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Authors: Hönle, Severin
Title: Methode zur Bewertung und Prognose der Anmutungsqualität und der Herstellbarkeit von Falzschlaufen an Karosserieanbauteilen aus Aluminium
Issue Date: 2016
Publisher: Stuttgart : Institut für Umformtechnik
metadata.ubs.publikation.typ: Dissertation
metadata.ubs.publikation.seiten: XIII, 171
Series/Report no.: Beiträge zur Umformtechnik;79
URI: http://elib.uni-stuttgart.de/handle/11682/9131
http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bsz:93-opus-ds-91317
http://dx.doi.org/10.18419/opus-9114
ISBN: 978-3-946818-04-5
Abstract: Die hohen Ansprüche der Kunden an Premiumfahrzeuge sowohl im Hinblick auf die technologische Leistungsfähigkeit des Fahrzeugs wie auch hinsichtlich der attraktiven Gestaltung des Exterieurs stellen heute zentrale Punkte bei der Planung und Entwicklung solcher Fahrzeuge dar. Gleichzeitig wird der Prozess zur Konzept- und Serienentwicklung von Premiumfahrzeugen durch den hohen Grad an Derivatisierung und die Forderung nach kurzen Produkteinführungszeiten zunehmend komplex. Insbesondere die Fertigung von Anbauteilen für die Fahrzeugaußenhaut steht im Spannungsfeld zwischen der Umsetzung von Designvorgaben, die den Kundenwunsch widerspiegeln, und der Wirtschaftlichkeit zur Auslegung und Absicherung der Herstellbarkeit dieser Teile. Neben den Designmerkmalen auf der flächigen Außenhaut (z. B. Tornadolinie) stehen auch Designmerkmale wie Fugen im Fokus der Fahrzeughersteller. Die Fugen von Fahrzeugen (z. B. Türfuge) stellen aufgrund Ihrer geringen Breite (< 10 mm) keine selbständigen Formelemente dar, vielmehr wirken die Fugen als Trennlinie zwischen zwei Bauteilen. Diese Trennlinien sind einerseits technisch erforderlich (z. B. um eine Relativbewegung der Bauteile zu ermöglichen), andererseits sind die Fugen für den Kunden sichtbar und stellen somit ein gestalterisches Element der Fahrzeugaußenhaut dar. Im Sinne des Produktdesigns sind Fugen Teil der Produktgestalt, die beim Kunden Aufmerksamkeit erzeugen und Interesse wecken soll. Die „Kommunikation“ zwischen Mensch und Produkt wird durch die Wahrnehmung und die Erkennung des Produkts sowie durch das Verhalten gegenüber dem Produkt bestimmt. Die emotionalen Eindrücke des Kunden, d. h. das Auftreten von negativen oder positiven Stimmungen, werden als Anmutung des Produktes bezeichnet. Diese Anmutung stellt einen diffusen, gefühlsartigen und subjektiv geprägten Eindruck dar. Durch das projizieren des erlebten Eindrucks auf das Produkt wird die Anmutung gleichzeitig zu einer Objekteigenschaft. Für eine ansprechende Produktgestaltung mit dem Ziel bestimmte Fahrzeugeigenschaften (z. B. Sportlichkeit) zu vermitteln, muss die Anmutung der Karosseriefugen mit betrachtet und bewertet werden. Die zeitlichen Vorgänge während des Erkennens sowie grundsätzliche Zusammenhänge zwischen Formgestalt und Anmutung sind zwar bekannt (vgl. Kap. 2.1), eine Quantifizierung der Anmutungsleistung von Karosseriefugen heutiger Fahrzeuge liegt jedoch nicht vor. Ziel dieser Arbeit ist es daher die Anmutung von Karosseriefugen zu erfassen, zu quantifizieren und fertigungstechnische Einflussgrößen zu ermitteln. Karosseriefugen werden durch die angrenzenden Anbauteile bestimmt. Hierbei steht vor allem die Falzung der Anbauteile, welche deren Umrandung darstellt, im Fokus. Das Falzen des Außenteils mit dem Innenteil stellt einen Karosseriebauprozess dar. Aus fertigungstechnischer Sicht ist das Falzen der Bauteile ein Biegeprozess, bei dessen Auslegung insbesondere die auftretenden Biegebeanspruchungen betrachtet werden müssen. Die im Rahmen dieser Arbeit betrachteten Aluminiumblechwerkstoffe der AA 6xxx Reihe weisen eine, im Vergleich zu üblichen Stahlgüten, reduzierte Biegbarkeit auf. Obwohl in den vergangenen Jahren zahlreiche Ansätze zur Bestimmung der Biegbarkeit (vgl. Kap. 2.3.4) dieser Werkstoffe entwickelt wurden, stellt die Auslegung von Falzprozessen für den PKW-Karosseriebau auch heute noch eine große Herausforderung dar. Eine Ursache hierfür ist die eingeschränkte Übertragbarkeit der in einfachsten Laborversuchen ermittelten Biegekriterien, z. B. mithilfe des Plättchenbiegens, auf den komplexen Karosseriebauprozess unter Berücksichtigung der Einzelteilherstellung, z. B. Tiefziehen. Im Rahmen dieser Arbeit wurden daher seriennahe Versuchswerkzeuge für Maschinen- und Rollfalzvorgänge eingesetzt, um einerseits die Biegekriterien zu validieren und andererseits Prozesseinflussgrößen zu quantifizieren. Damit zukünftige Fertigungsprozesse für Karosserieanbauteile aus Aluminium, welche an ihrer Bauteilumrandung Falzschlaufen mit hoher Anmutungsqualität aufweisen sollen, versagensfrei ausgeführt werden können, ist es Ziel dieser Arbeit ein prinzipielles Modell zur Prognose der Anmutungsqualität der Falzschlaufe und der auftretenden Biegebeanspruchungen zu entwickeln. Das als Hemming Quality Diagram HQD bezeichnete Modell stellt einen kausalen Zusammenhang zwischen der Anmutungsqualität einer Falzschlaufe und deren Herstellbarkeit dar. Die grundlegenden Voraussetzungen hierfür sind die Kenntnisse über die prozessualen Einflussgrößen auf die dimensionalen Eigenschaften der Falzschlaufe (und somit auch deren Anmutungsqualität) sowie auf die Biegebeanspruchungen (und somit der Herstellbarkeit der Falzschlaufe). Für die Bewertung der Herstellbarkeit wurde zunächst die Biegbarkeit von zwei Aluminiumlegierungen mithilfe des Plättchenbiegens charakterisiert. Die Ergebnisse der Charakterisierung dienten als Referenz bei der nachfolgenden Bewertung der während des Falzens auftretenden Biegebeanspruchungen. Für die Bewertung der Biegbarkeit wurde der Biegebewertungsfaktor nach [DEN14] als Versagenskriterium verwendet. Dieses Kriterium wurde speziell für Aluminiumlegierungen der AA 6xxx Reihe entwickelt und beschreibt das Versagen in Folge einer starken Dehnungslokalisierung an der Falzschlaufe. Für die experimentelle Bestimmung der Biegebeanspruchung wurde zunächst mithilfe der optischen Formänderungsanalyse die Dehnungsverteilung an der Falzkante gemessen und anschließend das Dehnungsmaximum und die Breite der Formänderungszone bestimmt. Aus dem Verhältnis dieser beiden Größen kann die Biegebeanspruchung abgeleitet werden. Im Anschluss an die Charakterisierung der Werkstoffe wurde die prozessuale, schrittweise Entwicklung der Biegebeanspruchung während des Falzens betrachtet. Hierbei wurde sowohl das Maschinenfalzen mit starren Werkzeugen als auch das Rollfalzen mit einem industriellen Roboter untersucht. Die betrachtete Prozessfolge umfasste dabei sowohl das Tiefziehen und Abstellen der Bauteilflansche des Einzelteils als auch das Falzen. Bei beiden Fertigungstechnologien zeigt sich, dass die Biegebeanspruchung nicht ausschließlich vom Falzprozess abhängt, vielmehr werden die Beanspruchungen bereits bei der Einzelteilherstellung prädisponiert. Aufbauend auf die prozessuale Betrachtung der Fertigungskette wurden mit denselben seriennahen Werkzeugen die Einflussgrößen auf die Biegebeanspruchung untersucht und quantifiziert. Neben den prozessualen Einflussgrößen (z. B. Vorbeanspruchung des Außenblechs beim Tiefziehen) wurden zwei Aluminiumlegierungen und konstruktive Einflussgrößen (z. B. Nennblechdicke des Innenteils) mit betrachtet. Die experimentellen Versuche wurden mit einem statistischen Versuchsplan durchgeführt und ausgewertet. Die Ergebnisse zeigen sowohl für das Maschinen- als auch für das Rollfalzen, dass die Wahl des Blechwerkstoffs und die Nennblechdicken der eingesetzten Blechgüten den weitaus größten Teil der resultierenden Biegebeanspruchung vorherbestimmen. Die prozessualen Größen „Abstellradius“ und „Vorbeanspruchung“ bilden die wichtigsten fertigungstechnischen Einflussgrößen. Beim Maschinenfalzen kann die Biegebeanspruchung nur sehr gering durch die technologischen Parameter des Falzens (z. B. Falzkraft) beeinflusst werden. Beim Rollfalzen ist die Möglichkeit zur Einflussnahme etwas deutlicher ausgeprägt. Hier ist vor allem die Bahn der Falzrolle während des Vorfalzens entscheidend. Im Vergleich zur Beeinflussung der Biegebeanspruchung durch den Einzelteilprozess sind die Stellmöglichkeiten beim Falzen (Maschinen- und Rollfalzen) als gering zu bewerten. Die experimentellen Untersuchungen dienten neben der Ermittlung der Biegebeanspruchung auch der Ermittlung der dimensionalen Eigenschaften der Falzschlaufe. Für die Bewertung der dimensionalen Eigenschaften werden charakteristische Merkmale, die einerseits messtechnisch erfassbar sind, andererseits die visuellen Eigenschaften der Falzschlaufe in Hinblick auf die Anmutung widerspiegeln, benötigt. Die Analyse der Querschnitte von Falzschlaufen aus Aluminium zeigte, dass die Kontur eines gefalzten Blechabschnitts nur unzureichend durch die Angabe eines Kreisradius beschrieben wird. Deutlich bessere Approximationen wurden mithilfe von Ellipsen erzielt. Für die Bewertung der dimensionalen Eigenschaften wurde eine Ellipse gewählt, deren Hauptachsen die sichtbare Schlaufenlänge und die sichtbare Schlaufentiefe bilden. Die Kontur des Falzes wird auf diese Weise zu ca. 97 % genau wiedergegeben. Analog zu den experimentellen Untersuchungen zur Biegebeanspruchung wurde die schrittweise Entwicklung der Falzgeometrie innerhalb der Fertigungskette betrachtet. Dabei zeigt sich, dass beim Maschinenfalzen die sichtbare Schlaufenlänge und -tiefe prinzipiell zunächst bis zum Vorfalzen größer werden, bevor beim Fertigfalzen die endgültige Schlaufenform erzeugt wird. Im Gegensatz dazu findet beim Rollfalzen eine kontinuierlich fortschreitende Reduktion der sichtbaren Schlaufenlänge und -tiefe statt. Vergleichbar zu den Betrachtungen der Einflussgrößen auf die Biegebeanspruchung beim Falzen kann für die dimensionale Ausführung festgestellt werden, dass die Einzelteilherstellung die finale Schlaufenform maßgeblich vorbestimmt. Bei beiden Fertigungstechnologien beträgt der Einfluss zwischen 80 - 90 %. Nur ein vergleichsweise geringer Teil der Schlaufengeometrie wird durch das eigentliche Falzen im Karosserierohbau bestimmt. Nachdem die Herstellbarkeit der Falzverbindung experimentell untersucht wurde, stand in den folgenden Untersuchungen die Ermittlung der Anmutungsqualität im Fokus. In einer Feldstudie wurden zunächst die Falzschlaufen an heutigen Premiumfahrzeugen unterschiedlicher Marken gemessen. Diese Messwerte dienten als Ausgangspunkt für eine theoretische Betrachtung von Fugenmerkmalen und einer Probandenbefragung zur Ermittlung von Einflussgrößen auf die wahrgenommene Anmutungsqualität von Falzschlaufen. Im Rahmen der theoretischen Untersuchung wurde angenommen, dass die Wahrnehmung der Fugengeometrie nicht ausschließlich durch die geometrische Fugenbreite. sondern auch durch die angrenzenden Bauteilgeometrien. bestimmt wird. Die wahrnehmbare Fugenbreite wird demnach durch den Helligkeitsverlauf quer zur Fugenrichtung beeinflusst. Als Haupteinflussgrößen auf diese Helligkeitsverteilung und die wahrnehmbare Fugenbreite wurden die geometrische Fugenbreite, die sichtbare Schlaufenlänge der Falzschlaufe, der Blickwinkel des Betrachters, die Asymmetrie der Fugen und der Lichteinfallswinkel identifiziert. Für die quantitative Erhebung der Anmutungsqualität wurde ein Fragebogen erstellt, der von der Probandengruppe bearbeitet wurde. Um sicherzustellen, dass die Probanden eine Gruppe von Kunden von Premiumfahrzeugen widerspiegeln, wurde anhand von Kontrollfragen am Beginn des Fragebogens eine Klassifizierung der Teilnehmer vorgenommen. Im Vergleich mit bekannten Merkmalen von Kunden im Premiumsegment wurde festgestellt, dass die durch gezielte Auswahl und anschließendes Schnellballverfahren bestimmten Probanden diese Gruppe repräsentieren. Im Hauptteil des Fragebogens wurden den Teilnehmern Darstellungen von Fugensituationen mit unterschiedlichen geometrischen Merkmalen vorgelegt, die von den Probanden verglichen und bewertet wurden. Die vorgelegten Fugensituationen unterschieden sich in jeweils einem Merkmal und stellten somit einen einfachen statistischen Versuchsplan zur Untersuchung von Einflussgrößen dar. Die Auswertung der Umfrageergebnisse zeigt, dass die Fugenbreite und der Falzradius an der Fuge die signifikantesten Einflussgrößen auf die empfundene Fugenqualität darstellen. Die Signifikanz der Einflussfaktoren und deren Rangfolge in der Bewertung stimmen mit den Ergebnissen der theoretischen Studien zur wahrnehmbaren Fugenbreite überein. Anhand der experimentellen und theoretischen Untersuchungsergebnisse zu den Einflussparametern auf die Herstellbarkeit und die Anmutungsqualität von Falzschlaufen beim Maschinen- und Rollfalzen, können die Anmutungsqualität und die Herstellbarkeit in Abhängigkeit der Prozessgrößen (z. B. Vorfalzwinkel) angegeben werden. Durch die Kombination beider Prognosemodelle wird das Hemming Quality Diagram gebildet, das beide Zielgrößen prognostizieren kann. Für die Validierung des HQD wurde ein Serienbauteil aus Aluminium verwendet (Vordertür). Zunächst erfolgte die Prognose der Biegebeanspruchung und der Anmutung anhand von vorgegebenen Prozessgrößen (z. B. Schätzung der Vordehnung aus Vorgängerprojekt), anschließend wurden die dimensionalen Schlaufeneigenschaften sowie die Biegebeanspruchung am Bauteil gemessen. Hierzu wurden die optischer Formänderungsanalyse und die Schliffbildanalyse eingesetzt. Der Vergleich der gemessenen Werte mit den vorhergesagten Prognosewerten zeigte nur geringste Abweichungen. Abschließend lässt sich festhalten, dass mit dieser Arbeit eine Methode zur Prognostizierung der Anmutungsqualität von Falzschlaufen sowie der auftretenden, werkstofflichen Beanspruchungen bei deren Herstellung dargelegt wurde. Diese übergreifende, d. h. über die technologischen Gesichtspunkte hinausgehende, Bewertung von Falzprozessen basiert auf technologischen Versuchen mit Serienwerkstoffen und technologieunabhängigen Kundenbefragungen. Die Anwendung der Methode wurde im Rahmen dieser Arbeit an einem Serienbauteil aufgezeigt. Für die Auslegung zukünftiger Falzprozesse bietet sich somit die Möglichkeit diese sowohl im Hinblick auf die Herstellbarkeit, als auch im Hinblick auf die Anmutungsqualität der Falzverbindung zu gestalten.
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