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Adiabatische Erwärmung von Stahlblechwerkstoffen unter komplexen crashartigen Belastungen
(Stuttgart : Institut für Umformtechnik, 2022) Klitschke, Silke; Liewald, Mathias (Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. MBA)
Um die stetig steigenden gesetzlichen Anforderungen an die Schadstoffemmission von Kraftfahrzeugen einhalten zu können, stellt die Verbesserung der Crashberechnungen ein stetiges Forschungsgebiet dar. Da in der Crashsimulation häufig dehnungsbasierte Versagensmodelle zum Einsatz kommen, werden Verfestigungsmodelle erforderlich, die auch lokale Dehnungen vor Bruch in einem weiten Dehnratenbereich unter komplexen Belastungszuständen realistisch wiedergeben können. Dehnratenbedingte Verfestigungseffekte sind bereits hinreichend untersucht, das Verfestigungsverhalten hochfester Stahlblechwerkstoffe zeigt jedoch bei mittleren bis hohen Dehnraten in den hochverformten Zonen auch eine thermische Entfestigung. Ursache dafür ist adiabatische Erwärmung, da die in Wärme umgesetzte Verformungsenergie in den kurzen Belastungszeiten nicht vollständig abgeführt werden kann. Da in der Crashsimulation üblicherweise auf kostenintensive thermomechanisch gekoppelte Rechnungen verzichtet wird, müssen neben der Entstehung der Wärmemenge auch die Wärmeleitungsmechanismen und die vorherrschenden Temperaturen in den stark verformten Zonen aus mechanischen Größen abgeschätzt werden. Im Rahmen dieser Arbeit sollte aufgezeigt werden, dass für im Karosseriebau häufig eingesetzte hochfeste Stahlblechwerkstoffe neben der Dehnrate insbesondere der Belastungszustand einen deutlichen Einfluss auf die adiabatische Erwärmung und den Wärmetransport crashbelasteter Komponenten ausübt. Anhand von experimentellen und numerischen Untersuchungen mit einbis mehrachsigen Zug- und Scherversuchen für Dehnraten von 0,001 s-1 bis 100 s-1 erfolgten detaillierte Betrachtungen der entstehenden Wärmemenge und der Wärmetransportmechanismen in den hochverformten Zonen. Als wesentliches Ergebnis zeigte sich, dass der Übergangsbereich zwischen isothermem und adiabatischem Verhalten mit zunehmendem Verfestigungsvermögen des Werkstoffs zu höheren Dehnraten verschoben ist und insbesondere für Scherbelastung bei höheren Dehnraten liegt, verglichen mit Zugbelastung. Auf Basis dieser grundlegenden Erkenntnisse erfolgte eine Erweiterung eines Materialmodells mit einer dehnratenabhängigen isotherm-adiabatischen Übergangsfunktion für die Berücksichtigung des Wärmetransports um die zusätzliche Abhängigkeit vom Spannungszustand als Adiabatic-Tension-Shear-Modell (ATSModell). Mit diesem Modell kann die lokale Temperatur aus der in Wärme umgesetzten Verformungsarbeit und einer den Wärmetransport berücksichtigenden Skalierung des Taylor-QuinneyKoeffizienten in Abhängigkeit von der Dehnrate und dem Spannungszustand berechnet werden. Für einen Dualphasenstahl DP1000 und einen mikrolegierten Stahl HX340LAD wurde das ATSModell zusammen mit einem gängigen thermo-viskoplastischen Verfestigungsmodell kalibriert und für Crashversuche an gestauchten Hohlprofilen und Versuche an Blechproben mit gemischter Zug-Scherbelastung angewendet. Das Verfestigungsverhalten dieser Blechwerkstoffe konnte durch isotherme Rechnungen für Dehnraten bis ca. 0,01 s-1 und durch vollständig adiabatische Rechnungen für Dehnraten von etwa 50 s-1 und darüber unabhängig vom Spannungszustand ausreichend gut wiedergegeben werden. Im Übergangsdehnratenbereich zwischen ca. 0,01 s-1 und 50 s-1 ist die adiabatische Erwärmung aufgrund des auftretenden Wärmetransportes in Abhängigkeit von den Werkstoffeigenschaften und des Spannungszustandes (Zugbelastung oder Scherbelastung) zu berücksichtigen. Bei signifikanten Scheranteilen verbessert in diesem Dehnratenbereich die Verwendung des ATS Modells die Prognose des Verformungsverhaltens insbesondere für den mikrolegierten Stahl. Für den Dualphasenstahl kann die isotherme Rechnung das mechanische Werkstoffverhalten jedoch noch ausreichend gut wiedergeben. Für den mikrolegierten Stahl führt eine geringere Festigkeit im Vergleich zu dem hochfesten Dualphasenstahl zu einer prozentual höheren thermischen Entfestigung. Zusätzlich führt das größere Verfestigungsvermögen dieser Werkstoffklasse dazu, dass die Lokalisierungen von Dehnungen und Temperaturen mit geringeren Dehnraten und damit mit erhöhtem Wärmetransport erfolgen. Diese gekoppelten Einflüsse auf das Verfestigungsverhalten unter komplexen Crashbelastungen führen zu einer erhöhten Sensitivität des mikrolegierten Stahls bezüglich adiabatischer Erwärmung, die in der Modellierung des Verfestigungsverhaltens speziell bei dieser Werkstoffklasse eine präzise Abbildung verlangt. Mithilfe der in dieser Arbeit durchgeführten Arbeiten wurde ein wissenschaftlicher Beitrag zur Modellierung des Verfestigungsverhaltens hochfester Stahlblechwerkstoffe in einem weiten Dehnratenbereich unter komplexen Spannungszuständen geleistet. Das erweiterte Modell steht zukünftig für die Crashsimulation zur Verfügung und bietet das Potenzial, für eine durchgehende Modellierung der Prozesskette Umformen-Crash auch in der Umformsimulation verwendet zu werden.
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Beitrag zum Umformfügeprozess einer Welle-Nabe-Verbindung durch Quer-Fließpressen
(Stuttgart : Institut für Umformtechnik, 2016) Dörr, Florian; Liewald, Mathias (Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. MBA)
Laut VDA-Jahresbericht 2014 wird im Bereich des Automobilbaus etwa 75 % der Wertschöpfung des Endproduktes in vor- und zwischengeschalteten Produktionsschritten bei Zulieferern erbracht [VDA14]. Zur Effizienzsteigerung der Wertschöpfungskette wird hierbei die Bündelung von Fertigungsschritten bzw. die Synchronisation mehrerer Produktionsschritte in der Zulieferkette bei einem TIER-1 Lieferant als Systemlieferant angestrebt. Die Kombination der beiden Grundverfahren Umformen und Fügen bietet beispielsweise eine Möglichkeit zur Erhöhung des Anteils an der Wertschöpfungskette bei einem solchen TIER-1 Lieferanten, wenn dieser zusätzlich zum Fügeprozess auch für die umformtechnische Herstellung der Einzelteile verantwortlich ist. Dies erfordert zum einen die interdisziplinäre Zusammenarbeit der Fachgebiete Füge- und Umformtechnik und zum anderen die weitere wissenschaftliche Erforschung grundlegender Wirkzusammenhänge auf diesem Gebiet. Zur Steigerung der Attraktivität konventioneller Umformverfahren im Allgemeinen und dem Quer-Fließpressen im Speziellen untersucht diese Arbeit eine Verfahrenskombination aus Quer-Fließpressen einer Welle und dem gleichzeitigen Fügen dieser mit einer Nabe. Aufgrund der Verfahrensspezifika des umformtechnischen Fügens handelt es sich bei der hergestellten Welle-Nabe-Verbindung um einen sowohl kraft- bzw. reibschlüssigen als auch formschlüssigen nicht lösbaren Verbindungstyp. Der elastisch-plastische Umformprozess der Welle führt zu bleibenden elastischen Verformungen beider Fügepartner, wobei sich in der Kontaktfläche ein Gleichgewichtszustand aus Innendruck auf die Nabe und Außendruck auf die Welle einstellt. Insbesondere dünnwandige und gehärtete Naben sind aufgrund der ebenfalls vorhandenen tangentialen Zugspannungen und der Spannungsinhomogenität, verursacht durch das Nabeninnenprofil, anfällig hinsichtlich eines Sprödbruchs während des Umformfügens. Zur Vermeidung eines derartigen Versagensfalls während des Umformfügeprozesses kann prinzipiell zum einen werkzeugseitig eine radiale Nabenvorspannung realisiert werden. Zum anderen kann bauteilseitig eine Anpassung des Nabeninnenprofils zur Reduzierung der Kerbwirkung erforderlich werden. Eine weitere Herausforderung auf dem Gebiet des Umformfügens mittels Fließpressverfahren ist die Einstellung optimaler tribologischer Bedingungen. Im Gegensatz zum umformtechnischen Fügen im Bereich der Blechumformung treten beim Fließpressen signifikante Oberflächenvergrößerung der umgeformten Fügepartner auf. Dies wird beim Verfahren des gemeinsamen Fließpressens [Lang93] ausgenutzt, um annähernd stoffschlüssige Verbindungen in Form einer Kaltpressschweißverbindung zu erzeugen. Für den in dieser Arbeit betrachteten Fall des umformtechnischen Fügens sind daher während des Prozesses möglichst geringe Gleitreibungszahlen zum Erreichen hoher Formfüllungsgrade anzustreben. Nach dem Umformprozess sollten dahingegen hohe Haftreibungszahlen in der Kontaktfläche beider Fügepartner erreicht werden. Zur Lösung der oben genannten Herausforderungen und offenen Fragestellungen wird im Rahmen dieser Arbeit zunächst der Stand der Technik für die beiden Themengebiete Fließpressen (Kap. 2.1) und Umformfügen (Kap. 2.2) betrachtet und bereits bekannte Lösungen und Herangehensweisen analysiert. Nach der Ermittlung der relevanten Werkstoffkennwerte (Kap. 5) erfolgt eine numerische Prozessanalyse des Umformfügeprozesses (Kap. 7), die neben der Untersuchung unterschiedlicher Einflussfaktoren und der Festlegung von Versuchsparametern für die experimentelle Untersuchung die Grundlage für die Werkzeuggestaltung und -konstruktion (Kap. 6) bildet. Mit Hilfe eines segmentierten Werkzeuges zur einstellbaren, radialen Vorspannung der Naben während des Umformfügeprozesses werden im weiteren Verlauf der Arbeit drei Versuchsreihen durchgeführt (Kap. 8). Diese drei Versuchsreihen beschäftigen sich mit der Untersuchung des tribologischen Systems zwischen Welle und Nabe während und nach dem Umformfügeprozess, dem Einfluss des Nabeninnenprofils auf Vorgangs- und Kenngrößen der Verbindung und mit dem Einfluss der radialen Nabenvorspannung während des Umformfügeprozesses. In der ersten Versuchsreihe (Kap. 8.3), die die Analyse des tribologischen System umfasst, werden neben unterschiedlichen Oberflächentopografien beider Fügepartner auch verschiedene Schmierstofftypen untersucht sowie Haft- und Gleitreibungszahlen in der Kontaktfläche der Welle-Nabe-Verbindung ermittelt. In der nachfolgenden Versuchsreihe zum Einfluss des Nabeninnenprofils auf Vorgangs- und Verbindungskenngrößen (Kap. 8.4) werden die Hauptmerkmale des Nabeninnenprofils, bestehend aus Profilexzentrizität, Mitnehmeranzahl und Profiltyp variiert. Die letzte Versuchsreihe (Kap. 8.5) dient zur Ermittlung des Einflusses der radialen Nabenvorspannung durch das segmentierte Werkzeug auf Vorgangsgrößen und Bauteileigenschaften, wie beispielsweise die übertragbare Axialkraft, die sich ergebende Rundheitsabweichung oder den sich einstellenden Kontaktfugendruck in der Verbindung. Die Diskussion der numerischen und experimentellen Untersuchungsergebnisse (Kap. 9) führt alle erzielten Ergebnisse zusammen und vergleicht diese. Abschließend werden Empfehlungen zur Prozessführung und Bauteilgestaltung gegeben, welche zur Herstellung einer dünnwandigen Welle-Nabe-Verbindung mit gehärteter Nabe einzuhalten sind und welche Wirkzusammenhänge zwischen den genannten Einflussfaktoren und Prozesskenngrößen und Bauteileigenschaften bestehen. Die im Rahmen dieser Arbeit erzielten Ergebnisse lassen den Schluss zu, dass es möglich ist, Welle-Nabe-Verbindungen mit komplexen Nabeninnenprofilen und guten Bauteileigenschaften mittels Quer-Fließpressen der Welle herzustellen. Hierbei treten Bauteileigenschaften wie die Zunahme der Rundheitsabweichung oder das Vorhandensein von Eigenspannungen in der Nabe auf, die sich aufgrund des Herstellverfahrens lediglich reduzieren, sich jedoch nicht vollständig vermeiden lassen. Die für diesen konkreten Fall gewonnenen Erkenntnisse werden abstrahiert und dienen als Basis für allgemeingültige Prozessanforderungen sowie zu erwartende Komponenteneigenschaften nach dem umformtechnischen Fügen durch Kaltfließpressen (Kap. 9). Während sich diese Arbeit maßgeblich auf den Herstellungsprozess und einige Komponenteneigenschaften wie die erreichbare axiale Haftkraft oder die sich einstellenden Rundheitsabweichungen fokussiert, werden Verbindungseigenschaften, wie die dynamische und statische Torsionsfestigkeit von Hr. Michael Funk (Institut für Konstruktionstechnik und Technisches Design, IKTD, Universität Stuttgart) betrachtet und analysiert. Diese Arbeit entstand in enger Zusammenarbeit mit dem IKTD im Rahmen eines gemeinsamen Forschungsprojektes, das von der Deutschen Forschungsgemeinschaft gefördert wurde (LI 1556/24-1 bzw. BI 746/10-1). Eine kurze Übersicht zu den ermittelten Verbindungseigenschaften ist ebenfalls in Kap. 9 zu finden.
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Einsatz eines neuartigen Verfahrens zum kombinierten Recken und Tiefziehen von Außenhautbeplankungen aus Feinblech
(Stuttgart : Institut für Umformtechnik, 2016) Papaioanu, Apostolos; Liewald, Mathias (Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. MBA)
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit dem Einsatz einer neuartigen Technologie zum kombinierten Recken und Tiefziehen von Feinblechen unter Laborbedingungen. Das übergeordnete Ziel der Untersuchung besteht darin, die von Vlahovic und Liewald [Vla06b] vorgestellte Werkzeugtechnologie weiterzuentwickeln und diese für die Verwendung von Leichtbauwerkstoffen zu ertüchtigen. Die Technologie war bisher auf einfache Geometrien unter Verwendung von Stahlblechwerkstoffen limitiert, sodass im Rahmen dieser Arbeit die Einsatzmöglichkeiten erweitert wurden. Zunächst wurden in Kapitel 2 relevante Grundlagen der Umformtechnik sowie Werkzeugkonzepte und Technologien zum Recken bzw. Steckziehen von Feinblech vorgestellt und beschrieben. Hierbei wurden speziell die prozessbeeinflussenden Werkstoffkennwerte näher beleuchtet und deren Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften streckgezogener Bauteile erläutert. Im Rahmen anschließender Voruntersuchungen wurde in Kapitel 3 die neuartige Werkzeugtechnologie zum kombinierten Streck- und Tiefziehen vorgestellt und die Charakteristika des Verfahrens sowie deren Einfluss auf das Ziehergebnis beschrieben. Die Analyse der sog. Short-Cycle-Stretchforming-Technologie (SCS) sowie die Bewertung der damit hergestellten Bauteile, zeigten deutliche Optimierungs- und Weiterentwicklungspotentiale hinsichtlich der damit herstellbaren Bauteile und der zu verwendenden Blechgüten auf. Daraus leitete sich in Kapitel 4 die Motivation und Zielsetzung: dieser Arbeit ab. In Kapitel 5 wurden im Rahmen von Grundlagenuntersuchungen zunächst geometrische und tribologische Parameter an den für diese Technologie typischen SCS-Formelementen variiert, um relevante Einflussgrößen zu identifizieren und diese gezielt zu verändern. Hierfür wurde ein Laborprüfstand zur Ermittlung der Biege- und Reibungskräfte an Formradien entwickelt und aufgebaut, mit dessen Hilfe die Prozessparameter und deren Einfluss quantifiziert werden konnten. Die Erkenntnisse dieser Untersuchungen wurden für die Entwicklung eines weiteren, auf die SCS-Technologie basierenden, Versuchswerkzeuges genutzt. Dieser anwendungsnahe Prüfstand erlaubte die gezielte Variation weiterer Prozessparameter auf den Ziehvorgang, deren Untersuchungsergebnisse die Basis für den Aufbau eines entsprechenden Simulationsmodells bildeten. Für eine realitätsnahe Abbildung des Umformprozesses wurden für das Simulationsmodell experimentell ermittelte Werkstoffkennwerte sowie gemessene Reibungskenngrößen herangezogen. Das validierte Modell konnte anschließend für eine virtuelle Optimierung des Umformprozesses auf Basis numerischer Methoden eingesetzt werden. Unter Einbeziehung dieses Modells und mithilfe weiterer experimenteller Grundlagenuntersuchungen konnte die Funktion der SCS-Technologie ebenfalls auf eine Aluminiumlegierung der 6xxx-Familie übertragen werden. Im Rahmen dieser Prozesserweiterung auf einen Leichtbauwerkstoff wurde dieser hinsichtlich seiner natürlichen Alterung untersucht, um mögliche Einflüsse auf die Funktion der SCS-Technologie zu identifizieren. Basierend auf den Erkenntnissen der Grundlagenuntersuchungen wurde in Kapitel 6 die Prozesskinematik der SCS-Technologie auf zwei Bauteilgeometrien übertragen. Mithilfe der Prozesssimulation wurden zunächst ein SCS-Werkzeug für die Herstellung einer PKW-Fondtürbeplankung aus Stahlblechwerkstoff entwickelt und unter Laborbedingungen entsprechende Bauteile gefertigt. Aufgrund der Prozesscharakteristik konnten die Bauteile auf einer einfachwirkenden Presse ohne zusätzliche Zieheinrichtung hergestellt werden. Ferner wurde ein weiteres SCS-Werkzeug für die Herstellung einer Dachbeplankung entwickelt und aufgebaut. Hierbei wurden mehrere Neuerungen gegenüber den zuvor entwickelten Werkzeugen umgesetzt. Die Anzahl der für das Recken notwendigen Formelemente konnte reduziert werden, wodurch eine deutliche Verbesserung des Materialnutzungsgrades erreicht werden konnte. Weiterhin wurden die Formelemente erstmalig gekrümmt ausgeführt, um einerseits das Werkzeug kompakter gestalten zu können und andererseits der Krümmung des Bauteils Rechnung zu tragen. Die konstruktive Gestaltungskomplexität der Formelemente wurde hierdurch erhöht, der konstruktive Werkzeugaufbau spiegelt jedoch den Aufbau heutiger, konventioneller Tiefziehwerkzeuge wider, wodurch die Praxistauglichkeit des Verfahrens nachgewiesen werden konnte. Als weiteres Novum wurde dieses Werkzeug für die Herstellung von Blechformteilen aus einer Aluminiumgüte der 6xxx-Familie konzipiert. Damit konnte die Funktion der SCS-Technologie auch unter Verwendung eines Leichtbauwerkstoffs nachgewiesen werden. Im weiteren Verlauf wurden die Bauteileigenschaften der beiden Beplankungsteile untersucht und bewertet. Sowohl die in Abhängigkeit von den Platinenabmessungen erzielten Formänderungen, als auch die entsprechende Formänderungsverteilung wurden erfasst und bewertet. Ebenfalls wurde die dehnungsabhängige Rückfederung der Beplankungssteile betrachtet, um diese gegenüber dem konventionellen Tiefziehen von Blechformteilen bewerten zu können. Ein wesentlicher Schwerpunkt der Untersuchungen bestand darin, die dehnungsabhängigen Beuleigenschaften der Bauteile zu erfassen. Diese wurden mithilfe eines Beulprüfstandes im Rahmen von quasi-statischen sowie dynamischen Beulversuchen erfasst und bewertet. Es konnte sowohl für die Fondtürbeplankung aus Stahlblech, als auch für die Dachbeplankung aus Aluminium eine deutliche Erhöhung der Beulfestigkeit mit zunehmender Verfestigung nachgewiesen werden. Für die Aluminiumbeplankungsteile konnte diese durch eine zusätzliche Warmauslagerung der Bauteile, die einen im Fahrzeugbau typischen KTL-Lacktrocknungsprozess entspricht, nochmals deutlich gesteigert werden. Die Beulsteifigkeit der Bauteile veränderte sich nur marginal mit zunehmender Verfestigung. Diese nur unmerkliche Reduzierung resultiert aus dem dehnungsabhängigen Abfall des E-Moduls und der Blechdickenreduzierung. Um den SCS-Prozess mit dem konventionellen Tiefziehen auch aus energetischer Sicht vergleichen zu können, wurden entsprechende Messreihen durchgeführt, anhand derer die zur Herstellung einer Dachbeplankung nötige Energie erfasst wurde. Eine Gegenüberstellung mit dem konventionellen Tiefziehen unter Verwendung einer Zieheinrichtung, zeigte deutliche energetische Vorteile der SCS-Technologie auf. Schließlich konnten im Rahmen einer abschließenden Untersuchung weitere Einflussgrößen auf die Reproduzierbarkeit der Ergebnisse unter Verwendung der SCS-Technologie identifiziert werden. Ferner wurde ein entsprechendes Konzept erarbeitet, welches die Reproduzierbarkeit des Prozesses durch eine gezielte Steuerung des Werkstoffflusses erhöhen soll. Das Konzept zur Steuerung des Werkstoffflusses und das entsprechend umgesetzte Werkzeug wurden in Kapitel 7 vorgestellt. Es konnte die Funktion der gezielten Beeinflussung des Werkstoffflusses nachgewiesen werden, jedoch unterlag der Prozess größeren Schwankungseinflüssen, die im Rahmen dieser Arbeit nicht näher betrachtet wurden.
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Kaltmassivumformen von Hohlbauteilen mit komplexen helixförmigen Innengeometrien
(Stuttgart : Institut für Umformtechnik, 2019) Missal, Nadezda; Liewald, Mathias (Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. MBA)
In den letzten Jahren erlangte der technologische Fortschritt von Bauteilen des Antriebsstrangs und Fahrwerks in Bezug auf Leichtbau größere Bedeutung in der automobilen Leichtbaubranche moderner PKWs. Jedoch führen stetig steigende Anforderungen wie unter anderem Sicherheit, Komfort, Fahrleistung und Platzangebot gleichzeitig zu einer Erhöhung des Fahrzeuggewichtes. Aufgrund des relativ hohen Anteils kaltumgeformter Bauteile in Fahrzeugen kann eine gewichtsorientierte Bauteiloptimierung, welche keine dieser Anforderungen beeinträchtigt, entscheidend zum Leichtbau beitragen. Aus diesem Anlass wurde im Jahre 2012 die Initiative „massiver Leichtbau“ gegründet mit dem Ziel, die Massivumformteile moderner Fahrzeuge bezüglich Gewichtseinsparung, Werkstoffwahl, Fertigungstechnik und Bauteildesign bei akzeptablen Kosten zu optimieren. Große Herausforderungen bestehen bei der Optimierung von Bauteilen, die hohen Belastungen wechselnder Richtungen unterliegen. Dazu gehören beispielsweise Kolbenbolzen, welche trotz geringen Gewichts eine hohe Steifigkeit aufweisen müssen. Eine Gewichtsreduzierung solcher Bauteile kann in der Regel nur konstruktiv bzw. durch die Änderung des Bauteildesigns realisiert werden. In [Missal, N., Liewald, M., Felde, A. et al.: Piston pin optimisation with respect to light-weight design in: International Cold Forging Group, 49th Plenary Meeting, Stuttgart 2016, S. 157-161] wurden deshalb innovative Kolbenbolzen mit einer neuartigen helixförmigen Innengeometrie anstelle von bislang üblichem konstantem oder gestuftem Innendurchmesser entwickelt, welche diese widersprüchlichen Anforderungen erfüllen. Aufgrund der Beschränkung und zum Teil unbekannten Verfahrensgrenzen der Massivumformung bei der Herstellung von komplexen Geometrien wurden solche helixförmigen Innengeometrien bisher stets mittels spanender Verfahren erzeugt. Als technisch und wirtschaftlich vorteilhaftere Alternative zur Zerspanung kommt das Kaltfließpressen bzw. Abstreckgleitziehen in Frage. Kaltfließgepresste Komponenten besitzen im Vergleich zu spanend hergestellten verbesserte Eigenschaften wie die Kaltverfestigung, belastungsgerechte Faserverläufe und Eigenspannungen, welche zu erhöhten mechanischen Eigenschaften wie Zugfestigkeit, Druckfestigkeit und Härte führen. Auf Grundlage dieser Erkenntnisse und der Kombination von konstruktiver Optimierung und festigkeitssteigernder Effekte bietet das Kaltfließpressen ein hohes Potenzial für den konstruktiven Leichtbau. Die Anwendbarkeit des Abstreckgleitziehens für die Herstellung von Hohlbauteilen mit komplexen helixförmigen Innengeometrien ist bislang aufgrund unbekannter Verfahrensgrenzen bezüglich der Formfüllung der Innengeometrie in Abhängigkeit der Prozessparameter und des Innenprofils in der industriellen Praxis beschränkt. Zum maximal zulässigen Schrägungswinkel, der Helix bei dem ein schädigungsfreies Ausstoßen des Bauteils noch möglich ist, wurden darüber hinaus ebenfalls noch keine hinreichenden wissenschaftlichen Untersuchungen angestellt. Das Ziel der vorliegenden Arbeit besteht in der systematischen Aufarbeitung ebendieses Forschungsbedarfs sowie in der Entwicklung einer analytischen Methodik zur Ermittlung der Verfahrensgrenzen bezüglich des zulässigen Schrägungswinkels der Innengeometrie beim Ausstoßen unter Berücksichtigung der Reibung, Kontaktspannungen und Kontaktfläche.
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Mechanismen der Faltenbildung beim Bundanstauchen an hohlen Fließpressteilen
(Stuttgart : Institut für Umformtechnik, 2016) Schiemann, Thorben; Liewald, Mathias (Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. MBA)
Der wirtschaftliche Durchbruch des Kaltfließpressens von Stahl gelang in den 1930er Jahren nach erfolgreicher Umsetzung des sogenannten Singer Patents [PAT59], das ein Verfahren zur Phosphatierung der für die Kaltformgebung eingesetzten Halbzeuge aus Stahl beschreibt. Die wirtschaftliche Bedeutung des Fließpressens und des Stauchens nahm im Zuge der Industrialisierung und der Massenproduktion stetig zu. Der Automobilsektor gilt gemeinhin als der größte Abnehmer für durch Fließpressen und Stauchen hergestellte Bauteile. Weitere große Abnehmer sind der allgemeine Maschinenbau und die Bauindustrie. Durch Fließpressen hergestellte Bauteile zeichnen sich gegenüber durch andere Fertigungsverfahren hergestellte Bauteile aus Stahl vor allem durch die überlegenen mechanischen Eigenschaften aufgrund der fertigungsbedingten Kaltverfestigung sowie des belastungsgerechten Faserverlaufs aus. Darüber hinaus sind sehr hohe Mengenleistungen sowie einbaufertige Form-, Maß- und Lagetoleranzen (zwischen IT6 - IT11 [VDI98]) erzielbar. Die Oberfläche fließgepresster Bauteile weißt eine geringe Rauigkeit auf. Angesichts der globalen Ressourcenknappheit nimmt ein weiterer Vorteil dieses Fertigungsverfahrens - die Ressourceneffizienz - einen immer höheren Stellenwert ein. Fortschritte bei den Fertigungsverfahren zur Herstellung der für die Formgebung benötigten Umformwerkzeuge, wie z.B. das Senkerodieren und das Drahtschneiden sowie Weiterentwicklungen der Werkzeug- und auch Werkstückwerkstoffe und der für die Umformung benötigten tribologischen Systeme, erlauben die Herstellung immer komplexerer Komponenten [Lan08]. Die komplexen Fertigungsprozessketten bei der Herstellung von Kaltfließpress- und Kaltstauchteilen beginnen im Walzwerk mit dem Design des für den Anwendungsfall benötigten Werkstoffes. Bei der Weiterverarbeitung vom Draht erfolgt meist eine Reduzierung des Ausgangsdurchmessers durch eine oder mehrere Ziehstufen, die Vereinzelung durch einen Scherprozess und die mehrstufige Umformung. Dem Umformprozess können Weiterverarbeitungsschritte wie das Walzen und das Spanen angeschlossen sein. Darüber hinaus sind Veredelungsprozesse wie das Verzinken und Wärmebehandlungsprozesse zur Erreichung der notwendigen Bauteilfestigkeiten möglich. Die Komplexität dieser Prozessketten in Verbindung mit dem globalen Kostendruck und bedarfssynchroner Produktionen erfordert die frühzeitige Erkennung und Vermeidung von Fehlern, möglichst bereits während der Entwicklungsphase. Ein Hilfsmittel zur frühzeitigen Fehlererkennung ist die Methode der finiten Elemente und die auf ihr basierenden Computerprogramme zur Umform- und Prozesssimulation. Erklärtes Ziel aktueller Entwicklungen im Bereich der Massivumformung (z.B. Forschungsverbund Massiver Leichtbau) ist die virtuelle Abbildung dieser Prozessketten, die nicht nur die Herstellung des Umformteils, sondern auch mögliche Wärmebehandlungsschritte sowie das Verhalten des Bauteils unter Einsatzbedingungen berücksichtigen. Voraussetzung für die frühzeitige Erkennung von Fertigungsfehlern ist eine ausreichende Kenntnis über deren Ursache, die Mechanismen zur Entstehung dieser Fehler sowie der daraus abgeleiteten Ansätze zur Vermeidung dieser Fehler. Die vorliegende Arbeit setzt an diesem Punkt an und enthält Untersuchungsergebnisse zu Entstehungsarten, Ursachen, numerischer Darstellung sowie Abstellmaßnahmen des Umformfehlers äquatoriale Faltenbildung beim zweiseitig eingespannten, innen geführten Bundanstauchen hohler Fließpressteile. Die eingangs erwähnte Ressourceneffizienz durch Kaltmassivumformung hergestellter Leichtbauteile lässt sich durch Verwendung hohler Halbzeuge als Ausgangsmaterial weiter steigern. In Kapitel 1 und Kapitel 2 der vorliegenden Arbeit werden daher neben den Grundlagen des Fließpressens und des Stauchens verschiedene Herstellungsmöglichkeiten rohrförmiger Halbzeuge und in Kapitel 2.4 deren umformtechnische Weiterverarbeitung zu hohlen Bundwellen mittels Stauchen, Quer-Fließpressen und zahlreicher Sonderverfahren zusammengefasst. Ferner erfolgt die Darstellung bekannter verfahrensspezifischer Grenzen mit dem Schwerpunkt der äquatorialen Faltenbildung in einer übersichtlichen Form, aus der sich die in Kapitel 3 beschriebene Motivation und Zielsetzung der vorliegenden Arbeit ableitet. Defizite verschiedener nationaler und internationaler wissenschaftlicher Arbeiten zur Thematik der vorliegenden Arbeit sind vor allem die Missachtung des Einflusses der Umformhistorie der hohlen Halbzeuge auf die Faltenbildung sowie fehlende Untersuchungen zum Einfluss mehrstufiger Umformverfahren, Wärmebehandlungen sowie kinematischer, thermischer und tribologischer Einflüsse auf die äquatoriale Faltenbildung. Aus dem Stand der Technik leitet sich darüber hinaus Forschungsbedarf zur numerischen Darstellung der bekannten und bislang unbekannten Faltenbildungsmechanismen ab. Die Parametrisierung der numerischen Modelle, die Vorgehensweise zur Ermittlung der dafür benötigten Materialkennwerte und die eingesetzten Sampling- und Auswertemethoden für die stochastischen Parameterstudien werden in Kapitel 4 vorgestellt. In Kapitel 5 werden die eingesetzten Untersuchungsmethoden, die verwendete Anlagentechnik sowie die mehrstufigen, experimentell und numerisch untersuchten Prozessrouten und Verfahrenskombinationen für die Generierung der Untersuchungsergebnisse der vorliegenden Arbeit vorgestellt. In Kapitel 6 werden die drei gefundenen und zur äquatorialen Faltenbildung beim zweiseitig eingespannten, innen geführten Bundanstauchen hohler Halbzeuge führenden Mechanismen erläutert und anhand numerischer sowie experimenteller Untersuchungen belegt. Metallographische Analysen unterstützten hierbei die wissenschaftliche Beweisführung. Es gibt, Stand heute, drei verschiedene zur Faltenbildung führende Mechanismen. Die Faltenbildung 1. Art, als Folge instabilen Ausknickens des hohlen Halbzeuges, wird signifikant von geometrischen Prozessgrößen wie der bezogenen freien Stauchhöhe und der Wanddicke des hohlen Halbzeuges beeinflusst. Die numerischen und experimentellen Untersuchungen in Kapitel 7 zeigen darüber hinaus, dass das Instabilitätsverhalten des hohlen Halbzeuges werkstoffunspezifisch ist und kinematische sowie thermische Einflussgrößen nicht signifikant sind. Über die im Stand der Technik dargestellten Einflussgrößen hinaus konnte gezeigt werden, dass die Umformhistorie bzw. die Vorverfestigung des hohlen Halbzeuges das instabile Ausknicken signifikant beeinflusst und die Verfahrensgrenze bezogene freie Stauchhöhe in Richtung geringerer freier Stauchhöhen verschoben wird. Mittels geeigneter Wärmebehandlungen der umformtechnisch hergestellten hohlen Halbzeuge konnte die Verfahrensgrenze bezogene freie Stauchhöhe erweitert werden (Kapitel 7.5). In Kapitel 8 wird gezeigt, dass eine verfahrensspezifische, lokal sehr hohe, Verfestigung in Wechselwirkung mit der Oberflächenqualität des hohlen Halbzeuges sowie der lokalen Oberflächenverkleinerung zu einem hohen Fließwiderstand innerhalb des Werkstückes führt und der von oben nachfließende Werkstoff im Bauteil eingeschlossen wird. Überlegungen, dass diese Faltenbildung 2. Art aufgrund Überschreitung des werkstoffspezifischen ertragbaren Formänderungsvermögens ein Riss ist, wurde durch REM- und EDX-Analysen in Kapitel 6 widerlegt. Im Rahmen der experimentellen Untersuchungen in Kapitel 8.2.3 und Kapitel 8.2.4 konnte darüber hinaus gezeigt werden, dass die lokale Verfestigung Hauptursache für die Faltenbildung 2. Art ist und durch eine geeignete Wärmebehandlung oder einen veränderten Stofffluss vermieden werden kann. Bei Vermeidung sowohl der Falte 1. Art als auch 2. Art kommt es aufgrund der verfahrensspezifischen kontinuierlichen Reduzierung der inneren Mantelfläche zu einer unvermeidbaren multiplen Faltenbildung 3. Art (Kapitel 6.3). Die numerischen Untersuchungen zur prädiktiven Vorhersage der Faltenbildung 2. Art in Kapitel 7.5 zeigen, dass mittels der in der verwendeten Simulationssoftware verfügbaren Schadenskriterien diese Art der Faltenbildung nicht darstellbar ist. Es wird daher in Kapitel 9 die Vorgehensweise und die Umsetzung zur Entwicklung eines empirischen Schädigungsmodells zur Vorhersage der Faltenbildung 2. Art beschrieben. Die Beschreibung der experimentell bestimmten Einflussgrößen auf die Faltenbildung 2. Art erfolgte mit mathematisch, empirischen Termen und in Kapitel 10 wird die Parametrisierung der Gleichungen mittels der vorliegenden experimentellen Datenbasis beschrieben. Die Validierung und Absicherung des empirischen Schädigungskriteriums sowie der Nachweis der Übertragbarkeit auf andere Verfahren erfolgt in den Kapiteln 10.2 und 10.3. Kapitel 11 enthält eine Zusammenfassung der durchgeführten Forschungsarbeiten. Die gewonnen Erkenntnisse über die Verfahrensgrenzen werden in werkstoffspezifischen Arbeitsdiagrammen übersichtlich dargestellt. Die numerischen und experimentellen Ergebnisse dieser Arbeit machen deutlich, dass der Umformfehler Faltenbildung beim zweiseitig eingespannten und innen geführten Bundanstauchen differenziert und unter Beachtung der Fertigungsfolge, beginnend mit der Herstellung des hohlen Halbzeugs, betrachtet werden muss. Generell ist eine geringe Vorverfestigung des hohlen Halbzeuges vor dem Stauchprozess anzustreben. Darüber hinaus sollte eine möglichst geringe Oberflächenrauigkeit der inneren Mantelfläche angestrebt und das Instabilitätsverhalten des hohlen Halbzeuges während des Stauchens berücksichtigt werden. Kinematische und tribologische Einflussgrößen auf die Bildung einer Falte können im Rahmen z.B. industriell erreichbarer Prozessgeschwindigkeiten vernachlässigt werden. Mittels des entwickelten und in eine kommerzielle Software implementierten, empirischen Schädigungsmodells konnte erstmals die Faltenbildung 2. Art mit einer relativ hohen Genauigkeit prädiktiv vorhergesagt werden. Die Ergebnisse dieser Arbeit leisten somit einen wichtigen Beitrag zur industriellen Prozessauslegung derartiger Umformprozesse.
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Neuartige Versuchsmethodik zur verbesserten Modellierung der Reibung in der Blechumformung
(Stuttgart : Institut für Umformtechnik, 2019) Singer, Markus Ruben; Liewald, Mathias (Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. MBA)
Die numerische Abbildung von Tiefziehprozessen benötigt eine Vielzahl von Eingangsparametern, deren Qualität sich direkt in der Abbildegenauigkeit des Prozesses widerspiegelt. Diverse Einflussfaktoren, wie etwa das Fließverhalten des Platinenwerkstoffes, wurden dabei bisher genau untersucht und sind heute in vielen Fällen gut verstanden. Die relativ exakte Beschreibung der im Prozess auftretenden Reibungsmechanismen zwischen Platine und Werkzeug bildet bei den Blechumformverfahren Tief- und Streckziehen hingegen eine Ausnahme. Das Reibungsverhalten bestimmt die Rückhaltung des Ziehflanscheinlaufes in die Zarge sowie welche Prozesskräfte, beeinflusst durch die örtlich unterschiedlichen Blechdickenreduktionen, übertragen werden können. Bei einer unzureichenden Kenntnis dieser Prozessgröße kann der Umformprozess nur unter Verwendung eines Sicherheitsfaktors numerisch ausgelegt werden. Hierbei kann allerdings nicht das gesamte Umformpotential des Prozesses in Kombination mit dem Platinenwerkstoff ausgenutzt werden. Durch die eingeschränkte Zugänglichkeit zur experimentellen Messwertaufnahme muss aktuell auf stark abstrahierte Modellversuche zur Bestimmung des Reibungsverhaltens zwischen Umformwerkzeug und Platine zurückgegriffen werden. Dabei können die komplexen Wechselwirkungen im tribologischen System zwischen Platinen- und Werkzeugoberfläche nicht abgebildet und eingehend untersucht werden. Auch hochentwickelte, numerische Abbildungsmodelle beziehen sich dabei auf Messwerte aus einfachen experimentellen Versuchsaufbauten. Die auftretenden Wechselwirkungen können dabei heute zwar relativ gut invers modelliert, jedoch nicht im realen experimentellen Aufbau gemessen werden. Diese Forschungslücke führt dazu, dass der Reibungszahl in Blechumformsimulationen, trotz ihrer deutlichen Auswirkung auf das Berechnungsergebnis, eine untergeordnete Gewichtung zukommt. Häufig werden lediglich globale, sich nicht verändernde Reibungszahlen im FE-Modell nach Coulomb verwendet. Diese unzureichende Beschreibung führt zu einer ungenauen numerischen Berechnung des Tiefziehprozesses. Im Rahmen dieser Arbeit wird eine neuartige Methode zur Bestimmung der Reibungszahlen vorgestellt und auf Basis der so ermittelten, kontinuierlich aufgenommenen Reibungszahlverläufe ein Reibungsmodell für ein erweitertes Verständnis des tribologischen Systems für das Tiefziehen entwickelt. Im Hauptteil der Arbeit werden zunächst die grundsätzlichen Einflussfaktoren auf das tribologische System mittels Streifenziehversuchen ermittelt und deren Auswirkung auf die Reibungszahl bewertet. Im weiteren Verlauf erfolgt die Integration von Miniatur-Längsmessdübeln in das Umformwerkzeug, welche die elastische Deformation der Werkzeugstruktur aufzeichnen. Darüber können die auf die Platine wirkenden Rückhaltekräfte gemessen werden. Die Messwertaufnahme ist hierbei kontinuierlich über den gesamten Tiefziehprozess sowie ohne Eingriff in die Kontaktfläche zwischen Umformwerkzeug und Platine möglich. Die Positionierung der Sensoren erfolgt nach einer Unterteilung der Werkzeugaktivflächen auf Basis des örtlich vorherrschenden Spannungszustandes in Anlehnung an die Gleitlinientheorie in acht unterschiedliche Sektoren. Aufbauend auf den im Prozess gemessenen Reibungszahlen können für die definierten geometrischen Werkzeugsektoren mathematische Funktionen der Reibungszahlverläufe über den jeweiligen Ziehweg bestimmt werden. Dazu werden die jeweiligen Funktionsbeschreibungen in Abhängigkeit von den zuvor ermittelten Einflussfaktoren wie Flächenpressung, Ziehgeschwindigkeit und Temperatur approximiert. Durch die Integration dieser Reibungszahlen in ein Simulationsmodell ist es anschließend möglich, die Güte der numerischen Abbildegenauigkeit des Prozesses zu bewerten und mit konventionellen numerischen Berechnungen mit konstanten Reibungszahlen zu vergleichen. Des Weiteren kann gezeigt werden, dass der Übertrag der an der einfachen Ziehteilgeometrie „Rechtecknapf“ ermittelten Reibungszahlverläufe auf eine komplexere Ziehteilgeometrie möglich ist und sich dabei die Abbildegenauigkeit der Simulationsrechnungen verbessert. Die vorliegende Arbeit schließt mit einer Zusammenfassung der durchgeführten Forschungsarbeiten ab. Somit wird ein wissenschaftlicher Beitrag zum verbesserten Verständnis der Wirkzusammenhänge des Reibungsverhaltens im Blechumformprozess geleistet sowie weitere zukünftige Potenziale aufgezeigt. Es kann gezeigt werden, dass die numerische Abbildegenauigkeit von Blechumformprozessen steigt, wenn sich über den Stößelweg verändernde Reibungszahlen in den Modellaufbau integriert werden. Dazu wurde in dieser Arbeit eine neuartige Methode zur Bestimmung der real im Prozess auftretenden Reibungszahlen entwickelt. Die Wechselwirkungen der signifikanten Einflussfaktoren auf die Reibungszahlen im Blechumformprozess werden in einem, auf Basis der Gleitlinientheorie, in verschiedene Sektoren unterteilten Tiefziehwerkzeug bestimmt. Die Bestimmung von mathematischen Funktionen des ziehtiefenabhängigen Reibungsverhaltens ermöglicht den Übertrag der experimentell ermittelten und numerisch abgebildeten Reibungszahlen aus einer einfachen Versuchsgeometrie auf ein komplexes, realitätsnahes Tiefziehbauteil.
Open Access
Simulationsgestützte Analysemethodik zur Untersuchung von thermomechanischen Bauteildeformationen von Fahrzeugkarosserien im Lacktrocknungsprozess
(Stuttgart : Institut für Umformtechnik, 2016) Albiez, Christoph; Liewald, Mathias (Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. MBA)
Neue Karosserieleichtbaukonzepte stellen nicht nur neue Herausforderungen an die beanspruchungsgerechte Materialauswahl und die Auslegung der Fügetechnologien, sondern auch an den Fertigungsprozess selbst und dessen Absicherung. Im Rahmen dieser Arbeit wurden deshalb die Produktveränderungen von Fahrzeugkarosserien im Lacktrocknungsprozess (Δα-Problematik) untersucht. Da anmutungsrelevante Oberflächenveränderungen von Außenhautbeplankungen zu zeit- und somit kostenintensiven Änderungsschleifen in der Anlaufphase eines neuen Automobils führen können, sind virtuelle Methoden zur Erkennung und Bewertung möglicher Fehlerquellen von besonderem Interesse. Im Stand der Technik wurden die phänomenologischen Einflussgrößen des thermomechanischen Verformungsverhaltens von Fahrzeugkarosserien im Lacktrocknungsprozess umfangreich beschrieben und aktuelle Konzepte der virtuellen und physischen Absicherung vorgestellt. Die aufgeführten Arbeiten zeigten zwar die mögliche Kopplung der einzelnen Prozesssimulationen im Fertigungsprozess mit der KTL-Trocknung durch Anwendung von Mapping-Algorithmen auf, der eigentliche Nachweis zur Notwendigkeit der Berücksichtigung vorgelagerte Fertigungsprozesse zur Vorhersage von bleibenden Formabweichungen nach der Lacktrocknung blieb ungeklärt. Ferner lagen keine ausreichenden experimentellen Untersuchungen an unterschiedlichen Baugruppen zur Bewertung des Einflusses von vorhandenen Formabweichungen vorgelagerter Fertigungsschritte und Wechselwirkungen aufgrund von Eigenspannungen auf das Deformationsverhalten von Baugruppen im KTL-Trocknungsprozess vor. Desweiteren existierten keine Handlungsempfehlungen oder Analysemethoden, die zwischen den jeweiligen Produktentstehungsphasen sowie den vorhandenen Produkt- und Prozessinformationen unterschieden. Die Vorgehensweise dieser Arbeit zur Entwicklung einer durchgängigen simulationsgestützten Analysemethodik zur Untersuchung des thermomechanischen Bauteilverhaltens in Lacktrocknungsprozessen basierte auf Baugruppen mit unterschiedlichen Komplexitätsstufen aufgrund der unterschiedlichen Fragenstellungen hinsichtlich der Prognosegüte der thermomechanischen Berechnungsmethode, der Wechselwirkungen mit vorgelagerter Fertigungsschritten und die Anwendbarkeit der Analysemethode auf ganze Fahrzeugkarosserien. Ausgangspunkt der prinzipiellen Untersuchungen bildete die „spannungsfreie“ Baugruppe „Hutprofil“. Hierbei wurden grundlegende Voruntersuchungen zur Qualifizierung der Messmethoden im Hinblick auf die experimentellen Untersuchungen vorgenommen. Neben der Temperaturmessung stand die Ermittlung des in-situ Deformationsverhaltens unter realen Versuchsbedingungen im Fokus der Untersuchungen. Als Handlungsfeld wurde hier die entkoppelte Ermittlung thermischer und mechanischer Bauteildehnungen identifiziert und in diesem Zuge ein kompaktes Messsystem auf Basis von Dehnungsmessstreifen (DMS) und PT1000 Temperatursensoren entwickelt, das die Aufzeichnung von thermomechanischen Bauteildehnungen und Temperaturen an ausgewählten Bereichen während des Ofendurchlaufs ermöglicht. Da die Validierung von numerischen Berechnungsergebnissen anhand experimenteller Untersuchungen, eindeutiger und reproduzierbarer Vorschriften bedarf, wurden unterschiedliche konsistente Auswertungsmethoden in Abhängigkeit der eingesetzten aktiven und passiven 3D-Messverfahren erarbeitet. Ergänzend wurden hierzu erweiterte Oberflächenevaluierungsverfahren und formbeschreibende Metriken eingeführt. Als notwendige Eingangsgröße der numerischen Parameterstudien wurden die mechanischen Eigenschaften der verwendeten Aluminium- und Stahlwerkstoffe charakterisiert. Die Ermittlung der temperaturabhängigen Materialkennwerte erfolgte hierbei in Anlehnung des KTL-spezifischen Temperaturprofils. Neben der Ermittlung der temperaturabhängigen Fließkurven mit sinkender Streckgrenze bei steigender Temperatur in der Aufheizphase wurde der Einfluss der Ausscheidungshärtung von Aluminiumlegierungen auf die Fließkurvenänderungen während der Haltezeit aufgezeigt. Die anschließenden numerischen und experimentellen Untersuchungen an der Baugruppe „Hutprofil“ führten zu dem eindeutigen Nachweis, dass die in dieser Arbeit verwendete Berechnungsmethodik zur Vorhersage der thermomechanischen Bauteildeformationen im Lacktrocknungsprozess geeignet ist. Dabei identifizierten die durchgeführten numerischen Parameterstudien einen signifikanten Einfluss der numerischen Ersatzmodelle der Fügeverbindungen auf das Deformationsverhaltens der Baugruppe. Dementsprechend wurden in den experimentellen Versuchen Baugruppen unterschiedlicher Verbindungssteifigkeiten und -nachgiebigkeiten realisiert, die den signifikanten Einfluss der Verbindungstechnik eindeutig bestätigten. Die Validierung der Berechnungsergebnisse zeigte somit hohe Übereinstimmungen der steifen Schraubenverbindung und eine hinreichend genaue Abbildung des Deformationsverhaltens der genieteten Baugruppen aufgrund der Nachgiebigkeiten und der Verkippung der Nieten bei maximaler Belastung. Die Validierung der Berechnungsergebnisse identifizierte somit weitere Handlungsfelder hinsichtlich der Charakterisierung und Kalibrierung der temperaturabhängigen Verbindungseigenschaften (Steifigkeiten) neuer Fügeverbindungen und Ableitung geeigneter Ersatzmodelle für den Einsatz in umfangreichen Gesamtkarosseriemodellen. Ferner zeigten die experimentellen Bauteilversuche die Notwendigkeit zu weiterführenden Untersuchungen des viskoelastischen Materialverhaltens von Aluminiumblechlegierungen im KTL-Trocknungsprozess und die Implementierung geeigneter Materialmodelle in die Prozesssimulation auf. Auf der nächsten Komplexitätsebene der numerischen und experimentellen Untersuchungen wurden Prozesseinflussgrößen anhand der „Benchmarkbaugruppe Karosserieanbauteile“ nach [Eck12] bestehend aus einer geclinchten Innengruppe zweier Aluminiumblechteile und ein geklebtes und rollgefalztes Aluminiumaußenhautbauteil bewertet. Da sich die Prozesskettenbaugruppe besonders durch die hohe Variabilität der einstellbaren Produkt- und Prozessparameter auszeichnet, wurden unterschiedliche Baugruppen hinsichtlich maßlicher Vorhaltungen bzw. Vorspannung der Innengruppe und Klebstoffmengen generiert und dessen Einfluss auf die finale Formabweichungen nach der Temperierung untersucht. Hierbei wurde aufgezeigt, dass sich die unterschiedlichen Verspannungen der gefügten Innengruppen deutlich stärker auf die bleibenden klebstoffbedingten Formänderungen als die Verringerung der Klebstoffmenge selbst auswirken. Somit haben vorgelagerte Fertigungsschritte im Hinblick auf bereits vorhandenen Bauteilabweichungen und Spannungszuständen aus dem Presswerk oder Karosseriebau einen direkten Einfluss auf das Deformationsverhalten der Baugruppe im Ofen und müssen somit in der Prozesskettensimulation berücksichtigt werden. Die anschließende numerische Abbildung der bleibenden Formabweichungen nach der Temperierung der „Benchmarkbaugruppe Karosserianbauteile“ berücksichtigte darüber hinaus unterschiedliche Ansätze auf Basis von Nominal- und digital rekonstruierten Bauteilgeometrien sowie einer Prozesskettensimulation zur Verknüpfung des Lacktrocknungsprozesses mit vorgelagerten Fertigungsschritten. Zwar wurde die Machbarkeit und Notwendigkeit zur Integration der Produkteigenschaften und -zustände vorgelagerter Fertigungsschritte nachgewiesen, jedoch wurde im Rahmen dieser Arbeit deutlich, dass für eine durchgängige Prozesskettensimulation auch eine sequentielle Validierung nach jedem einzelnen Fertigungsschritt notwendig ist. Die Implementierung digital rekonstruierter Bauteildaten ermöglichte hierzu alternative Berechnungsmethoden zur Berücksichtigung von vorhandenen Formabweichungen, die das thermische Deformationsverhalten und somit unmittelbar die bleibenden Formabweichungen maßgeblich beeinflussen. Auf Basis der Untersuchungen in dieser Arbeit wurden Anwendungsgrenzen abgeleitet und Einsatzmöglichkeiten in der frühen Konzeptphase sowie anlaufbegleitende Problemanalysen zur Reifegradsteigerung prinzipiell und qualitativ aufgezeigt. Abschließend wurden die erarbeiteten Erkenntnisse auf die Analysemethode von umfangreichen Karosseriemodellen übertragen. Dabei wurde im Sinne einer effizienten Berechnungsmethode zur iterativen Unterstützung des Entwicklungsprozesses die Submodelltechnik mit kurzen Berechnungszeiten unter der Prämisse einer gleichbleibenden Prognosegüte eingeführt. Die vorgestellten modellreduzierten Submodelle ermöglichten sowohl die effiziente Kopplung mit vorgelagerten Prozessen als auch parametrische Berechnungen zur Erstellung von Sensitivitäts- und Optimierungsstudien. Auf dieser Grundlage wurde eine verifizierte und durchgängige Analysemethode zur Prognose und Bewertung von thermomechanischen Produktveränderungen in der frühen Entwicklungsphase sowie eine anlaufbegleitende Reifegradsteigerung durch die Integration realer Produkt- und Prozessdaten in der Simulation vorgestellt.