Laser assisted strategies for the manufacturing of property-enhanced Tailor Heat Treated Blanks
Final Report Abstract
Hochfeste Aluminiumlegierungen zählen im Bereich der Luft- und Raumfahrt sowie im Automobilbau zu einer bereits eingesetzten Werkstoffgruppe, welche in Bezug auf den Leichtbau in den letzten Jahren immer stärken in den Fokus der Forschung gerückt ist. Im Bereich der Massenproduktion dominiert bereits seit vielen Jahrzehnten die Blechumformung als etabliertes und effizienten Umformverfahren. Bislang ist der Einsatz von hochfesten Aluminiumlegierungen allerdings begrenzt, da diese ohne zusätzliche Behandlung lediglich eine begrenzte Formgebungsfreiheit besitzen und dadurch nur bedingt umgeformt werden können. Thermisch unterstützte Verfahren haben bereits in der Vergangenheit gezeigt, dass sie die Formgebungsgrenzen von Aluminiumlegierungen signifikant verbessern können. Der Einsatz von Blechhalbzeugen mit maßgeschneiderten Eigenschaften durch eine thermische Vorbehandlung (engl. Tailor Heat Treated Blanks) ist eine Möglichkeit die Formgebungsgrenzen von Aluminiumlegierungen zu steigern. Dabei werden die Halbzeuge vor dem Umformprozess lokal wärmebehandelt und dadurch die Formgebungsgrenzen im anschließenden Kaltumformprozess signifikant gesteigert. Die lokale Laserwärmebehandlung mittels Laserstrahlung hat sich dabei als sehr flexible und schnelle Wärmebehandlungsmethode herausgestellt. Bislang ist der flächendeckende Einsatz von lokal laserwärmebehandelten Blechhalbzeugen allerdings stark begrenzt. Zum einen limitiert die notwendige Oberflächenbehandlung der Blechhalbzeuge zur ausreichenden Absorption der Laserstrahlung den industriellen Einsatz dieser Technologie. Zum anderen entsteht bei der lokalen Laserwärmebehandlung unerwünschter, thermischer Bauteilverzug, welcher das automatisierte Handling der Halbzeuge stark limitiert. In diesem Zusammenhang wurde im Projekt der Einfluss von unterschiedlichen Bestrahlungskonzepten auf das resultierenden Verzugsverhalten sowie die mechanischen Eigenschaften untersucht. Hierfür wurde sowohl numerisch als auch experimentell das Verzugsverhalten untersucht. Für die Projektbearbeitung wurde ein kombiniert numerisch-experimenteller Ansatz gewählt. Zunächst wurden mithilfe von Charakterisierungsversuchen die mechanischen Eigenschaften des ausgewählten Blechwerkstoffs untersucht. Hierzu wurden sowohl die Werkstoffeigenschaften während, als auch nach einer Wärmebehandlung ermittelt und gegenübergestellt. Es zeigte sich, dass die mechanischen Eigenschaften der hochfesten Aluminiumlegierung AA7075 stark von der Temperatur sowie der Verweilzeit zwischen Wärmebehandlung und Werkstoffprüfung abhängig ist. Anschließend wurden die mechanischen Werkstoffeigenschaften auf eine thermomechanisch gekoppelte Simulation übertragen. Zur Implementierung des Laserstrahls wurde hierbei eine Wärmequelle mir variabler Spotgeometrie verwendet. Der einzubringende Wärmestrom wurde mithilfe experimentell ermittelter Leistungskurven in die Simulation ergänzt. Dabei stellte sich heraus, dass die bewegte Laserquelle mit einem Wirkungsgrad von ca. 70% in die Simulation zu implementieren ist. Anschließend wurde der Einfluss unterschiedlicher Bestrahlungsstrategien auf das Verzugsverhalten von miniaturisierten Blechhalbzeugen untersucht. Die Ergebnisse zeigten, dass die Bestrahlungsparameter einen großen Einfluss auf den resultierenden Bauteilverzug haben. So konnte nachgewiesen werden, dass nicht-kontinuierliche, punktuelle Bestrahlungen gegenüber linearen, kontinuierlichen Bestrahlungen steht’s zu geringeren Verzugswinkeln führen. Zudem konnte gezeigt werden, dass bei punktuellen Bestrahlungen geringere Temperaturabweichungen gegenüber dynamischen Bestrahlungsstrategien resultieren. Die Übertragung ausgewählter Bestrahlungsstrategien auf großvolumige Bauteile zeigte ein identisches Verhalten. Jedoch ergab sich unerwarteter weise, dass das Grenzformänderungsverhalten bei punktuell bestrahlten Bauteilen geringer als bei kontinuierlich bestrahlten Bauteilen ausfällt. Eine Untersuchung des resultierenden Dehnungsverlaufs verdeutlichte, dass eine nicht ausreichende Erwärmung der Proben zu versagenskritischen Bereichen, welche rissinitiierend wirken, führen kann.
Publications
- Experimental investigation of distortion behavior of laser heat treated blanks, Procedia CIRP, 94, 557-560 (2020)
Rigas, N.; Merklein, M.
(See online at https://doi.org/10.1016/j.procir.2020.09.074) - Numerical and experimental investigations for distortionreduced laser heat treatment of aluminum, Production Engineering: Research and Development (2021)
Rigas, N.; Merklein, M.
(See online at https://doi.org/10.1007/s11740-021-01029-3)
