In dieser Arbeit wird die Berechenbarkeit des Deformationsverhaltens von Aluminiumaußenhautbauteilen in einem für die Automobilindustrie typischen Lacktrocknungsprozess um den irreversiblen Kriecheffekt erweitert. Untersucht wird dabei die in Europa oft für Außenhautbauteile eingesetzte Legierung AA6016 mit Hilfe von Zug- und Biegetests, aus denen ein geeignetes Werkstoffmodell für die numerische Simulation abgeleitet wird. Dabei wird auch der Einfluss des Umformgrades im Blechbauteil aus dem Herstellprozess untersucht und bewertet. Die seriennahe Validierung des Werkstoffmodells findet anhand einer eigens ausgelegten Baugruppe statt, die nach dem Wärmeprozess optisch sichtbare Formabweichungen aufweist. Mittels optischer Messungen wird die Baugruppe dabei vor, im und nach dem Wärmeprozess analysiert und die berechneten Formänderungen validiert. Im Ergebnis kann mit dem Werkstoffmodell die Auswirkung thermisch induzierter Spannungen unterhalb der klassischen Streckgrenze auf die Formänderung von Aluminiumblech in der frühen Produktentwicklungsphase prognostiziert werden. / In this work, the computability of the deformation behaviour of aluminium car body panels in a typical automotive paint drying process is enhanced by the irreversible creep effect. The alloy AA6016, which is often used in Europe for aluminium car body panels, is examined with the aid of tensile and bending tests from which a suitable material model for numerical simulation is derived. The influence of the plastic deformation in the sheet metal component due to the manufacturing process is also examined and evaluated. The near-series validation of the material model takes place on the basis of a specially designed assembly which shows optically visible shape deviations after the heating process. Using optical measurements, the assembly is analyzed before, during and after the heating process and the calculated shape changes are validated. As a result, the material model can be used to predict the effect of thermally induced stresses below the classic yield strength on the deformation of aluminium sheet in the early product development phase.

The research in this report seeks to develop a highly flexible geometry station for joining futureBody-in-White (BiW) assemblies. The goal is to eliminate the need for a complete reconstructionof a production line during integration of new car bodies in a contemporary production.Today's BiW production is performed in sequential lines, where joining equipment is arranged ina specific order for each model geometry. An increasing model portfolio forces manufacturers todevelop production systems that allow an integration of new models. Electrified alternatives ofexisting models are now developed and put into production. These models have similarappearance as conventional models, but with a completely different principle of driveline due tothe propulsion. This means that new interfaces and platforms have to be developed and mustnow be integrated into a current production. Today's production lines are not prepared forcoming changes, and current stations can only handle a limited number of variants. Integration ofnew geometries into a contemporary production line is not sufficiently efficient from aproduction perspective. The goal of the future is to make such an integration possible.Initially, current and future production scenarios were studied. Based on this, four types ofproduction scenarios, which a highly flexible geometry station can be integrated into, were set up.An integration can take place in different ways depending on how a highly flexible geometrystation is compounded, therefore, different cases were created and compared in a case study.Internal and external benchmarking of production systems were made to compare the availablesolutions for increasing stations flexibility in a BiW production.As reference for the project, a concept for a highly flexible geometry station has been developedand is therefore described initially before an additional depth has been realized. The furtherconceptualization of a highly flexible geometry in this report is presented in the form of amorphological composition of technologies that can increase a station's flexibility, as well asvisualization of a station principles through layouts and cycle time charts. The result of theanalysis generated several concepts that hold different degrees of capacity, footprint andflexibility. The focus was to achieve a high level of flexibility for integration of new models, withnew geometries, in a current production. The conclusion was that the highly flexible geometrystation can, in a contemporary production, produce independently in low volumes. Alternatively,produce higher volumes when it is integrated as a complement in a novel, not yet implemented,production concept. / Forskningen i denna rapport syftar till att utveckla en högflexibel geometristation för fogning avkommande Body-in-White-karosser (BiW). Målet är att eliminera behovet av en fullständigrekonstruktion av en produktionslinje under integrering av nya bilar i en samtida produktion.Dagens BiW-produktion sker i sekventiella liner, där fogningsutrustning är arrangerad i enspecifik ordning för respektive modellgeometri. Ett ökande antal modellalternativ drivertillverkare till att utveckla produktionskoncept som möjliggör integration av nya modeller.Elektrificerande alternativ till befintliga modeller utvecklas kontinuerligt. Dessa modeller ärutseendemässigt lika de konventionella modellerna, men med en helt annan princip för drivlina.Det innebär att nya gränssnitt och plattformar har tagits fram och måste nu integreras i ennuvarande produktion. Dagens produktionslinjer är inte förberedda för kommande förändringaroch nuvarande geometristationer kan endast hantera ett begränsat antal karosstyper. Integrationav nya karosstyper i en befintlig produktionslinje är inte är tillräckligt effektivt ur ettproduktionsperspektiv. Framtidens mål är att göra en sådan integration möjlig.Inledningsvis studerades nuvarande- och kommande produktionsscenarion. Utifrån det beskrevsfyra produktionstyper, vilket en högflexibel geometristation kan komma att integreras i. Enintegration kan ske på olika vis beroende på hur en högflexibel geometristation tillämpas, därförjämfördes olika fall av det i en Case-studie. En intern och extern benchmarking avproduktionssystem gjordes för att jämföra de lösningar som finns för att öka flexibiliteten i enBiW-produktion.Som referensunderlag till projektet har ett koncept för en högflexibel geometristation tagits framoch är beskrivet inledningsvis innan en ytterligare fördjupning har realiserats.Konceptualiseringen av en högflexibel geometristation i denna rapport är presenterad i form aven morfologisk sammansättning av teknologier som kan öka en stations flexibilitet, samtvisualisering av en principiell station genom layouter och cykeltidsdiagram. Resultatet av analysengenererade flera koncept som innehar olika grad av kapacitet, fabriksyta och flexibilitet. Fokus varatt uppnå en hög flexibilitetsnivå för integration av nya modeller, med nya geometrier, i ennuvarande produktion. Slutsatsen var att den högflexibla geometristationen kan, i en nutidaproduktion, producera självständigt i låga volymer. Alternativt producera högre volymer då denintegreras som ett komplement till ett ännu inte implementerat nytt produktionskoncept. / Die Forschung in diesem Bericht zielt darauf ab, eine hochflexible Geometrie-Station für das Fügen zukünftiger Rohbau-Baugruppen zu entwickeln. Das Ziel ist es, die Notwendigkeit einer vollständigen Rekonstruktion einer Produktionslinie während der Integration neuer Karosserien in einer modernen Produktion zu beseitigen. Die heutige Rohbau Produktion wird in sequenziellen Linien durchgeführt, wobei die einzelnen Fügeverfahren in einer bestimmten Reihenfolge, angepasst an die jeweilige Modellgeometrie, angeordnet sind. Ein zunehmendes Modellportfolio zwingt die Automobilhersteller zur Entwicklung von Produktionssystemen, die eine Integration neuer Modelle ermöglichen. Elektrifizierte Varianten bestehender Fahrzeugmodelle werden nun entwickelt und in Produktion gebracht. Diese Modelle haben ein ähnliches Erscheinungsbild wie herkömmliche Modelle, jedoch mit einem stark veränderten Antriebskonzept. Dies bedeutet, dass neue Schnittstellen und Plattformen entwickelt wurden und nun in eine aktuelle Produktion integriert werden müssen. Heutige Produktionslinien sind nicht auf kommende Änderungen vorbereitet und können nur eine begrenzte Anzahl von Varianten handhaben. Die Integration neuer Geometrien in eine moderne Produktionslinie ist aus Produktionssicht nicht effizient, aber soll in Zukunft das Ziel sein. Zunächst wurden aktuelle und zukünftige Produktionsszenarien untersucht. Darauf aufbauend wurden vier Arten von Produktionsszenarien erarbeitet, in die eine hochflexible Geometriestation integriert werden kann. Je nach Aufbau der Geostation kann eine Integration auf unterschiedliche Art und Weise erfolgen. Daher wurden in einer Fallstudie unterschiedliche Fälle erstellt und verglichen. Ein Benchmarking mit internen und externen Produktionssystemen wurde durchgeführt, um eine größtmöglichste Flexibilität der Stationen in einer Rohbau Produktion zu erzielen. Als Referenz für das Projekt wurde ein Konzept für eine hochflexible Geometriestation entwickelt und im Rahmen der Thesis dokumentiert, bevor eine zusätzliche Tiefe realisiert wurde. Die weitere Konzeptionierung einer hochflexiblen Geometrie-Station wird in Form einer morphologischen Zusammensetzung von Technologien präsentiert. Dieser kann die Flexibilität einer Station erhöhen und zudem die Visualisierung von Stationsprinzipien, beispielsweise durch Layouts oder Zykluszeitdiagramme, fördern. Das Ergebnis der Analyse erzeugte mehrere vi Konzepte, die unterschiedliche Grade an Kapazität, Grundfläche und Flexibilität beinhalteten. Der Fokus lag auf einer hohen Flexibilität bei der Integration neuer Modelle mit neuen Geometrien in einer aktuellen Produktion. Die Schlussfolgerung war, dass die hochflexible Geometriestation in einer zeitgemäßen Produktion in kleinen Stückzahlen produzieren kann. Alternativ ist die Geo-Station auch als Bestandteil eines noch umzusetzenden Produktionskonzepts integrierbar.

Der Karosseriebau stellt einen der bedeutendsten Schritte in der Wertschöpfungskette moderner Fahrzeuge dar. Der Einsatz unterschiedlicher Werkstoffe sowie Ausführungen derzeitiger Fahrzeugkarosserien führt zu neuen Karosseriekonzepten wie dem Multi-Material-Design. Die spezifischen Eigenschaften einzelner Werkstoffe stellen jedoch insbesondere für die Fügetechnik neue Herausforderungen dar. Dementsprechend steigt die Vielfalt der zur Auswahl stehenden Fügetechnologien zum Verbinden der Werkstoffkombinationen. Die Auswahl der einzusetzenden Fügetechnologie basiert grundsätzlich auf den Erfahrungen der Produktentwicklung. Wissenschaftliche Ansätze beschränken sich im Rahmen des Auswahlprozesses von Fügetechnologien oftmals auf die ökonomische Bewertung für einzelne Fügepunkte. Ein integrierter Bewertungsansatz, welcher bereits während der Festlegung von Werkstoff und Konstruktion die Aspekte der Fügetechnik hinsichtlich ökonomischer, ökologischer sowie technologischer Faktoren für eine gesamte Baugruppe umfasst, existiert bisher nicht. Aufgrund der Intransparenz hinsichtlich monetärer und nicht-monetärer Eigenschaften der jeweiligen Fügetechnologie sowie der zunehmenden Entscheidungskomplexität leitet sich der Bedarf nach einer methodischen Unterstützung des Auswahlprozesses ab. Ziel der Forschung ist es, durch die Entwicklung einer multidimensionalen Auswahlmethodik eine optimierte Entscheidungsfindung in der Karosserieentwicklung zu ermöglichen. / The car body shop has become one of the most significant steps in the automobile value chain nowadays. The usage of a variety of different materials and configurations of current vehicle bodies in lightweight construction leads to new body concepts such as the multi-material design. However, the specific properties of individual materials lead to new challenges, especially in the joining technology where existing technologies face numerous restrictions. Therefore, new joining processes are required, which also results in an increased diversity of joining technologies and complexity of the decision-making. To date, the selection of a joining technology for a component is mostly based on the experience of the product development. The selection process of extant scientific approaches, however, is often limited to the economic assessment of joining technologies for individual joints. An integrated assessment approach, which already includes the aspects of joining technologies with regards to economic, ecological and technological factors for an entire assembly during the definition of material and design, does not exist. Due to the non-transparency of the overall monetary and non-monetary impact of the respective joining technology, the need for a methodological support for the selection process is derived. An essential part of this research work is the development of a multidimensional selection methodology to allow an optimized decision-making in the early stage of car body development.

Das Laserstrahlschweißen im Karosseriebau ist zu einem konventionellen Fügeverfahren geworden. Dies gilt unabhängig von der Art der Strahlquelle, der Strahlführung und für die gesamte Sicherheits-, Steuerungs-, Automatisierungs- und Vorrichtungstechnik. Mehr und mehr Baugruppen sind speziell für die Laserverfahren konstruiert, nutzen deren spezifischen Eigenschaften gezielt aus und können nicht mehr mit anderen Fügeverfahren hergestellt werden. Unterschiedliche Schweißnaht-Merkmale sind nicht durch die Lasertechnik verursacht, sondern zumeist in ungünstigen Spannbedingungen oder Bauteil-, Werkstoff- oder Beschichtungsabweichungen begründet. Trotz der hohen Präzision aller Fertigungskomponenten treten durch die Sensibilität des Fügeprozesses bedingte systematische und stochastische Nahtunregelmäßigkeiten auf. Systematisch erkennbare Ursachen sind die wenigen hundertstel bis zehntel Millimeter Bauteilgeometrie-, Positions- oder Beschichtungsabweichungen bzw. Toleranzen, deren umfassende Beherrschung noch aussteht. Unabhängig davon treten scheinbar zufällige Unregelmäßig-keiten trotz allseits optimaler Bedingungen auf. Im Ergebnis dieser Arbeit wurde eine Methode entwickelt, um aus Prozesssignalen mit einer erstaunlich einfachen Vorgehensweise entstandene Schweißnahtmerkmale zu prognostizieren. Die Merkmalseinteilung lehnt sich an der maßgeblichen Prüfvorschrift an und erreicht schon in dieser frühen Entwicklungsphase einen guten bis sehr guten Bewertungsgrad. Begründet und untermauert wird diese Methode mit der Erweiterung der bestehenden Modellvorstellung zur Laserstrahl-(Stahl)Werkstoff-Wechselwirkung vom Einschweißen zum Ver-schweißen der Nahtform I-Naht am 2-Blech Überlappstoß verzinkter Bleche. Die Vorgänge im Schweißprozess für jedes prognostizierbare Nahtmerkmal sind skizziert, begründet und mit den Prozessemissionen in Zusammenhang gebracht.:1 Einleitung .............................................................................................................................. 1 2 Stand der Technik .................................................................................................................. 3 2.1 Laserstrahlen im Karosseriebau...........................................................................................3 2.1.1 Laseranwendungen im Karosseriebau bei Volkswagen ................................................... 5 2.1.2 Golf, Passat, Phaeton und Bentley Fertigung bei Volkswagen Sachsen ........................... 6 2.1.3 Prozessbesonderheiten beim Laserstrahlschweißen im Karosseriebau ........................... 9 2.1.4 Entwicklungstendenzen der Laseranwendung im Karosseriebau ................................... 11 2.2 Qualitätssicherungsmethoden für Laserfügeverbindungen im Karosseriebau ................. 14 2.2.1 Offline Prüfung .............................................................................................................. 14 2.2.2 Inline Prüfung................................................................................................................ 19 2.2.3 Prozessüberwachung beim Laserstrahlschweißen ....................................................... 23 3 Nahteigenschaften ............................................................................................................. 27 3.1 Übersicht der Nahtunregelmäßigkeiten ........................................................................... 27 3.2 Einflüsse auf Nahteigenschaften ......................................................................................27 3.3 Thermische Verformung, Schrumpfung, Eigenspannungen, Verzug ................................. 30 4 Problemstellung, Zielsetzung und Systematik zur Lösungsfindung .................................. 32 4.1 Problemstellung............................................................................................................... 32 4.2 Zielsetzung ..................................................................................................................... 33 4.3 Systematik zur Lösungsfindung ........................................................................................33 5 Durchgeführte Untersuchungen ......................................................................................... 34 5.1 Basistechnik .....................................................................................................................34 5.1.1 Laserstrahlquelle .......................................................................................................... 34 5.1.2 Bearbeitungswerkzeug und Sensoren ...........................................................................34 5.1.3 Kamera ...........................................................................................................................36 5.1.4 Spektrale Einordnung und Sichtbereiche der Sensoren ..................................................38 5.1.5 Laserzelle und Roboter.....................................................................................................40 5.2 Inprozess Untersuchungen – Schwerpunkt Photodetektoren ........................................... 40 5.2.1 Analyse Toleranzbandmethode ........................................................................................ 40 5.2.2 Statistische Analyse von Einflussgrößen............................................................................................. 43 5.2.3 Einzelanalyse der Einflussgröße Spalt ................................................................................................ 49 5.2.4 Spaltverträglichkeit dünner Strukturbleche ......................................................................................... 52 5.2.5 Einführung der MILLIMETERPEGEL ..................................................................................................... 54 5.3 Inprozess Untersuchungen – Schwerpunkt Prozessbildbewertung .................................... 58 5.3.1 Analyse LWM-C ................................................................................................................................. 58 5.3.2 Messung der Dampfkapillare und der Schmelzbadlänge ..................................................................... 70 5.3.3 Off-axis Prozessbeobachtung ............................................................................................................... 71 5.3.4 Charakterisierung der Durchschweißung ............................................................................................. 72 5.3.5 Auslegung geeigneter Schweißprozessbeleuchtung ............................................................................. 75 5.3.6 Koaxiale und off-axis Beobachtungen ................................................................................................. 79 6 Nahteigenschafts-Bewertungsmethode ............................................................................... 86 6.1 Vorgehensweise ........................................................................................................................86 6.2 Durchgangslöcher, Poren, Endkrater ....................................................................................95 6.3 Aussagesicherheit .....................................................................................................................95 7 Modellbildung ...................................................................................................................... 97 7.1 Anfang und Ende der Schweißnaht ........................................................................................98 7.2 Nahtmerkmal „Spritzer“ (0-Spaltschweißen) .......................................................................99 7.3 Nahtmerkmal „In Ordnung“ ................................................................................................102 7.4 Nahtmerkmal „Geringer Nahtein- bzw. Wurzelrückfall“ .................................................104 7.5 Nahtmerkmal „Starker Nahtein- bzw. Wurzelrückfall“ ....................................................106 7.6 Nahtmerkmal „Oben geschnitten“ .......................................................................................108 7.7 Nahtmerkmal „Falscher Freund“ (nicht verschweißt) .......................................................110 8 Zusammenfassung und Ausblick ...................................................................................... 112 9 Verzeichnisse ...................................................................................................................... 115 9.1 Literatur .................................................................................................................................115 9.2 Normen ...................................................................................................................................124 9.3 Abkürzungen ..........................................................................................................................125 9.4 Formelzeichen .........................................................................................................................127 9.5 Abbildungen ...........................................................................................................................127 10 Anlagen ............................................................................................................................... 132 10.1 Nahtunregelmäßigkeiten an Laserschweißnähten ..............................................................132 10.2 Sensor-Fehler-Übersicht ........................................................................................................137 10.3 Fehler-Ursachen-Parameter ..................................................................................................139 10.4 Arbeitsplan – Versuchsabfolge und Resultate .....................................................................141 / The laser welding in the car body shop has become a conventional joining process. This is independent from the type of the laser beam source, the course of the radiation and for the complete safety-, control-, automation- and equipment-technology. More and more modules are especially designed for the laser procedure, use their specific characteristics and cannot be produced by any other joining processes. Different characteristics of welds are not caused by the laser technique, but mostly due to unfavourable clamping conditions or because of tolerances of parts, material or coating. Despite the big precision of all production components, systematic and stochastic welding imperfections appear due to the sensibility of the joining process. Systematically identifiable causes are the deviations or tolerances of a few hundredths to tenths of a millimetre concerning the component’s geometry, positions and coatings, whose complete control is still due. Independent from that appear seemingly random irregularities, despite the well-optimal conditions. In result to this work, a method for pre-calculating welding characteristics through an amazingly simple approach was developed. The classification is based on the test specification and achieved even at this early stage of development a good or very good rating level. This method is justified and supported through the addition of the already existing image of the model to the laser/material interaction; from weld-in to the weld-together of square butt form- seams on 2 zinc coated sheets lap joint. The transactions within the welding process for each pre-calculated seam-characteristic are outlined, justified and related to the process emissions in context.:1 Einleitung .............................................................................................................................. 1 2 Stand der Technik .................................................................................................................. 3 2.1 Laserstrahlen im Karosseriebau...........................................................................................3 2.1.1 Laseranwendungen im Karosseriebau bei Volkswagen ................................................... 5 2.1.2 Golf, Passat, Phaeton und Bentley Fertigung bei Volkswagen Sachsen ........................... 6 2.1.3 Prozessbesonderheiten beim Laserstrahlschweißen im Karosseriebau ........................... 9 2.1.4 Entwicklungstendenzen der Laseranwendung im Karosseriebau ................................... 11 2.2 Qualitätssicherungsmethoden für Laserfügeverbindungen im Karosseriebau ................. 14 2.2.1 Offline Prüfung .............................................................................................................. 14 2.2.2 Inline Prüfung................................................................................................................ 19 2.2.3 Prozessüberwachung beim Laserstrahlschweißen ....................................................... 23 3 Nahteigenschaften ............................................................................................................. 27 3.1 Übersicht der Nahtunregelmäßigkeiten ........................................................................... 27 3.2 Einflüsse auf Nahteigenschaften ......................................................................................27 3.3 Thermische Verformung, Schrumpfung, Eigenspannungen, Verzug ................................. 30 4 Problemstellung, Zielsetzung und Systematik zur Lösungsfindung .................................. 32 4.1 Problemstellung............................................................................................................... 32 4.2 Zielsetzung ..................................................................................................................... 33 4.3 Systematik zur Lösungsfindung ........................................................................................33 5 Durchgeführte Untersuchungen ......................................................................................... 34 5.1 Basistechnik .....................................................................................................................34 5.1.1 Laserstrahlquelle .......................................................................................................... 34 5.1.2 Bearbeitungswerkzeug und Sensoren ...........................................................................34 5.1.3 Kamera ...........................................................................................................................36 5.1.4 Spektrale Einordnung und Sichtbereiche der Sensoren ..................................................38 5.1.5 Laserzelle und Roboter.....................................................................................................40 5.2 Inprozess Untersuchungen – Schwerpunkt Photodetektoren ........................................... 40 5.2.1 Analyse Toleranzbandmethode ........................................................................................ 40 5.2.2 Statistische Analyse von Einflussgrößen............................................................................................. 43 5.2.3 Einzelanalyse der Einflussgröße Spalt ................................................................................................ 49 5.2.4 Spaltverträglichkeit dünner Strukturbleche ......................................................................................... 52 5.2.5 Einführung der MILLIMETERPEGEL ..................................................................................................... 54 5.3 Inprozess Untersuchungen – Schwerpunkt Prozessbildbewertung .................................... 58 5.3.1 Analyse LWM-C ................................................................................................................................. 58 5.3.2 Messung der Dampfkapillare und der Schmelzbadlänge ..................................................................... 70 5.3.3 Off-axis Prozessbeobachtung ............................................................................................................... 71 5.3.4 Charakterisierung der Durchschweißung ............................................................................................. 72 5.3.5 Auslegung geeigneter Schweißprozessbeleuchtung ............................................................................. 75 5.3.6 Koaxiale und off-axis Beobachtungen ................................................................................................. 79 6 Nahteigenschafts-Bewertungsmethode ............................................................................... 86 6.1 Vorgehensweise ........................................................................................................................86 6.2 Durchgangslöcher, Poren, Endkrater ....................................................................................95 6.3 Aussagesicherheit .....................................................................................................................95 7 Modellbildung ...................................................................................................................... 97 7.1 Anfang und Ende der Schweißnaht ........................................................................................98 7.2 Nahtmerkmal „Spritzer“ (0-Spaltschweißen) .......................................................................99 7.3 Nahtmerkmal „In Ordnung“ ................................................................................................102 7.4 Nahtmerkmal „Geringer Nahtein- bzw. Wurzelrückfall“ .................................................104 7.5 Nahtmerkmal „Starker Nahtein- bzw. Wurzelrückfall“ ....................................................106 7.6 Nahtmerkmal „Oben geschnitten“ .......................................................................................108 7.7 Nahtmerkmal „Falscher Freund“ (nicht verschweißt) .......................................................110 8 Zusammenfassung und Ausblick ...................................................................................... 112 9 Verzeichnisse ...................................................................................................................... 115 9.1 Literatur .................................................................................................................................115 9.2 Normen ...................................................................................................................................124 9.3 Abkürzungen ..........................................................................................................................125 9.4 Formelzeichen .........................................................................................................................127 9.5 Abbildungen ...........................................................................................................................127 10 Anlagen ............................................................................................................................... 132 10.1 Nahtunregelmäßigkeiten an Laserschweißnähten ..............................................................132 10.2 Sensor-Fehler-Übersicht ........................................................................................................137 10.3 Fehler-Ursachen-Parameter ..................................................................................................139 10.4 Arbeitsplan – Versuchsabfolge und Resultate .....................................................................141