Schneller in die Serienfertigung mit TEM

Von: ThyssenKrupp AG  25.10.2006
Keywords: Thyssenkrupp Steel Extrapolationsmethode

Zwischen der Konstruktion eines Bauteils und seiner stabilen Serienproduktion in kurzen Taktzeiten liegt ein langer Weg. Dank TEM (ThyssenKrupp Steel Extrapolationsmethode) wird dieser Weg zumindest im Bereich Blechumformung etwas kürzer. TEM ist ein neues Rechenmodell, mit dem sich der Prüfaufwand beim Ermitteln von Werkstoff-Kennwerten deutlich verringern lässt. Gleichzeitig bietet die Methode wesentlich realistischere Daten als bislang gebräuchliche Formeln. Entwickelt hat TEM die Division Auto der ThyssenKrupp Steel AG. Das Modell soll Automobilherstellern und -zulieferern als Software-Baustein für die Materialdatenaufbereitung ihrer Umform-Simulationsprogramme zur Verfügung gestellt werden. Die Automobilindustrie spielt in diesen Simulationsprogrammen durch, wie sich ein Stahlwerkstoff bei der Fertigung eines neu entwickelten Teils in der Umformpresse voraussichtlich verhalten wird. Man untersucht zum Beispiel, ob das Material reißen könnte oder ob unerwünschte Materialausdünnungen zu erwarten sind. Auf dieser Basis werden Bauteilgeometrie- und Produktionsmethode so lange virtuell optimiert, bis man davon ausgehen kann, dass die Produktion problemlos abläuft. Die Ergebnisse sind aber nur so gut wie die Werkstoffkennwerte, mit denen die Simulationsprogramme gefüttert werden. Wer voraussagen will, wie sich Stahl in einer Umformpresse verhält, braucht in erster Linie Daten zum Verfestigungsverhalten und für die so genannte Grenzformänderungskurve, die die maximal erzielbare Dehnung definiert. Gemeinsam beschreiben diese Werte, unter welchen Verformungs- und Spannungskombinationen ein bestimmter Stahl seine Elastizität verliert, sich anschließend plastisch verfestigt und bei Überbeanspruchung reißt. Es gibt verschieden Prüfverfahren, mit denen man das Verfestigungsverhalten ermitteln kann. Das gängigste ist der eindimensionale Zugversuch. Diese Methode, bei der ein etwa 250 Millimeter langer, taillierter Stahlstreifen in eine Zugvorrichtung eingespannt und gedehnt wird, ist vor allem deshalb so verbreitet, weil sie schnell, kostengünstig und umfassend normiert ist. Das Problem: die Aussagekraft der Daten ist für die Simulation nicht ausreichend, weil die mit einem Messbereich von 80 Millimeter aufgenommenen Werte nur einen kleinen Dehnungsbereich abbilden. Die meisten realen Umformvorgänge gehen weit über diese Zone hinaus. Es gibt zwar Formeln, mit denen diese Daten für höhere Dehnungen hochgerechnet werden können, aber auch hier zeigt die Praxis, dass die Berechnungen nicht immer verlässlich sind. Die großen Automobilhersteller führen deshalb zusätzliche Werkstoffprüfungen durch, um zu zuverlässigeren Eingangsdaten für die Umformsimulation zu kommen. Einer der besten Tests ist die hydraulische Tiefung, bei der ein rundes Stahlblech mit etwa 160 Millimeter Durchmesser in eine Vorrichtung eingespannt und von unten mit Öl unter Druck gesetzt wird. Hier werden wesentlich höhere Dehnungen erreicht als im Zugversuch. Der Nachteil: Das Verfahren ist rund siebenmal teurer als der Zugversuch, nicht überall verfügbar, zeitraubend und nicht international genormt. Die Grenzformänderungskurve wird ebenfalls mit sehr aufwändigen und derzeit noch nicht abschließend genormten Versuchen ermittelt. Derzeit braucht man für die Ermittlung einer einzigen Kurve etwa eine Woche. Die Anwendungstechniker von ThyssenKrupp Steel haben jetzt einen neuen Weg gefunden, den Aufwand für die Ermittlung von Verfestigungsverhalten und Grenzformänderungskurve zu verringern und zugleich zuverlässigere Daten zu gewinnen. Für die kaltgewalzten Stähle aus dem ThyssenKrupp Steel Programm haben sie jeweils eine Serie hydraulischer Tiefungen durchgeführt und zusätzlich die eigenen Ergebnisse durch weitere Tests in externen Labors überprüft. Anschließend hat man die gewonnenen Daten mit den Kennwerten in Beziehung gesetzt, die im eindimensionalen Zugversuch für dieselben Werkstoffe ermittelt wurden. Dabei hat sich gezeigt, dass sich diese Beziehungen mathematisch beschreiben und in Formeln fassen lassen. Für die Grenzformänderungskurve hat man ein ähnliches Verfahren gewählt. Mit den Formeln kann man jetzt, allein auf Basis des preiswerten und schnellen Zugversuches, zuverlässige Aussagen über das Werkstoffverhalten auch für Dehnungsbereiche machen, die durch den Zugversuch praktisch nicht abgedeckt werden. Die Konsequenz für den Anwender: Aufwändige Zusatztests sind künftig nicht mehr nötig, der Zugversuch reicht aus und TEM liefert verlässliche Kurven für die Umformsimulation auf Knopfdruck. Den Softwarebaustein gibt es zunächst für alle kaltgewalzten Produkte von ThyssenKrupp Steel, künftig soll TEM auch für Warmband weiterentwickelt werden.

Keywords: Thyssenkrupp Steel Extrapolationsmethode