt. Bei der konduktiven Erwärmung wird der Strom direkt durch das zu erwärmende Werkstück geleitet. Dabei wird die Wärmeenergie genutzt, die in einem elektrischen, materialabhängigen spezifischen Widerstand R, bei dessen Beaufschlagung mit einem Strom nach dem „Jouleschen" Gesetzt entsteht. Die Widerstandserwärmung bietet potenziell folgende Vorteile gegenüber der konventionellen Methode mittels Konvektion, Leitung und Strahlung:

  • schnelle Erwärmung
  • geringer Platzbedarf
  • geringe Investitionskosten
  • geringer Energiebedarf
  • gute Steuerungs- und Regelungsmöglichkeiten

Im Vorgängerprojekt AiF/EFB 14353N „Halbwarmumformung hoch- und höchstfester Stähle“ wurde die Technologie der konduktiven Erwärmung für das Presshärten qualifiziert. Ziel dieses Forschungsprojekts war, die Wirtschaftlichkeit des Presshärtens durch die Realisierung eines konduktiven Erwärmungssystems zu erhöhen. Zu diesem Zweck wurde ein entsprechendes Anlagenkonzept entwickelt, umgesetzt und erprobt.

Ziel dieses Projekts ist die Vergrößerung des Einsatzgebiets der konduktiven Erwärmung durch die Erweiterung eines bestehenden Systems und damit eine Verbesserung der Praktikabilität für die industrielle Umsetzung. Dies beinhaltet zum einen die homogene, effektive Erwärmung geometrisch komplexer Formplatinen für das Presshärten mittels eines Mehrelektrodensystems. Dabei werden einzelne Elektrodenpaare abwechsend getaktet angesteuert und so eine partiell angepasste Energieumsetzung realisiert. Auf diese Weise lassen sich einzelne Zuschnittbereiche differenziert erwärmen. Zum anderen besteht ein weiterer Untersuchungsaspekt in der gezielten Erzeugung inhomogener Temperaturverteilungen zum Einstellen partiell unterschiedlicher Bauteileigenschaften. Dies soll für Tailored-Blanks unterschiedlicher Blechdicke und unterschiedlicher Werkstoffe sowie für Tailored-Tempered-Blanks bei einem B-Säulen-Zuschnitt untersucht werden. Neben der numerischen Auslegung der Erwärmungsstrategie ist der praxisnahe Aufbau eines flexiblen modularen Systems zur Erwärmung unterschiedlichster Platinenformen Gegenstand des Forschungsvorhabens.

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