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Open Access
Erweiterung der Leistungsfähigkeit tiefgezogener Blechbauteile mittels Prägens
(Stuttgart : Fraunhofer Verlag, 2025) Walzer, Stefan; Liewald, Mathias (Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c., MBA)
Vor dem Hintergrund der werkstofflichen Ressourceneffizienz sind die Hersteller moderner Blechkonstruktionen bestrebt, innovative Produktionsprozesse zu entwickeln, um ihre Produkte effizienter zu gestalten. Dies ermöglicht es den Herstellern, trotz des globalen wirtschaftlichen Drucks weiterhin konkurrenzfähig zu agieren. Diesen Gegebenheiten geschuldet, wurden in der Vergangenheit mehrere mechanische aber auch thermische Fertigungsverfahren entwickelt, die die Formgebungsgrenzen moderner Blechbauteile erweitern beziehungsweise das Einstellen von anforderungsgerechten mechanischen Eigenschaften - respektive Bauteileigenschaften - ermöglichen. Bisherige Arbeiten zur Prozessgrenzenerweiterung von formgebenden Verfahren in der Blechumformung befassen sich überwiegend mit thermischen Fertigungsverfahren. Zu mechanischen Fertigungsverfahren mittels oberflächennahen Prägens liegen hingegen bisher nur unzureichend wissenschaftliche Untersuchungen vor. Gegenstand der vorliegenden Dissertation ist daher die numerische und experimentelle Erforschung der Wirkung von lokal geprägten Oberflächenstrukturen in Blechplatinen und die dadurch initiierte Erhöhung bzw. Reduktion der mechanischen Kennwerte des Platinenwerkstoffs im Hinblick auf dessen Formänderungsvermögen. Im Rahmen dieser Arbeit wird eine neuartige Herangehensweise des Prägens von Blechplatinen untersucht, die die Herstellung qualitativ hochwertiger Blechformteile mit verbesserten mechanischen Eigenschaften ermöglicht. Innerhalb experimenteller Versuchsreihen werden Blechplatinen aus einer höherfesten Blechgüte (Dualphasenstahl DP 600) oberflächennah mittels Prägen strukturiert und die Oberflächenintegrität der geprägten Strukturen durch Messung der Topographie, der Mikrohärte und Härte beschrieben. Die geprägten Platinen werden anschließend durch Zug- und Nakajima-Versuche hinsichtlich ihres Formänderungsvermögens analysiert, charakterisiert und mit dem Referenzwerkstoff verglichen. Ausgewählte Prägestrukturen werden für den Übertrag auf repräsentative Blechbauteile herangezogen, um den Nachweis der Prozessgrenzenerweiterung hinsichtlich der Erhöhung der Grenzziehverhältnisse zu erbringen. Hierbei stehen insbesondere die lokalen Wechselwirkungen in jenen Bauteilbereichen im Fokus, die hinsichtlich des Bauteilversagens kritisch zu bewerten sind, wie z.B. der Stempelkantenradius einer Rundnapfgeometrie. Durch die festigkeitssteigernde Wirkung der geprägten Oberflächenstrukturen wird die Streck- bzw. Fließgrenze des Blechwerkstoffes lokal erhöht, wodurch das vorzeitige Ausdünnen der Blechdicke reduziert und somit das Werkstoffversagen durch Reißer verhindert wird. Abschließend werden die gewonnenen Erkenntnisse auf eine komplexere Bauteilgeometrie übertragen. Parallel hierzu werden geprägte Strukturbauteile durch quasi-statische Stauchversuche geprüft und anhand der ertragbaren Spitzenlasten und deren spezifische Energieaufnahmefähigkeit untersucht. Der wesentliche Erkenntnisgewinn dieser Arbeit besteht daher einerseits im Nachweis erfolgreicher Methoden zur Erweiterung von Prozessgrenzen beim Tiefziehen hinsichtlich der Erhöhung erreichbarer Ziehtiefen und andererseits im Nachweis der verbesserten Energieaufnahmefähigkeit tiefgezogener Blechbauteile. Die mit dieser Arbeit vorliegende neue Methodik zur lokalen Verfestigung von Blechbauteilen durch Eindrücken sphärischer Vertiefungen in die Blechoberfläche, insbesondere in Bereichen frühzeitiger Blechausdünnung sowie der verbesserten Kraftaufnahme während eines Deformationsvorgangs bieten langfristig neue Konstruktions- und Auslegungsmöglichkeiten für industriell gefertigte Blechbauteile. Eine Kombination aus konventionellen Blechplatinen und Tailored Embossed Blanks (TEB) kann dabei den Einsatzbereich festigkeitsgradierter Blechbauteile weitreichend ergänzen. Denkbar sind beispielweise Anwendungen im modernen Karosseriebau sowie im Baugewerbe für Befestigungselemente. Am Ende der Arbeit liegt neben der Quantifizierung der Prozessgrenzenerweiterung von lokal geprägten und tiefgezogenen Blechbauteilen ein umfangreiches Prozessverständnis zu dieser neuen Technologie vor. Zur Erweiterung der herstellungsspezifischen Prozessgrenzen werden darüber hinaus neuartige Anwendungsfelder aufgezeigt, die eine Verbesserung technischer und wirtschaftlicher Anforderungen im industriellen Umfeld ermöglichen.
Open Access
Residual stresses in deep-drawn cups made of duplex stainless steel X2CrNiN23-4 : influence of the drawing depth
(2021) Simon, Nicola; Erdle, Hannes; Walzer, Stefan; Gibmeier, Jens; Böhlke, Thomas; Liewald, Mathias
Residual stress development in deep drawing processes is investigated based on cylindrical cups made of duplex stainless steel sheet. Using a two-scale approach combining finite element modelling with a mean field homogenization scheme the macro residual stresses as well as the phase-specific micro residual stresses regarding the phases ferrite and austenite are calculated for steel X2CrNiN23-4 for various drawing depths. The simulation approach allows for the numerical efficient prediction of the macro and phase-specific micro residual stress in every integration point of the entire component. The simulation results are validated by means of X‑ray diffraction residual stress analysis applied to a deep-drawn cup manufactured using corresponding process parameters. The results clearly indicate that the fast simulation approach is well suited for the numerical prediction of residual stresses induced by deep drawing for the two-phase duplex steel; the numerical results are in good agreement with the experimental data. Regarding the investigated process, a significant influence of the drawing depth, in particular on the evolution of the residual stress distribution in drawing direction, is observed. Considering the appropriate phase-specific strain hardening, the two-scale approach is also well suited for the prediction of phase specific residual stresses on the component level.