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Strukturbauteile im Automobil -
Technologiepotenziale für intelligenten Leichtbau
R. Neugebauer, W.-G. Drossel, A. Sterzing, F. Schieck
Wissenschaftstag des Institutes für Faserverbundleichtbau und Adaptronik der DLR
Braunschweig, 30.9.2009
Prof. Neugebauer
Arc
hiv
ieru
ng
san
gab
en
2
1.
Einführung
2.
Erschließung von Werkstoffpotenzialen durch
Technologieentwicklung
3.
Umformtechnologien für aktive Strukturbauteile
4.
Zusammenfassung
Prof. Neugebauer
Arc
hiv
ieru
ng
san
gab
en
3
1.
Einführung
2.
Erschließung von Werkstoffpotenzialen durch
Technologieentwicklung
3.
Umformtechnologien für aktive Strukturbauteile
4.
Zusammenfassung
Prof. Neugebauer
Arc
hiv
ieru
ng
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gab
en
4
Das Institut in Zahlen Gründung am 1. Juli 1991 ca. 380 Mitarbeiter > 23 Mio. €
Jahresetat
7 000 m²
Fläche,
davon 4 000 m²
Versuchsfeld
Das Fh
IWU –
ein Institut der Fraunhofer-Gesellschaft
Fraunhofer IWU
Standort Dresden
Fraunhofer IWU
Standort Chemnitz
Kompetenzfelder Werkzeugmaschinen Mechatronik Spanende Technologien Umformtechnologien Systemtechnologien
Prof. Neugebauer
Arc
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en
5
Kernkompetenz
Prozessketten der Automobilproduktion -
Karosserie und Powertrain
Produkt
Werkzeugentwicklung
Fügen
SpanendeTechnologien
Produkt TechnologieProduktions-
systemQualitäts-sicherung
Schwingprüfung mit Multiaxialprüfstand
BlechumformungDesign
Klappen mit FGL-AktorikStrömungswiderstandThermomanagement
Leichtbau-nockenwelle Fügen
Noise-Source-Ranking
Prof. Neugebauer
Arc
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gab
en
6
Verbesserung
des Crashverhaltens
Gewichtsreduzierung
gute
mechanische
Eigenschaften
durch
hohe
Steifigkeit
und gute
Schwingungs-
und Schalldämpfung
bessere
Wärmeisolation
als
massives
Aluminium
gute
Recyclingfähigkeit
Bahntechnik
-
„Crashsichere
Frontmodule“
Simulationsmodells und simulierte Crashverformung.
Umgeformtes und aufgeschäumtes
Frontmodulsegment
Frontmodul für Schienenfahrzeug aus Aluminium-Aluminiumschaum-
Sandwiches.
Füge-
und Reparaturtechniken
Prof. Neugebauer
Arc
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ieru
ng
san
gab
en
7
Spannungsfeld Mobilität
Alternative Wege
zu einer ökologisch orientierten Mobilität
Verbrennungsmotor versus
E-Mobilität
KohleGasAKW
Sonne
Biomasse
Wind
Wasser
Biomasse
Öl
Kohle
Raffinerie Tankstelle Kraftwerk
Heute
Morgen
MorgenHydrierung
Kriterium Verfügbarkeit ?
Kriterium CO2
-neutral
BtL
1-Liter-Auto
KFZ
Heute
E-Mobil
Biomass
to Liquid
- Batterietechnik ?- Produktionstechnik ?- CO2
-Neutral ? - Gesamtwirkungsgrad ?
E-Netz
E-NetzStromtankstelle
E-Mobil
Tankstelle 1-Liter-Auto
TankstelleKriterium CO2
-neutral
Prof. Neugebauer
Arc
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en
8
1.
Einführung
2.
Erschließung von Werkstoffpotenzialen durch
Technologieentwicklung
3.
Umformtechnologien für aktive Strukturbauteile
4.
Zusammenfassung
Prof. Neugebauer
Arc
hiv
ieru
ng
san
gab
en
9
Leichtbaupotenzial und technologischer Lösungsansatz
Masseeinsparpotenzial durch Leichtbau im AutomobilKarosserie: 15 %Motor/Antriebsstrang:
7 %Fahrwerk:
6 %Package:
5 %
Leichtbauwerkstoffe
Nichteisen-Metalle- Magnesium- Aluminium - Titan
hoch-/höchstfeste StahlwerkstoffeAnwendung hochfester Stähle VW „Touareg“
TRIP 700DP 600ZStE 340
BTR 165CPW 800TRIP 700TRIP 700DP 600DP 600ZStE 340ZStE 340
BTR 165BTR 165CPW 800CPW 800
0
20
40
60
0 200 400 600 800 1000 1200 1400
Bru
chde
hnun
g A
80[%
]
Zugfestigkeit Rm [N/mm2]
Mg
Al
Zielgebiet(während
Umformung)
reduzierte Festigkeit
erhöhte Dehnung
Thyssen Krupp Stahl
HSS,AHSS, UHSS
Ti
nachUmformung
LösungsansatzTechnologisches Parameterfeld
≠
Parameterbereich BetriebslastTemperatur, Geschwindigkeit ...
Prof. Neugebauer
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10
20,5
18,26,16,1
100,2
61,4
47,2 51,248,3
38,6
6,16,10
20
40
60
80
100
120
0 50 100 150 200 250 300Umformtemperatur [°C]
Dom
höhe
h max
[mm
]
AZ 61 A = RT
AZ31BAZ61AAZ80A-F
Erweiterung der
Umformgrenzen
AZ 61 A = 300°C
20,5
18,26,16,1
100,2
61,4
47,2 51,248,3
38,6
6,16,10
20
40
60
80
100
120
0 50 100 150 200 250 300Umformtemperatur [°C]
Dom
höhe
h max
[mm
]
AZ 61 A = RT
AZ31BAZ61AAZ80A-F
AZ31BAZ61AAZ80A-F
Erweiterung der
Umformgrenzen
AZ 61 A = 300°C
Ansatz:
Nutzung des Umformmediums als Wärmeträger
Herausforderungen: Umformbereich: Beeinflussung des
Umformverhaltens Nachschiebebereich:
Vermeidung von Falten
Lösung:Realisierung eines definierten Temperatur-gradienten
zwischen Nachschiebe-
und Umformbereich
Beheiztes Segment
HeizpatronenIsolierung
Gekühlte Segmente
Kühlkreisläufe
T-IHU-Werkzeug
Thermisches IHU mit flThermisches IHU mit flüüssigen Wirkmedien (Tssigen Wirkmedien (T--IHU)IHU)
Umformergebnisse
Umformen von Strukturbauteilen aus Magnesium
Prof. Neugebauer
Arc
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en
11
Weiterentwicklung des IHU zum Gas Forming
Thermisches IHU mit gasförmigen Wirkmedien (T-IHU-G)
Beispiel: Querträger aus AlBeispiel: Querträger aus AlAnspruch: Erweiterung des Verfahrens auf Temperatur-
bereiche über 300°C Umformung spezieller Aluminium-, Titan-
und Stahllegierungen
Herausforderung: Nutzung eines hochtemperaturbeständigen
Umformmediums
Lösung:
Hot-Gas-Forming
mit Stickstoff als Umformmedium
Realisierbare Prozessparameter:max. Umformdruck 700 barmax. Umformtemperatur
1.200 °Cmax. Gasvolumen
6 l (bei 700 bar)
Vorverdichter
Druckspeicher
Hochdruck -pumpen
Gasdruckerzeuger-Anlage am IWU
PrototypIn Zusammenarbeit mit Siebenwurst Werkzeugbau
Prof. Neugebauer
Arc
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12
coil withblanking press
hydraulic press hot forming toolwith cooling
blank heating
laser trimming
laser line
furnace 950°C
blanking hot forming
coil withblanking press
hydraulic press hot forming toolwith cooling
blank heating
laser trimming
laser line
furnace 950°C
blanking hot forming
Beispiel: Direktes Formhärten
Realisierung höchster Bauteilfestigkeiten(bis zu 1700 N/mm2)
Realisierung von hochgenauen und komplexen Bauteile
Reduzierung der Bauteilanzahlund Werkzeuge
LEICHTBAU in Stahl
PART EXAMPLESroof rail
(-1,67 kg) B pillar(-4,72 kg)
tunnel(-5,1 kg)
sill board(-2,45 kg)sill board(-2,45 kg)
PART EXAMPLESroof rail
(-1,67 kg) B pillar(-4,72 kg)
tunnel(-5,1 kg)
sill board(-2,45 kg)sill board(-2,45 kg)
Gewichtsreduzierung
25 kg(im Vergleich zum Vorgängermodell)
BauteilbeispieleVW Passat
Technologiebeispiel - Formhärten
Prof. Neugebauer
Arc
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en
13
Technologische Weiterentwicklung
Prozesskombination Gas-Forming
und Formhärten
380 mm
Kritische Bauteilbereiche(umformtechnischer Anspruch)
Eckbereiche Senke
Testgeometry
380 mm
Kritische Bauteilbereiche(umformtechnischer Anspruch)
Eckbereiche Senke
Testgeometry
Versuchsausrüstung/-vorbereitung
Umformmaschine (SHP 50.000)
Umformwerkzeug, einschließlich Kühlung (Definition: Werkzeuggeometrie, -design, -gestaltung)
Bereitstellung von Testrohren -
Werkstoff: 22MnB5-
D = 70 mm; s = 2,0 mm- Rm
≈
550 N/mm2
Prozesssequenz/-strategie-
Ermittlung geeigneter Prozessparameter (Erwärmung/Kühlung, Transfer, Werkzeugschließen, Umformen)
Realisierung und Bewertung von Testbauteilen-
Ermittlung finaler Bauteileigenschaften, (insbesondere Festigkeit)E F B E F B
Prof. Neugebauer
Arc
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gab
en
14
Erwärmungt = 5 min; = 950 °C
Bauteiltransfert = 10 s
Werkzeug-schließen
t = 10 s
GAS FORMINGt = 18 s
Druck pmax = 600 barNachschieben s = 2 x 12 mm
Kühlent = 20 sforming time t [s]
inte
rnal
pres
sure
p [b
ar]
ProzesssequenzDruck-Zeit-Verlauf Gas forming
Realisiertes Bauteil(22MnB5)
E F B E F B
Sollkurve
Istkurve
Verfahrensablauf Gas-Forming/Formhärten
Prof. Neugebauer
Arc
hiv
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ng
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gab
en
15
200
300
400
500
600
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
measuring length l [mm]
Vic
kers
har
dnes
s H
V1
1000
1200
1400
1600
1800
2000
stre
ngth
Rm [N
/mm
2 ]
(DIN EN ISO 18265; DIN 50150)
200
300
400
500
600
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
measuring length l [mm]
Vic
kers
har
dnes
s H
V1
1000
1200
1400
1600
1800
2000
stre
ngth
Rm [N
/mm
2 ]
(DIN EN ISO 18265; DIN 50150)
Messlänge l = 100 mm
l
0
Messlänge l = 100 mm
l
0
Effekte:
-Signifikanter Festigkeitsanstieg
Nachweis der Machbarkeit
-ungleichmäßige Festigkeitsausbildung
Einfluss von Kontakt-
und Werkzeugbedingungen
Bauteile mit örtlich optimalen Eigenschaften
Festigkeit
im
Wandbereich
(basierend
auf Härtemessungen)
Ergebnisse Gas-Forming/Formhärten
Prof. Neugebauer
Arc
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ng
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gab
en
16
1.
Einführung
2.
Erschließung von Werkstoffpotenzialen durch
Technologieentwicklung
3.
Umformtechnologien für aktive Strukturbauteile
4.
Zusammenfassung
Prof. Neugebauer
Arc
hiv
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ng
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gab
en
17
Adaptronik: Integration von Sensoren
und Aktoren
auf Werkstoffebene
Reduzierung
von Schwingungen
und Lärm Structural health monitoring
Leichtbaukonstruktionen mit hoher Funktionsintegration
www.smart-material.com
+-
F
F
+-
F
F
Wandlerwerkstoff Piezokeramik
V+
-
L
Sensor = Deformation Ladung
Aktor
= Elektrisches Feld Deformation
Technologien für aktive Strukturbauteile -
Motivation
Prof. Neugebauer
Arc
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en
18
Low-Cost Lautsprecher-System mit piezokeramischen Modulen
- direkt
in die Karosseriestruktur
integriert- geringe
Masse, minimaler
Bauraum,frei
lokalisierbar
Grundlagen: Aktor-Module mitPiezo-Folien
oderPiezo-FasernQuelle: PI Ceramic
Blechteil
mitPiezo-ModulSource: Fraunhofer
IWU
Technologien für aktive Strukturbauteile -
Anwendungsbeispiel
Prof. Neugebauer
Arc
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en
19
Funktionsintegration
–
Technologie
für aktive
Strukturbauteile
–
heute
Piezo-Modul
Quelle: Smart Material GmbH
Standard module
Applikation
auf Metallstruktur
(Kleben) Laborbedingungen Reproduzierbarkeit
Fertigungszeit
Aktives
Strukturbauteil
Produktionstechnologien für Strukturbauteile hoch
produktiv, niedrige Bauteilkosten hohe
geometrische
Vielfalt
in kurzenProzessketten
Leichtbaudurch
Werkstoff
und Geometrie
Technologien für aktive Strukturbauteile -
Prozessketten
Prof. Neugebauer
Arc
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gab
en
20
Großserienfähige
Produktionstechnologien
für leichtmetall-
und faserverbundbasierte Komponenten
mit
integrierten
PiezoSensoren
and -Aktoren
–
PT-PIESA
DFG SFB / TR 39 - Sprecher: Prof. Reimund Neugebauer
1. Förderperiode7/2006 -
6/201013 TeilprojekteBudget: 7,0 Mio. €
Prozesskette PT-PIESA
Material- und Funktionsintegration in einer Prozesskette
Modul-
und Bauteilfertigung IntegrationOil sump
Mechanische
Bauteilfertigung
Produktion
von Sensoren
und Aktoren
Piezo- komposite-
Modul
Strukktur- bauteil
Prozesskette heute
Appli-
kation
Prozesskettenansatz für aktive Strukturbauteile
Prof. Neugebauer
Arc
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gab
en
21
Umformen von Piezo-Metall-Verbünden
Integration durchLeichtmetalldruckguß
Piezo-Komposite-BauteileThermoplastischen-Matrices
Entwicklung von Piezofaser-Metall-Modulen
Piezokeramik Laser Kontaktierung
Folien mitTPM
Stapel-werkzeug
Fixierwerkzeug
CF-PEEK Mess- & rungs-
Online-
Foils withTPM
Gripper
Fixing Tool
CF-PEEKMeasuring and Curing Tool
Online- Polarization
Folien mitTPM
Stapel-werkzeug
Fixierwerkzeug
CF-PEEK Mess- & rungs-
Online-
Foils withTPM
Gripper
Fixing Tool
CF-PEEKMeasuring and Curing Tool
Online- Polarization
Prof. W.Hufenbach
Prof. R. Singer
Prof. R.NeugebauerDr.W.-G. Drossel
Prof. M.GeigerProf. A.Schmidt
Prof. A.MichaelisDr. A.Schönecker
Forschungsgegenstand SFB /TR 39 –
PT-PIESA
Prof. Neugebauer
Arc
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ng
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gab
en
22
Herausforderung für die Umformtechnik
Piezokeramik
duktiles
Aluminium
Bruchdehnung ≈
15 %
Keramik
Aluminium
Formänderung
Span
nung
Formbarkeit ? – ohne Zug, ohne Schub !!!
Sensor-/Actuator-Module
Mechanical StructureInterface Layer
Sensor-/Actuator-Module
Mechanical StructureInterface Layer
spröde
Bruchdehnung 1 %0
Piezokeramische Folie nach der Umformung in einem Patch-Verbund
Piezo-keramik
Blech
2maxD
Lösung: Bernoulli, Navier Biegen dünner Fasern !!!
Prof. Neugebauer
Arc
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en
23
Piezo-faser
Metall
Direkte Integration auf Micro-Niveau
Hohe Leistungsfähigkeitaufgrund
niedriger
Verluste
durchfehlende
Zwischenschichten
Geringes Umformpotenzial
Direkte, steife Ankopplung
Modul-Integration in einen Doppel-Blech-Verbund
Piezo-ModulBlech
1
Blech
2Klebstoff
Leistungsfähigkeit abhängig
von:-
Schubsteifigkeit
des ausgehärteten Klebstoffs-
Zwischenschichten
im
Modulaufbau
Umformbarkeit wird
durch
die Schubsteifigkeitdes nicht ausgehärteten Klebstoffs bestimmt
Temporär weiche Ankopplung
Piezo-Modul
Integrationsansätze
Prof. Neugebauer
Arc
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san
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en
24
sMFC-na
∆lMFC
neutral axis (na)
MFC
Kontaktierung
Blech
MFC mit
Gaze
Kabel
Montageband
(Fixierung, Abstand)
Basis-Blech
mit
MFC
Blech
2
Blech
1
Klebstoff
MFCGaze
Prinzip
des “schwimmenden”
Lagers während
der
UmformungSchichtaufbau (undeformiert) Schichtaufbau (umgeformt)
Lösungsansatz temporäre Kopplung
Prof. Neugebauer
Arc
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ieru
ng
san
gab
en
25
Vor der Umformung
5…10 Pa sT = 22 °C
Während derUmformung
200…500 Pa sT = 22 °C
Nach der Umformung
Voll
ausgehärteter
KlebstoffE-Modul
= 3770 N/mm²
Gelierzeit
time 90…120 min (22 °C)Gelierzeit
30…35 min (45 °C)Aushärtezeit
8 h (22 °C)
Stre
ss [N
/mm
²]
Strain [N/mm²]
Tensile Test of Sika Icosit KC220/15
Niedrige Viskosität –„schwimmendes Lager“
Hohe Viskosität – steife Ankopplung (Sensor und Aktor Performance)
Lösungsansatz temporäre Kopplung
Prof. Neugebauer
Arc
hiv
ieru
ng
san
gab
en
26
Abmessungen
im
Piezo-Modul
Ziehring
NiederhalterAbstandshalter
in-aktiver
MFC-Teil
Aktiver
MFC-Teil
Blech
Diskretisierung
des Umformmodells
in der
Größenordnung
der
Piezofaser
ist
nicht
möglich
250 μmQuerschnitteiner Piezofaser
Kupfer-Elektroden(17,5 μm)
Epoxy-Matrix
Polyimide Film (10 μm)
Quelle: Smart Material GmbH
Standard Modul
Homogenisierung
notwendig
FE-Modellzur Umformsimulation
Modellierung
Prof. Neugebauer
Arc
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gab
en
27
Umformung
von Piezo-Metall-Kompositen3-Punkt-Biegen
Probe
Schliffbild
Streckziehen
/ Tiefziehen
Ziehtiefe: 30 mmBlechdicken: 1.0 / 0.8 mm
Variation der
Biegeradien: 75 / 40 / 10 mm
Unterschiedliche
Blechdicken
Erichsen
Test
Testwerkstück
Variation der
Niederhalterkraft
Unterschiedliche
Werkzeuggeometrie
Unterschiedliche
Blechdicken
Biegeradius: 10 mmBlechdicken: 1.0 / 1.5 mm
Prof. Neugebauer
Arc
hiv
ieru
ng
san
gab
en
28
Umformung
von Piezo-Metall-Kompositen
–
Inline -
Test
Direkte
Kapazitätsmessung
im
Umformwerkzeug
3-Punkt-Biegetest
Kein
Kapazitätsabfall
bis
zu
Radien
R=10
3D-Umformung (Tiefziehen)
Abfall
der
Kapazität
um bis
zu
22%
Fehlerindikation
Radius Kap. vor
Umformung
[nF]
Kap. nach
Umformung
[nF]
R50* 3.281 3.277
R40* 3.561 3.535
R10* 3.685 3.653
*Al6016; 0.8/1.0 mm; M8528P1
Ziehtiefe
[mm]
Kap. vor
Umformung
[pF]
Kap. nach
Umformung
[pF]
25* 920 720
*Al5182; 0.8/1.0 mm; M2814P1
Prof. Neugebauer
Arc
hiv
ieru
ng
san
gab
en
29
Keine
Schädigung
bis
zu
Biegeradien
R=10
Ergebnis
für das 3-Punkt-Biegen
Umformung
von Piezo-Metall-Kompositen
–
CT-Tests
Prof. Neugebauer
Arc
hiv
ieru
ng
san
gab
en
30
stretch-forming -- radius 50 mm
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
0 5 10 15 20 25 30 35
punch displacement [mm]pu
nch
forc
e [k
N]
Test DataSimulation
deep-drawing -- radius 25 mm
0
5
10
15
20
25
30
35
40
0 5 10 15 20 25 30punch displacement [mm]
punc
h fo
rce
[kN
]
Test DataSimulation
Validierung
der
Simulations-Modelle
Sehr
gute
Übereinstimmung
mit
den
experimentell
ermittelten
Stempelkräften
Modelle
geeignet
für die Prozessoptmierung
uniform bending -- radius 50 mm
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
0 10 20 30 40 50 60 70 80punch displacement [mm]
punc
h fo
rce
[N]
Test DataSimulation
Prof. Neugebauer
Arc
hiv
ieru
ng
san
gab
en
31
fibreelastW ,
N*mm
fibreelastW ,
N*mm
Tiefziehen R25Streckziehen R50
Vorhersage
von Prozessgrenzen
Prof. Neugebauer
Arc
hiv
ieru
ng
san
gab
en
32
1.
Einführung
2.
Erschließung von Werkstoffpotenzialen durch
Technologieentwicklung
3.
Umformtechnologien für aktive Strukturbauteile
4.
Zusammenfassung
Prof. Neugebauer
Arc
hiv
ieru
ng
san
gab
en
33
Zusammenfassung
Ressourceneffizienz heißt immer auch Leichtbau
Leichtbau
= Bauteildesign + Werkstoff + Technologie
Extremleichtbau durch Adaptronik
erfordert
serientaugliche
Technologien -
Umformen
von Piezo-
Metall-Verbunden
ist möglich
Prof. Neugebauer
Arc
hiv
ieru
ng
san
gab
en
34
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