HS Heilbronn Leichtere Außenhautteile durch neuartigen Ansatz der Beulsteifigkeit

Autor / Redakteur: Birgit Awiszus, Arndt Birkert, Martin Heckmann, Markus Scholle, Marvin Sobhani und Harald Weiland / M.A. Frauke Finus

Leichtbau in der Fahrzeugkarosserie durch Blechdickenreduzierung macht auch vor der Außenhaut nicht halt. In einem Forschungsprojekt wird darum ein innovativer Ansatz entwickelt, die Blechdicke verringern zu können, ohne dabei an Beulsteifigkeit einzubüßen. Der Schlüssel dazu liegt im genauen Gegenteil dessen, was das Bauchgefühl suggerieren würde.

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Vorrichtung zur Vorspannung einachsig gekrümmter paraboloider Versuchsteile auf Sollform mit konstantem Krümmungsradius von 860 mm, aufgebaut auf dem Beulprüfstand am ZUK.
Vorrichtung zur Vorspannung einachsig gekrümmter paraboloider Versuchsteile auf Sollform mit konstantem Krümmungsradius von 860 mm, aufgebaut auf dem Beulprüfstand am ZUK.
(Bild: HS Heilbronn)

Unter dem Beulwiderstand von Blechteilen wird deren Widerstandsfähigkeit gegen lokale, überwiegend senkrecht zur Oberfläche wirkende Beanspruchung verstanden. Der Beulwiderstand setzt sich aus der Beulfestigkeit und der Beulsteifigkeit zusammen. Dabei beschreibt die Beulfestigkeit die Widerstandsfähigkeit gegen plastische, das heißt bleibende Deformationen, die zum Beispiel durch Hagelschlag oder beim typischen Parkplatz-Rempler verursacht werden.

Die Beulsteifigkeit ist dagegen als Widerstandsfähigkeit gegen elastische und somit vollständig reversible Beulbelastung definiert, ähnlich der Steifigkeit einer Feder. Sie begegnet dem Fahrzeugbesitzer vor allem an flächigen, schwach gekrümmten Bauteilen, beispielsweise beim Handballendruck gegen die Frontklappe, beim Zuschlagen des Kofferraumdeckels oder beim Polieren des Dachs. Fällt die Reaktionskraft des Blechs zu gering aus, entsteht der Eindruck minderwertiger Qualität. Bei der Beulsteifigkeit handelt es sich folglich um ein vorwiegend haptisch wahrgenommenes Qualitätskriterium der Außenhaut. Darüber hinaus bestehen aber auch Korrelationen zum Noise-Vibration-Harshness-Verhalten, insbesondere zum Flattern bei hohen Fahrtgeschwindigkeiten oder Dröhnen bei kritischer dynamischer Anregung. Im Vergleich zur Beulfestigkeit ist die Beulsteifigkeit von Karosserie-Außenhautteilen bislang Gegenstand nur weniger Forschungsarbeiten.

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Bauteile werden in Lastrichtung vorgespannt

Während die Beulfestigkeit mit konventionellen Maßnahmen wie dem Einsatz höherfester Werkstoffgüten verbessert werden kann, ist die Beulsteifigkeit unabhängig von den Festigkeitseigenschaften des Blechs. Sie wird im Wesentlichen bestimmt durch den E-Modul des Werkstoffs, die Krümmung des Bauteils und vor allem durch die Blechdicke. Der Zusammenhang zwischen Blechdicke und Beulsteifigkeit ist annähernd quadratisch. Wird die Blechdicke um 10 % reduziert, nimmt die Beulsteifigkeit um nahezu 20 % ab. Gängige Gegenmaßnahmen sind zum Beispiel die Abstützung der Außenhaut durch Verstärkungsteile, das Einkleben von Versteifungsstrukturen oder Epoxid-Matten sowie das Aufsprühen von Polyurethan-Schichten. Dadurch entstehen jedoch zusätzliche Kosten und der angestrebte Gewichtsvorteil wird geschmälert.

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Um Leichtbau durch Blechdickenreduzierung zu ermöglichen und dabei die Beulsteifigkeit ohne Zusatzgewicht aufrecht zu erhalten, entwickeln die FMF-WWF Werkzeug- und Prototypenbau GmbH und das Zentrum für Umformtechnik und Karosseriebau (ZUK) der Hochschule Heilbronn eine neuartige Methodik, die auf gezielt eingeleiteten elastischen Spannungszuständen im Bauteil beruht. Der Clou dabei ist der anti-intuitive Ansatz, welcher auf einer Idee von Prof. Arndt Birkert beruht. Die Bauteile werden nämlich nicht entgegen, sondern in Lastrichtung vorgespannt.

Höhere Beulsteifigkeit wird erreicht

Zunächst wurde der einfache Fall einachsig gekrümmter Versuchsgeometrien untersucht. Die Ausgangsgeometrien bilden dabei paraboloid gekrümmte Formen. Diese sind so berechnet, dass sie durch elastisches Aufbiegen die gewünschte Form eines Zylindermantelsegments mit konstantem Krümmungsradius einnehmen. Durch die Aufbiegung werden Druckspannungen in der Außen- und Zugspannungen in der Innenfaser des Blechs hervorgerufen. Wirkt ein Prüfkörper gegen die Oberfläche des spannungsbehafteten Blechteils, muss dieser - stark vereinfacht ausgedrückt - zunächst die induzierten Spannungen überwinden, bevor sich eine Beule einstellen kann, analog zu einer vorgespannten Feder.

Tatsächlich wird der Effekt jedoch durch eine geometrische Nicht-Linearität bewirkt. Das heißt, bei der anschließenden lokalen Beulung der so vorgespannten Bauteile wird ein größerer Bauteilbereich in die Verformung einbezogen, wodurch die aufzubringende Federarbeit bei gleicher Beultiefe größer wird. Dies hat zur Folge, dass sich eine höhere Reaktionskraft des Blechs und damit eine höhere Beulsteifigkeit einstellen.

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Je stärker die Krümmung der Ausgangsgeometrie, desto stärker ist die Aufbiegung des Bauteils in seine Sollform und umso ausgeprägter sind die Spannungszustände, die bei der Beulbeanspruchung im Blech herrschen. Ausgehend von unterschiedlich gekrümmten Ausgangsgeometrien zeigten analytische Berechnung und numerische Simulation bereits vielversprechende Ergebnisse und eine gute Übereinstimmung hinsichtlich der erzielbaren Steigerung der Beulsteifigkeit durch die elastische Vorspannung der Teile.

Übertragung auf reale Karosserie-Außenhautteile

Für die experimentelle Validierung mit einer typischen Aluminium-Außenhautgüte wurden verschieden gekrümmte Ausgangsgeometrien hergestellt. Der Einsatz eines eigens entwickelten thermisch unterstützen Umformverfahrens ermöglichte dabei die Beibehaltung der Ausgangsblechdicke in den Bauteilen. Die Beulprüfung erfolgte auf dem Prüfstand des ZUK, wobei die Bauteile in einer robusten Vorrichtung in ihre Sollform gezwungen wurden. Dabei konnte eine Zunahme der initialen Beulsteifigkeit durch die elastische Vorspannung von Ausgangs- auf Sollgeometrie um bis zu 14 % nachgewiesen werden.

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Die maßgebliche Herausforderung besteht nun in der Übertragung der Erkenntnisse auf reale Karosserie-Außenhautteile. Als Demonstrator-Baugruppe wurde zunächst ein Schiebedachsegment mit einer zweifach gekrümmten Außenhaut aus Aluminium in der Nennblechdicke 1,0 mm und einem steifen Strukturteil aus Stahlblech gewählt. Die daran durchgeführten Untersuchungen demonstrieren, wie durch den Einsatz der neuen Methodik die Beulsteifigkeit erhöht und infolgedessen die Blechdicke und das Bauteilgewicht reduziert werden können.

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Die umformtechnische Herstellung des Außenteils erfolgt in einem Versuchswerkzeug in einer numerisch berechneten, definiert überwölbten Ausgangsgeometrie. Anschließend finden ein umlaufender Beschnitt und das Abkanten des Fügeflanschs statt. In der Fügevorrichtung wird das Einzelteil aus seiner Ausgangs- in seine Sollgeometrie gezwungen. Die dabei hervorgerufenen elastischen Spannungen über dem Blechquerschnitt lassen eine Zunahme der Beulsteifigkeit um bis zu 13 % im Vergleich zum spannungsfreien Bauteil erwarten. Unter Aufrechterhaltung der so induzierten Spannungen wird das Außenteil mit dem versteifenden Innenteil verklebt. Als Referenz dient das in seiner Sollform gefertigte Außenteil, das ideal spannungsfrei mit dem Innenteil gefügt wird.

Hinreichend identische Blechdickenverteilung

Bei der simulationsgestützten Auslegung des Ziehprozesses und der Werkzeugeinarbeitung wurde große Sorgfalt auf eine gute Übereinstimmung der Ausreckung beider Außenhaut-Varianten gelegt, sodass eine hinreichend identische Blechdickenverteilung vorliegt. Durch Optimierungen am Abkant- und am Fügeprozess sowie optische Vermessung der gefügten Baugruppen wird die Einhaltung des Prinzips der Geometriegleichheit sichergestellt. Mit gleichem Elastizitätsmodul, gleicher Blechdicke und gleicher Bauteilkrümmung bei gleicher Randeinspannung sind die Voraussetzungen für die vergleichende Beulprüfung der Bauteile im spannungsfreien als auch im spannungsbehafteten Zustand gegeben.

Der gegenwärtige Stand der Erkenntnisse lässt bereits eine mögliche Blechdickenreduzierung und damit Gewichtseinsparung bei der untersuchten Schiebedachbeplankung um bis zu 6 % bei gleicher Beulsteifigkeit erwarten. Weiterführende Untersuchungen beziehen sich auf geometrisch anspruchsvolle Bauteile wie zum Beispiel Tür- oder Frontklappenaußenbleche mit Designelementen wie Stylingkanten sowie komplexer Konturgestaltung. Ergänzend werden die Einflüsse der Spannungszustände auf die Beulfestigkeit und das Noise-Vibration-Harshness-Verhalten der Bauteile mit numerischen und experimentellen Methoden analysiert.

Das Vorhaben „Fertigungstechnologie für auf Beulsteifigkeit optimierte Karosserie-Außenhautteile“ (FerTeBeSt) wird gefördert mit Mitteln des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) in der Fördermaßnahme „KMU-innovativ: Produktionsforschung“ und vom Projektträger Karlsruhe (PTKA) betreut. Es zeigt erneut, wie aus der interdisziplinären Zusammenarbeit von Wissenschaftlern an der Hochschule Heilbronn und der engen Kooperation mit regionalen KMUs technologisch neuartige und gleichermaßen pragmatische Lösungsansätze entstehen. Die Verantwortung für den Inhalt dieser Veröffentlichung liegt bei den Autoren.

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