Institut für Eisenhüttenkunde der RWTH Aachen

ERICHSEN LASER BULGE ANALYSER: Best Practice zwischen Forschung und Industrie

Dr. F. Szepan, Erichsen HemerDipl.-Ing. T. Labudde, IEHK Aachen

Prof. W. Bleck, IEHK Aachen

Erichsen Universalblechprüfmaschinen im Blechprüfzentrum des IEHK

Gliederung

• Hintergrund der Zusammenarbeit

• Ziel der Zusammenarbeit

• Vorgehensweise

• Ergebnisse

Hintergrund der Zusammenarbeit

• Institut für Eisenhüttenkunde, RWTH Aachen: – Werkstoffentwicklung für kaltumformbare Stähle– Untersuchung des Verfestigungsverhaltens während der

Blechumformung– Vorhersage des Fließverhaltens durch Modelle zur

Fließkurvenextrapolation– Quantifizierbare Messung von Fließkurven– Entwicklung einer Prüfmethodik zur Validierung modellierter

Fließkurven

• Erichsen GmbH & Co. KG, Hemer:– Erfahrung im Bereich der Blechprüfung seit 1910 (3. Generation)– Entwicklung, Konstruktion, Bau und Vertrieb von

Blechprüfmaschinen– Lieferant von Messgeräten und Prüfmaschinen in den Bereichen

Blechprüfung, Oberflächenprüfung, Korrosionsprüfung und Materialprüfung

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.00

100

200

300

400

500

600Hollomon

Voce Hocket-Sherby

GhoshLudwik

Span

nung

σ, w

ahre

Spa

nnun

g σ w

, M

Pa

Dehnung ε, wahre Dehnung εw

technische Spannung/Dehnung-Kurve

Fließkurve

Ag

Vergleich der Modelle zur Fließkurvenextrapolation

Ziele der Zusammenarbeit

• Entwicklung eines Verfahrens zur Fließkurvenaufnahme

• Nutzung/Einbindung handelsüblicher Erichsen-Blechprüfmaschinen

• Effizientes, anwenderfreundliches Blechprüfverfahren

• Online-Erfassung der Verformung und Online-Berechnung von Zielgrößen

• Reproduzierbare Ergebnisse

• Geringer Zeit- und Kostenaufwand für die Probenvorbereitung

• Ermittlung von Fließkurven und weiteren Werkstoffkennwerten aus den gemessenen Daten zur Qualitätssicherung und für die FEM-Simulation

Vorgehensweise

• Entwicklung und Inbetriebnahme der Anlage im Rahmen eines BMBF-Projektes durch die enge Zusammenarbeit von Projektpartnern aus den Bereichen Industrie (mittelständische Unternehmen) und Forschung:- NoKra Optische Prüftechnik und Automation GmbH, Baesweiler:

Lasersensorik und Kalibrierung- Erichsen GmbH Co. KG, Hemer

Steuerung der Blechprüfmaschine- Fraunhofer-Institut für Lasertechnik, Aachen

3D-Geometriemessung und Aufbau des Demonstrators- Institut für Eisenhüttenkunde, RWTH Aachen

Versuchsdurchführung und Auswertung

• Entwicklung eines Prototypen

• Durchführung von Experimenten zur Validierung

Vorgehensweise

• Auswahl des hydraulischen Tiefungsversuchs (Bulgetest) als geeignetes BlechprüfverfahrenGründe:– höhere Bruchumformgrade als im einachsigen Zugversuch durch

den vorherrschenden zweiachsigen Spannungszustand – reibungsloses Blechumformverfahren durch Verwendung des

Wirkmediums Öl• Einbindung einer laseroptischen Messeinheit zur berührungslosen

Entfernungs- und Geometriemessung (Lasertriangulationsverfahren)• Zwei linienförmige, sich in der Probenmitte unter 90° schneidene Laser

erfassen die Kontur der Probe• Berechnung von Vergleichsumformgraden und Vergleichsspannungen

durch Auswertealgorithmen• Entwicklung von Software zur Maschinensteuerung,

Geometrieerfassung und Fließkurvenberechnung mit entsprechenden Schnittstellen

Prinzip des hydraulischen Tiefungsversuchs (Bulgetest)

Blechzuschnitt (2) wird an seinem Umfang allseitig zwischen Ziehring (1) und Niederhalter (3) gespannt und einseitig in die Matrize (1) durch einen hydraulischen Druck (4+5) beaufschlagt.

1 - Ziehring

2 - Blechronde

3 - Niederhalter

4 - Wirkmedium (Öl)

5 - Kolben

2

3

44

55

1

Gesamtaufbau der laseroptischen Messeinrichtung

2b

1a32b 1a

2a

1b

4

1a: Laserdiode 11b: Detektor 12a: Laserdiode 22b: Detektor 23: Kameramodul

4: dichroitischer Spiegel5: polarisierender Strahlteiler6: LED-Ringlicht7: Schutzglas8: Blechprobe

5

6 7

8

4

5

3

Seitenansicht Draufsicht

Ablauf der einzelnen Messschritte

Kamerabild

Lasermesseinrichtung Prüfmaschine

3D-Geometrie3D-Punkt-

koordinaten

x

x

x xxx

xx

Bestimmung der Kuppenradien

Laser 1 (x) Laser 2 (y)x-Koordinate

Höh

e

y-Koordinate

Höh

e

Zeit

Kraf

t

Ziehkraft

Umformgrad

Span

nung

Fließkurve

SoftwareScreenshot der Laseroptik-Software

SoftwareScreenshot der Prüfmaschinen-Software

Ergebnisse

• Entwicklung und Inbetriebnahme der Prototyp-Anlage im Rahmen eines BMBF-Projektes durch Zusammenarbeit der Projektpartner

• Versuchsreihen zur Validierung am IEHK

• Beitrag zur Fosta-Kennwertermittlung (Forschungsvereinigung Stahlanwendung, Ermittlung von Materialparametern)

• Neues leistungsfähiges Produkt, kompaktes System zur Online-Fließkurvenmessung im Bulgetest, welches mittlerweile über die Erichsen GmbH & Co. KG vermarktet wird

• Durch den Einsatz von Erichsen Universal-Blechprüfmaschinen hält das IEHK neben der entwickelten Online-Fließkurvenmessung im Bulgetestein reichhaltiges Repertoire an Prüfverfahren aus dem Erichsensortiment, sowohl für Forschungsprojekte als auch für Industrieprojekte bereit

Validierung der Ergebnisse durch experimentelle Versuchsreihen

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.20

100

200

300

400

500

600

Modell r2

Hollomon 0.97345Ludwik 0.86948Voce 0.88260Hockett-Sherby 0.97044Ghosh 0.93114

VocHoc

GhoLud

Ver

glei

chss

pann

ung

σ V, M

Pa

Vergleichsumformgrad ϕV

HolHillHillDX54

Messwerte hydr. Tiefungsversuch Messwerte Zugversuch Extrapolationsmodelle

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.60

200

400

600

800

1000

1200

VocHocGhoLud

Ver

glei

chss

pann

ung

σ V, M

Pa

Vergleichsumformgrad ϕV

Hol

Modell r2

Hollomon 0.96096Ludwik 0.97075Voce 0.89416Hockett-Sherby 0.99344Ghosh 0.98061

HillHillH340X

Messwerte hydr. Tiefungsversuch Messwerte Zugversuch Extrapolationsmodelle

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.70

200

400

600

800

1000

1200

1400

VocHoc

GhoLud

Ver

glei

chss

pann

ung

σ V, M

Pa

Vergleichsumformgrad ϕV

Hol

Modell r2

Hollomon 0.98949Ludwik 0.91550Voce 0.98265Hockett-Sherby 0.98938Ghosh 0.93786

HillHillTRIP700

Messwerte hydr. Tiefungsversuch Messwerte Zugversuch Extrapolationsmodelle

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.80

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800Gho

VocHocLud

Ver

glei

chss

pann

ung

σ V, M

Pa

Vergleichsumformgrad ϕV

Hol

Modell r2

Hollomon 0.98074Ludwik 0.92978Voce 0.94297Hockett-Sherby 0.93789Ghosh 0.90659

HillHillH400

Messwerte hydr. Tiefungsversuch Messwerte Zugversuch Extrapolationsmodelle

Impressionen aus dem Blechprüfzentrum des IEHK

Vielen Dank für Ihre

Aufmerksamkeit!