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Presshärten

Smarte Modellprozesskette startet Forschungsbetrieb

| Autor / Redakteur: Dirk Landgrebe, Frank Schieck und Norbert Pierschel / Stéphane Itasse

(Bild: Fraunhofer-IWU)

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Das Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU hat eine selbst entwickelte, intelligente Modellprozesskette in Betrieb genommen. Damit soll das geregelte Presshärten im Sinne von Industrie 4.0 anhand seriennaher Bauteile erstmals Realität werden.

Das Herzstück ist eine vernetzte Prozessführung über die gesamte Prozesskette. Damit lassen sich nicht nur die Taktzeiten verkürzen. Die Anlagensensorik wurde mit einer neuen Software verknüpft, die Prozessparameter mit vorher definierten Vorgaben abgleicht und Fehler umgehend rückmeldet. So kann auf Schwankungen innerhalb kurzer Zeit reagiert und Ausschuss vermieden werden. Mit einer eigens am Institut entwickelten Kontakterwärmungsanlage wird außerdem ein neuartiges Erwärmungsprinzip getestet und optimiert. Auch für den Beschnitt setzen die Fraunhofer-Wissenschaftler auf alternative Verfahren zum energieintensiven Laserstrahlschneiden.

Vom virtuellen Modell zur realen Prozesskette

Das Presshärten findet in den letzten Jahren verstärkt Anwendung in der Automobilindustrie. Ein Blechhalbzeug wird in einem Ofen auf eine Temperatur von circa 950 °C erwärmt und während der Formgebung in der Umformpresse abgekühlt. Im Vergleich zu konventionellen Verfahren kann so mit einem reduzierten Materialeinsatz die gleiche beziehungsweise sogar eine höhere Festigkeit von Strukturbauteilen erreicht werden. Die sich daraus ergebenden Leichtbaupotenziale sind nicht nur für die Automobilindustrie, sondern auch für den Landmaschinen-, Sonderfahrzeug-, Schienen-, Schiff- und Luftfahrzeugbau interessant. Die Prozessregelung ist allerdings aufgrund der Komplexität des Verfahrens, der Vielzahl an Einflussgrößen sowie des aktuell unzureichenden Prozesswissens über die Wirkzusammenhänge noch immer eine große Herausforderung in der seriennahen Anwendung.

Der Aufbau der am Fraunhofer-IWU entwickelten Modellprozesskette folgt dem Forschungsansatz des Instituts, Prozessoptimierungen nicht ausschließlich auf einzelne Prozessschritte zu beschränken, sondern in ihrer Wechselwirkung über die gesamte Prozesskette zu untersuchen. Wichtige wissenschaftliche Grundlagen zur Werkzeugkühlung, zu alternativen Erwärmungsprinzipien sowie zur Prozessauslegung wurden im Rahmen des Sächsischen Spitzentechnologieclusters Eniprod gemeinsam mit der Technischen Universität Chemnitz gelegt. Bei der Ergebnispräsentation des Clusters im Jahr 2014 wurde zudem ein virtuelles Modell der Presshärtelinie vorgestellt, das bereits Prozessdaten abbilden konnte und Voruntersuchungen zum geplanten Aufbau der Anlage am Fraunhofer-IWU ermöglichte.

Alternative Erwärmung nach dem Bügeleisenprinzip

Als Demonstratorbauteil wurde der untere Teil einer B-Säule, der so genannte B-Säulenfuß, ausgewählt. Dieses sicherheitsrelevante Bauteil bietet mit seiner komplexen Geometrie beziehungsweise seiner hohen Ziehtiefe die Möglichkeit, über die Grenzen konventioneller Presshärteverfahren hinauszugehen.

Die am Fraunhofer-IWU aufgebaute Modellprozesskette setzt sich aus vier Einzelprozessen zusammen. Die beschnittenen Einzelplatinen werden über ein am Institut entwickeltes vollautomatisches Handlingsystem transportiert, das minimale Wärmeverluste ermöglicht und den Werkstoff zunächst der Erwärmungsanlage und anschließend der Presse zuführt. Bereits hier setzen die Forscher auf ein alternatives Konzept. Konventionell kommen Rollenöfen zum Einsatz, die den Werkstoff vergleichsweise langsam erwärmen.

Um eine möglichst hohe und zudem lokal variable Aufheizrate zu erzeugen, wurde gemeinsam mit der Firma Schwartz GmbH eine neuartige Kontakterwärmungsanlage entwickelt. Ähnlich dem Bügeleisenprinzip übertragen gegenüberliegende Bügel- beziehungsweise Formplatten die thermische Energie gezielt und konturnah in bestimmte Bereiche des Werkstücks. Die Erwärmungsanlage ist zweistufig ausgelegt, sodass das Blech entweder in mehreren Schritten gleichmäßig oder zonenweise unterschiedlich erwärmt werden kann. Innerhalb der Stufen ist die Temperierung des Werkstücks in je sechs Bereichen möglich, sodass eine Art thermisches Schachbrett realisierbar ist. Damit können die Forscher im Aufheizprozess der Platine die Festigkeitsverläufe in bestimmten Bereichen der Bauteile beeinflussen, was für nachfolgende Beschnittverfahren und das Crashverhalten von Vorteil ist. Die Erwärmung wird durch besonders energieeffiziente Rekuperatorbrenner realisiert, die das Stahlblech in einer Taktzeit von minimal 15 s auf die Zieltemperatur von 950 °C bringen.

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