Die Design-Software hilft bei der Optimierung der Energieabsorption und der Gewichtsziele

Werkzeugkonstruktionssoftware für den Leichtbau. Getty Images

GNS North America ist ein Tier-1-Lieferant von pressgehärtetem Stahl (PHS) oder heißumgeformtem Stahl. kaltgeprägte Komponenten; und geschweißte Baugruppen für die Automobilindustrie.

Das 1971 in Korea gegründete Unternehmen beschäftigt rund 550 Mitarbeiter und betreibt 16 aktive PHS-Prägelinien, 10 Kaltprägelinien sowie verschiedene Montage- und Schweißzellen. Die Werke befinden sich in Holland, Michigan, Canton, Michigan, und San Jose Iturbide, Mexiko.

Das Ingenieurteam von GNS North America stand vor Herausforderungen bei der Herstellung von Teilen, um Energieabsorptions- und Gewichtsziele zu erreichen.

Die täglichen Produktions- und Angebotsherausforderungen von GNS waren:

PHS-Teile. Bauteile werden immer komplexer, sowohl in ihrer Geometrie als auch aufgrund von Initiativen zur Gewichtseinsparung und Dickenreduzierung. Diese Kombination bringt einzigartige Herausforderungen für die Werkzeug- und Prozessentwicklung mit sich. Die Branche strebt ständig nach Gewichtseinsparungen und veranlasst GNS North America dazu, mehr Teile aus PHS oder Bor-Mangan-Stahl (see Heißgeprägte Stahl-Primer-Seitenleiste).

Durch das Heißprägen entstehen eigenspannungsfreie Bauteile mit hoher Streckgrenze und Zugfestigkeit. Aufgrund der resultierenden Härte müssen Loch- und Schlitzmerkmale sowie Beschnittkanten mit engen Toleranzen jedoch in einem sekundären Prozess lasergeschnitten werden, was teuer sein kann.

Maßgeschneiderte Rohlinge. Kunden verlangen außerdem Komponenten mit optimierter Energieabsorptionsleistung für Sicherheitsziele sowie Gewichtsziele. Diese Anforderungen haben dazu geführt, dass sich GNS-Designs zu Komponenten mit Multimaterialdicke und sogar Multimaterialtypen entwickelt haben. Drei derzeit verwendete Verfahren, die die Herstellung dieser maßgeschneiderten Designs ermöglichen, sind Tailor Welded Blanks, Tailor Rolled Blanks und Tailor Patch Blanks.

Tailor Welded Blanks (TWB) werden aus einzelnen Stahlblechen unterschiedlicher Dicke, Festigkeit und Beschichtung hergestellt, die durch Laserschweißen miteinander verbunden werden. Dieser Prozess positioniert das Material mit den richtigen Eigenschaften an den richtigen Stellen (siehe Abbildung 1).

Tailor Rolled Blanks (TRB) sind Bleche mit einem kontinuierlichen Übergang von einer Dicke zur anderen. Sie werden auf einem Kaltwalzwerk hergestellt.

Tailor Welded Blanks (TWB) werden aus einzelnen Stahlblechen unterschiedlicher Dicke, Festigkeit und Beschichtung hergestellt, die per Laser verschweißt werden. Durch diesen Prozess wird das Material mit den richtigen Eigenschaften an den richtigen Stellen positioniert. Bilder: AutoForm Engineering GmbH

Tailor Patch Blanks sind 2D-Rohlinge, die durch Anbringen kleinerer 2D-Rohlinge (Patches) durch Punkt- oder Laserschweißen lokal verstärkt werden (siehe Abbildung 2). Die Patches erzeugen Zonen mit zusätzlicher Dicke auf dem Rohling.

Sie erfordern ein einzigartiges Werkzeugdesign, eine einzigartige Schweißpunktpositionierung und Materialdickendeltas. Der Konstrukteur muss diese Dickenschwankung berücksichtigen und Übergangszonen in die Formhohlraumoberflächen modellieren, wo die Materialdicke von der doppelten Materialdicke zurück zur einfachen Materialdicke übergeht. Die Positionen der Schweißpunkte, mit denen die Flicken am Rohling befestigt werden, sind wichtig, um ein Versagen von Bauteilen sowie von Versagen der Schweißpunkte selbst zu verhindern.

Diese Herausforderungen machten Simulationstools erforderlich, die den Design- und Entwicklungsteams von GNS North America dabei helfen, die Formbarkeit von Bauteilen bei der Gestaltung des Prozesses und der Werkzeuge zuverlässig vorherzusagen.

Nach Wettbewerbsbewertungen entschied sich der Stanzhersteller für die Anmietung der AutoForm Simulation Software Suite als Werkzeug zur Prozessvorhersage. Dann konnte das Ingenieurteam die Formbarkeitsergebnisse schnell und genau berechnen. GNS nutzte die Simulationssoftware auch, um Mikroanpassungen an der Schließgeschwindigkeit der Presse vorzunehmen. Das Team hat auch die leeren Zierlinien geändert.

Erfahrene Bediener in der Anlage hatten eine geringe Lernkurve mit der Software. Wer mit der Software nicht vertraut war, erhielt eine umfassende Grundschulung, einige absolvierten eine Aufbauschulung für das Heißprägen.

Nachdem das Team das Simulationstool verstanden und Vertrauen in die Korrelation zwischen den physikalischen und den vorhergesagten Ergebnissen gewonnen hatte, lieferte die Software wertvolle Erkenntnisse für alle Vorgänge.

Das GNS North America-Team produziert in seinen Werken in Canton und San Jose Iturbide für einen nordamerikanischen OEM ein großvolumiges Karosseriebauteil. Das Team nutzte mehrere Tools aus der Simulationssoftware-Suite, um Probleme und Herausforderungen bei der Herstellung des Teils erfolgreich zu beseitigen.

Bei der Überprüfung der ersten Simulation konnten die Konstrukteure die vorhergesagte Verdickung und Verdünnung des geformten Bauteils erkennen. An diesem Punkt musste das Team Entscheidungen darüber treffen, wie der Prozess verbessert werden konnte – ob der Designprozess geändert werden musste, etwa durch das Hinzufügen eines Ordners und die Umstellung auf einen Zeichnungsprozess anstelle eines Crash-Formulars. Ein weiterer Ansatz, den das Team in Betracht zog, bestand darin, die Crash-Form- und Zeichnungsoptionen zu kombinieren, indem der Crash-Form Pads hinzugefügt wurden, um bestimmte Bereiche des Blechs zu kontrollieren und den Materialfluss entweder zu reduzieren oder zu fördern. Diese Anpassungen könnten schon früh im Designprozess vorgenommen werden.

Dies ist eine Darstellung eines maßgeschneiderten Patchwork-Rohlings.

Eliminierung des Lasertrimmens. Das Team leitete den Prozess ein, indem es die iterativen Funktionen der Software nutzte, um die Platzierung und das Timing der erforderlichen Blöcke und Ordner zu optimieren. Dieser iterative Ansatz ermöglichte die Durchführung mehrerer Simulationsversuche in schneller Folge.

Anschließend nutzte es die iterative Beschnittentwicklungsfunktion der Simulationssoftware, um das optimierte 2D-Rohlingprofil zu generieren, das der vom Kunden geforderten Beschnittkantentoleranz entspricht. Die Software analysierte die Blechgrenze, um sie am besten an die Zielgrenze anzupassen, und nahm automatische Anpassungen vor, um eine Endgrenze zu erreichen, die innerhalb der definierten Profiltoleranz lag. Diese Iterationsschleifen gaben dem Stempeler die Möglichkeit, die Verarbeitungseffizienz der Ausrüstung zu maximieren. Dadurch konnte auch ein größerer Teil des Teils vollständig entwickelt werden, sodass weniger Lasertrimmen erforderlich war. Der Hersteller gab diese Informationen dann an seine Kunden weiter, um seinen Wettbewerbsvorteil zu wahren.

GNS hat mithilfe der Software die Trimmlinien für die meisten Seitenaufprallträger entwickelt (sieheFigur 3).

In-die-Piercing. Während dieser Prozessoptimierungen erkannte das Team eine zusätzliche Möglichkeit, die In-Die-Pierce-Technologie zu integrieren. Diese Hardware erhöhte zwar die Komplexität des PHS-Gesenksatzes, ermöglichte jedoch das Hinzufügen der kritischen Bezugsloch- und Schlitzpositionierungsmerkmale während des Heißprägevorgangs und die Vermeidung des sekundären Laservorgangs.

Maßgeschneiderter Patch-Rohling. Darüber hinaus verlangte der OEM, dass das Bauteilgewicht minimiert wird und ein Rohling mit maßgeschneiderter Dicke verwendet wird. Dies hätte eine kostspielige Vorabentwicklung mit herkömmlichen Techniken erfordert. Das Team konnte jedoch seine Erfahrung mit der Simulationssoftware nutzen, um die Optimierung zu beschleunigen und die Kosten zu senken.

Das GNS-Team nutzte die Patch-Simulationsfunktionen der Software, um Patch-Blank-Punktschweißmuster zu erstellen. Auch die Punktschweißungen, mit denen die Flicken am Rohling befestigt werden, mussten bewertet werden, um sicherzustellen, dass ihre Platzierung den erforderlichen Materialfluss nicht stört oder während des Umformprozesses bricht. Um die Simulation einzurichten, definierte das Team die Anzahl und Position der Schweißpunkte. Die Ergebnisse dieser ersten Einrichtung gaben dem Team die Möglichkeit, die Normal- und Tangentialkräfte zu visualisieren, die während des Umformprozesses auf jeden Schweißpunkt ausgeübt wurden. Diese Analyseergebnisse führten das Team dazu, Fehler in der Grenzflächenschweißung vorherzusagen und das Punktschweißmuster zu überarbeiten, um den unerwünschten Zustand zu beseitigen.

Die grafische Benutzeroberfläche der Software gab dem Hersteller Zeit, mehrere Simulationen schnell zu planen und zu verarbeiten, die Bearbeitung großer RFQs zu unterstützen, anspruchsvollere Komponenten zu untersuchen und zu verfeinern sowie Rohlingsprofile zu entwickeln. Mit dem AutoForm-ThermoSolver konnte das Team die Ausdehnung erkennen, die durch das Erhitzen der 22MnB5-Materialrohlinge verursacht wurde. Es könnte die Auswirkungen der Transferzeit auf die erhitzten Rohlinge vom Ofen zum Werkzeug untersuchen und dabei die Einhaltung des kontinuierlichen Kühltransformationsphasendiagramms, der Pressformung und der Abschreckgeschwindigkeiten berücksichtigen. Alle diese Tools lieferten dem Team Informationen, die es zur Optimierung seines Prozesses im Hinblick auf effizientere Zykluszeiten nutzen konnte.

Mithilfe der iterativen Optimierungsfunktionen der Simulationssoftware-Suite kann GNS North America jetzt entwickelte Schnittkanten und Löcher gemäß den ursprünglichen Kundenqualitätsanforderungen von 80 % oder mehr für die ersten Treffer und Abnahmen erreichen, um die anfänglichen Materialbedarfsdaten sowohl an den Seitenaufprallträgern als auch an der Karosserie zu unterstützen. In-White-Komponenten. Dies spart sowohl Zeit als auch Geld im Zusammenhang mit teuren sekundären Laseroperationen, die das Unternehmen an seine Kunden weitergeben kann.

Warmumformteile werden aus presshärtbarem Stahl (PHS) geformt. Das PHS enthält 0,001 % bis 0,005 % Borkohlenstoff/Mangan. Es ist am häufigsten als 22MnB5 bekannt.

Allgemeines Bild eines Seitenaufprallträgers mit einem Hutabschnitt. Beachten Sie, dass das Teil über eine vollständig entwickelte Außenumfangsverkleidung sowie Loch- und Schlitzmerkmale verfügt.

Das vorverarbeitete Material weist ähnliche mechanische Eigenschaften wie die weit verbreiteten HSLA-Stähle 300 und 340 auf, mit einer Zugfestigkeit von etwa 400 MPa und 600 MPa für 1500-Stähle. Bei der thermomechanischen Bearbeitung des 22MnB5 verändert sich jedoch seine Mikrostruktur, was zu einer martensitischen Mikrostruktur führt. Diese Änderung wird allgemein als Phasenumwandlung bezeichnet.

Beim Prozess wird der Stahl zunächst auf etwa 950 Grad Celsius erhitzt und dann mit Roboter-Endarmwerkzeugen vom Ofen zur Matrize und zur Presse transportiert. Sobald die Rohlinge richtig in den Hohlräumen der Matrize positioniert sind, läuft die Presse weiter und die obere Matrizenhälfte schließt sich an die untere Matrizenhälfte, um dem Teil seine endgültige Form zu geben und zu verweilen, während spezielle Wasserkühlkanäle in den Matrizenformen die Wärme schnell abführen aus den Rohlingen (vglBild 1).

Die Kombination aus hoher Temperatur und schneller Abkühlung verwandelt das Material in ein 100 % martensitisches Teil, das eine Zugfestigkeit von bis zu 2.000 MPa aufweisen kann. Wenn dies alles präzise durchgeführt wird, können Teile mit einer Toleranz von 100 % und ohne Rückfederung hergestellt werden.

Bild 2 zeigt die Zugfestigkeit und Dehnung des fertigen martensitischen Stahls im Vergleich zu anderen Stählen, um die Unterschiede visuell zu veranschaulichen. Dies geschieht, um Gewichtsziele zu erreichen und gleichzeitig hochfeste mechanische Eigenschaften für die Gesamtleistung beizubehalten. Dieses einzigartige Materialverhalten ist entscheidend für die Gewichtsreduzierung von Sicherheitskäfigen, A- und B-Säulen.

Dieser einzigartige Stahl wird seit den frühen 1980er Jahren, beginnend bei Volvo, in Automobilanwendungen verwendet und ist weiterhin ein bevorzugtes Material für Aufprall- und Rohkarosseriekomponenten und -unterbaugruppen in Automobilen.