ansys - CAD-FEM GmbH

THEMENSCHWERPUNKT: FORSCHUNG, LEHRE, WEITERBILDUNG
Konduktive Erwärmung von Formplatinen
Heißes Eisen
Diese hat sich bereits bei rechteckigen
Platinenzuschnitten bewährt,
bei Formplatinen stellt
sich jedoch die inhomogene
Temperaturverteilung als Herausforderung
dar. In einem Forschungsprojekt
hat das Institut für Umformtechnik und
Umformmaschinen (IFUM) der Leibniz-
Universität in Hannover gemeinsam mit
CADFEM und anderen Industrieunternehmen
ein Verfahren entwickelt, um eine
gleichmäßige Erwärmung zu erreichen.
Im Rahmen des automobilen Karosserieleichtbaus
kommen zunehmend Stahlfeinbleche
mit erhöhten Festigkeiten zum
Einsatz. Besonders für crashrelevante Bauteile
wird eine möglichst hohe Festigkeit gewünscht.
Ein Herstellungsverfahren, das
dies ermöglicht, ist das Presshärten. Dabei
wird der Umformvorgang mit einer Wärmebehandlung
in einem Prozess kombiniert.
Die Zuschnitte werden dazu zunächst
bis zur vollständigen Austenitisierung auf
950 ° C erwärmt und anschließend im gekühlten
Werkzeug umgeformt und gehärtet.
Neben einer guten Umformbarkeit sind
sehr hohe Bauteilfestigkeiten, eine geringe
Rückfederungsneigung und eine hohe
Maßhaltigkeit realisierbar.
Die Erwärmung der Platinen für das
Presshärten erfolgt im industriellen Einsatz
in der Regel in bis zu 40 Meter langen
Ofenstraßen durch Konvektion, Wärmestrahlung
und -leitung. Dies ist mit erheb-
Crashrelevante Karosseriebauteile werden vermehrt durch Presshärten
gefertigt. Traditionelle Erwärmungsanlagen erfordern allerdings einen
hohen energetischen Aufwand und viel Platz. Eine Alternative dazu
ist die konduktive Erwärmung der Platinen über Elektroden.
lichem Anlagenaufwand und Hallenplatzbedarf
verbunden. Eine gute Alternative
hierzu bietet die konduktive Erwärmung.
Dabei werden Elektroden an die Platine
angelegt, die diese über einen Stromfluss
erwärmen. Neben großen Einsparungen
von Energie- und Investitionskosten liegen
die wesentlichen technologischen Vorteile
in der sehr kurzen Erwärmungszeit von ca.
20 Sekunden, einer Verringerung von Zunderbildung
bei unbeschichteten Blechen
sowie einer Steigerung der Bruchdehnung
der Bauteile bei gleichbleibender Festigkeit.
Nachdem eine Erwärmung für rechtecknahe
Zuschnitte, z. B. für Türaufprallträger
oder Bumper bereits am IFUM realisiert
wurde, stellt die Erwärmung von
Formplatinen (z. B. für B-Säulen) aufgrund
des inhomogenen Stromflusses und
der damit verbundenen inhomogenen Erwärmung
eine große Herausforderung dar.
Diese Thematik wird am IFUM in dem
laufenden Projekt AiF16248N der industriellen
Gemeinschaftsforschung bei der
Europäischen Forschungsgesellschaft für
Blechverarbeitung e.V. in Zusammenarbeit
mit CADFEM, verschiedenen OEMs der
Automobilindustrie und anderen Unternehmen
untersucht.
eine homogene Spannungsverteilung ein,
woraus sich eine homogene Erwärmung
ergibt, vgl. Bild 1. Bei einer Formplatine
fließt der Strom bei einer vergleichbaren
Kontaktierung den Weg des geringsten Widerstands,
woraus eine inhomogene Spannungsverteilung
und damit auch eine inhomogene
Erwärmung resultieren. Diese
Inhomogenität führt dazu, dass einzelne
Bereiche in der Platine überhitzen und aufschmelzen,
während andere fast vollständig
kalt bleiben.
Die Lösung bietet das folgende Konzept,
bei dem die Formplatine durch Verwendung
mehrerer Elektroden in rechtecknahe
und trapezförmige Bereiche
aufgeteilt wird, hier am Beispiel des Zuschnitts
einer B-Säule. Während die rechtecknahen
Bereiche konventionell erwärmt
werden, muss in dem trapezförmigen Bereich
durch eine treppenförmige zusätzliche
Kontaktierung eine homogene Spannungsverteilung
erzwungen werden, aus
der dann die homogene Erwärmung resultiert.
Die numerische Auslegung
Konstruktionsbegleitend wurden FE-Simulationen
zur Anlagenauslegung mit
Das Erwärmungskonzept ANSYS durchgeführt und die konduktive
Widerstandserwärmung für den Formzu-
Bei einer rechtecknahen Platine, die mit schnitt ausgelegt. Hierbei wurden der notTDHster/shutterstock.com
zwei Elektroden kontaktiert wird, stellt sich wendige Energiebedarf der Anlage, die Bild:
30 CADFEM JOURNAL Infoplaner 02 | 2012