Formhärten: Prüfverfahren spürt Fehler am Bauteil auf

Bild 1: Komplexer Prozess: Beim Formhärten werden heiße Bauteile umgeformt und gleichzeitig abgeschreckt. (Foto: IFUM)

IFUM/IZFP | Beim Formhärten von Karosseriebauteilen kommt es gelegentlich zu Rissen. Bisher fehlt es an Prüftechniken, um fehlerhafte Bauteile frühzeitig zu erkennen. Ingenieure des IFUM und des IZFP arbeiten derzeit an geeigneten Verfahren und an Strategien zur Rissvermeidung.

Leichter, komplexer, steifer, sicherer und kostengünstiger – das ist die Leitlinie für viele Karosseriekomponenten in der Automobilindustrie. Die Hersteller setzen zunehmend auf Stahlwerkstoffe mit hohen Festigkeiten bei gleichzeitig immer geringerer Blechdicke.

Hochfeste Strukturbauteile wie beispielsweise A- und B-Säulen werden mittels Formhärten hergestellt, auch Presshärten genannt. Bei diesem Warmumformverfahren werden industriell derzeit fast ausschließlich Mangan-Bor-Stähle eingesetzt, die vor der Umformung im Ofen erwärmt werden. Während des Umformprozesses wird der Werkstoff schnell abgekühlt – dadurch kommt es zu Phasenumwandlungsvorgängen auf Werkstoffebene und die Festigkeit des Werkstoffs steigt erheblich.

Fertigung am Limit

Heute erfolgt die Herstellung von Blechbauteilen an den Prozessgrenzen, um die Werkstoffeigenschaften so gut wie möglich auszureizen. Schon kleine Schwankungen der Temperatur oder der Materialzusammensetzung können deshalb dazu führen, dass im Formhärteprozess sporadisch Reißer und Einschnürungen entstehen (siehe Bild 2) – dieses Problem ist auch den Automobilherstellern bestens bekannt. Da es zurzeit kein automatisches Prüfverfahren gibt, können fehlerhafte Bauteile in die Endmontage gelangen. Für das Unternehmen können diese Fehler enorme Kosten verursachen, insbesondere wenn das defekte Bauteil erst spät erkannt wird.

Im Vergleich zu anderen Umformverfahren ist das Formhärten recht kostenintensiv, weil komplexere Umformwerkzeuge mit Wasserkühlung erforderlich sind und die Bauteile vorher erwärmt werden müssen. An der Steigerung der Produktivität und Wirtschaftlichkeit bei gleichzeitiger Fertigung hochqualitativer, fehlerloser Bauteile hat die Industrie daher großes Interesse.

Um diesem Ziel näher zu kommen, wollen Wissenschaftler des Instituts für Umformtechnik und Umformmaschinen (IFUM) in Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer-Institut für zerstörungsfreie Prüfverfahren (IZFP) ein neuartiges, zerstörungsfreies Prüfkonzept für formgehärtete Bauteile entwickeln.

Zerstörungsfreie Prüfverfahren als Schlüssel zum Erfolg

Hierbei untersuchen die Forscher verschiedene Verfahren, nämlich aktive und passive Thermografie, elektromagnetisch erzeugten Ultraschall (EMUS) sowie die Mikromagnetische Multiparametrische Mikrostruktur- und Eigenspannungs-Analyse (3MA).

Aber welches Verfahren ist zielführend? Um das zu klären, testen die Forscher die Verfahren hinsichtlich Eignung, Genauigkeit und Nachweisgrenzen – zunächst an simplen, pressgehärteten Platinen mit künstlich eingebrachten Fehlern. Darauf aufbauend  prüfen sie die Verfahren an realen, fehlerbehafteten Praxisbauteilen, etwa dem Fußbereich einer B-Säule (siehe Bild 3). Dort wird ein EMUS-Sensor sowohl auf einem Bauteil ohne Fehler als auch auf einem Bauteil mit Fehler zur Qualitätskontrolle platziert. Bei dem fehlerfreien Bauteil (rechts im Bild) läuft die elektromagnetisch erzeugte Ultraschallwelle ungestört bis zur Bauteilkante und wird dort reflektiert. Ist ein Fehler im Bauteil vorhanden (links im Bild), wird das Signal bereits am Defekt reflektiert und es tritt ein sogenanntes Fehlerecho auf.

In einem nächsten Schritt wählen die Wissenschaftler das geeignetste Verfahren aus, entwerfen ein Konzept zur Integration in einen realen Umformprozess und bauen einen Versuchsstand zur Verifikation auf. Die Prüfung der Bauteile erfolgt – je nach Verfahren – bereits während des Formhärtens oder unmittelbar danach.

Ursachen finden, Fehler vermeiden

Und woher kommen die Bauteilfehler? Auch dieser Frage wollen die Wissenschaftler auf den Grund gehen. Der Formhärteprozess wird von deutlich mehr Faktoren beeinflusst als beispielsweise der klassische Tiefziehprozess. Zu den Einflussgrößen zählen unter anderem die Transferzeit des heißen Bauteils vom Ofen in die Presse, die Haltezeit des Bauteils im Ofen sowie die Haltezeit im Werkzeug in der Presse. Durch eine geschickte Variation dieser Parameter und eine ausgeklügelte Versuchsmatrix ermitteln die Forscher nicht nur die Ursachen der Rissentstehung – sie leiten hieraus auch Strategien zur Rissvermeidung ab und leisten damit einen Beitrag zur Qualitätssteigerung für die industrielle Produktion formgehärteter Bauteile.

Das neue Prüfverfahren wird also in Zukunft einerseits die Prozesssicherheit erhöhen und andererseits die Anzahl an fehlerbehafteten Bauteilen minimieren. Somit können die Hersteller Kosten reduzieren, die Produktqualität steigern und ihre Wettbewerbsfähigkeit erhöhen. Von dem Prüfkonzept profitieren künftig sowohl kleinere und mittlere Unternehmen als auch die Großindustrie, sind sich die Forscher sicher – denn der Anteil von pressgehärteten Bauteilen in der Karosserie nimmt seit Jahren stetig zu.

Förderhinweis

Das industrielle Gemeinschaftsforschung-Vorhaben 18544/N der Forschungsvereinigung Europäische Forschungsgesellschaft für Blechverarbeitung (EFB) e.V. wird über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) im Rahmen des Programmes zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

von Kai Wölki

Bildergalerie zu diesem Artikel

  • Bild 1: Komplexer Prozess: Beim Formhärten werden heiße Bauteile umgeformt und gleichzeitig abgeschreckt. (Foto: IFUM)
  • Bild 2: Pressgehärtetes Bauteil mit Riss: Weil ein Prüfverfahren fehlt, werden Fehler oft zu spät erkannt. (Foto: IFUM)
  • Bild 3: Sensoren kontrollieren die Bauteilqualität: Ein EMUS-Sensor identifiziert einen Riss in der B-Säule. (Foto: IZFP)
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