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

san

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

hiv

ieru

ng

san

gab

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

hiv

ieru

ng

san

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

hiv

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

hiv

ieru

ng

san

gab

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

Arc

hiv

ieru

ng

san

gab

en

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

hiv

ieru

ng

san

gab

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

hiv

ieru

ng

san

gab

en

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

hiv

ieru

ng

san

gab

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

hiv

ieru

ng

san

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

ieru

ng

san

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

hiv

ieru

ng

san

gab

en

16

1.

Einführung

2.

Erschließung von Werkstoffpotenzialen durch

Technologieentwicklung

3.

Umformtechnologien für aktive Strukturbauteile

4.

Zusammenfassung

Prof. Neugebauer

Arc

hiv

ieru

ng

san

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

hiv

ieru

ng

san

gab

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

hiv

ieru

ng

san

gab

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

hiv

ieru

ng

san

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

hiv

ieru

ng

san

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

hiv

ieru

ng

san

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

hiv

ieru

ng

san

gab

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

hiv

ieru

ng

san

gab

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

hiv

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

hiv

ieru

ng

san

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

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit !

Kontakt: drossel@iwu.fraunhofer.de