Die Mechanische Fügetechnik hat durch den Trend der Mischbauweise sowie schlecht schweißgeeigneter Werkstoffe in den letzten Jahren einen erhöhten Stellenwert erlangt. Aus diesem Grund wird die Weiterentwicklung dieser Verfahrensgruppe stark vorangetrieben. Neben den bekannten Verfahren Blindnieten, Fließformschrauben oder Bördeln wird auch das Durchsetzfügen, welches als Clinchen bekannt ist, in seinen Anwendungsgebieten stetig erweitert. Prozessbedingt ist das Clinchen von schlanken Hohlprofilen nur stark eingeschränkt möglich. Die Verfahrenserweiterung des „Orbitalclinchens“ ermöglicht erstmals, schlanke Hohlprofile mittels Clinchens zu verbinden. In der experimentellen Prozessuntersuchung wurden Mischverbindungen aus Stahl- und Aluminiumrundrohren hergestellt. Weiterhin wurden mit einem nachgelagerten Wärmebehandlungsverfahren Rohrverbindungen aus dem Werkstoff 22MnB5 pressgehärtet. Infolge dessen konnte die Scherzugfestigkeit der Clinchpunkte um bis zu 25 % gesteigert werden. / Mechanical joining technology has gained in importance in recent years due to the trend towards mixing methods and materials, that are poorly suitable for welding. For this reason, the further development of this process group is in focus. In addition to the known methods of blind riveting, flow form screws or flanging, clinching is also constantly expanding in its areas of application. Due to the process, the clinching of slim hollow profiles is only possible to a very limited extent. The extension of the 'orbital clinching' process enables for the first time to connect slim hollow profiles by means of clinching. In the experimental process investigation, mixed connections, were made from steel and aluminum round pipes. In addition, pipe connections made of the material 22MnB5 were press-hardened using a subsequent heat treatment process. As a result, the tensile shear strength of the clinch points could be increased by up to 25 %.

Automation and digitalization are developing at a high pace and it is important to keep the focus on human-machine interaction. It is becoming more and more important that the usability in machines and lines is related to the development so that the performance and availability of the production processes in the industry are not adversely affected. It is a case of designing the equipment so that users can continue to handle them intuitively and with simplicity the more complex they become. AP&T has in the last 50 years delivered world-leading production solutions for efficient sheet metal forming in the form of presses, automation solutions and press tools. Areas of focus are the automotive and climate and energy industries where they deliver solutions for products such as whitegoods, computer cases, heat exchanger plates and press hardened car parts. AP&T’s goal is to help the customer achieve the highest productivity possible and a long-term and sustainable profitability with a focus on weight reduction, safety and energy efficiency. The project aimed to facilitate for the operator, setter and maintenance technician when handling AP&T machines and lines. Running, installing, starting, and changing tools, products or materials in a machine and/or production line should be performed with simplicity. The objective of the project was to identify usability issues by analyzing the current situation from an operator, setter and maintenance technician point of view to develop a more intuitive handling of AP&T’s presses, automation and production lines. A usability development project requires frequent feedback and therefore the iterative design process was chosen. Theories regarding usability, usability inspection methods, visual communication, user interfaces and human limitations were collected and used as a focal point in analyses, and when identifying usability issues and structuring the list of priority. Methods such as observations, interviews and documentation collection were used to form a Hierarchical Task Analysis (HTA) for operators, setters and maintenance technicians linked to the management of the machines ODEN-FT Press, Servo Hydraulic Press, SpeedFeeder, Multi-Layer Furnace and for the press hardening line. Mapping of handling the press tool and automation grippers was also carried out, as well as a study of today's software program used as interface. The devices analyzed were operator panels, mobile panels and terminal screens along with the documentation that accompanies the purchased machine. The results of the analyses gave a list of seventeen points in need of improvements according to the users. These were areas such as screens in the user interface of the terminals, icons on the panels, and management of the tools during tools and material changes. These were first structured according to the users and then developed into a priority list structured after implementation time with the fastest improvements with the greatest effect first. At the top of this list, the user interface, operator panels and the education of operators, setters, and maintenance technicians ended up. The recommendation, which is the conclusion of this Master thesis, is to start at the top in the list of priorities when developing the identified problems. Further investigation of the issues is necessary due to the time limitation which excluded companies based in America and Asia from the evaluation. The most important recommendation for further development is to continue to utilize the users. Usability inspections are carried out, but it is important that users are allowed to continue to participate during tests and further development of solutions. It is not possible to achieve flawless usability, however, it is always possible to further develop the handling and experience of a product. It is also suggested to simultaneously connect usability with the digital development that Industry 4.0 and Internet of Things implies to be able to identify and eliminate problems as they appear. / Automatisering och digitalisering utvecklas i hög hastighet och det är nu som det är viktigt att behålla fokuset på människa-maskin-interaktionen. Det blir allt viktigare att användarvänligheten i maskiner och produktionslösningar hänger med i utvecklingen så prestandan och tillgängligheten för produktionsprocesser i industrin inte påverkas negativt. Det gäller att forma utrustningen så att användarna kan fortsätta hantera dem intuitivt och med enkelhet ju mer komplexa de blir. AP&T har de senaste 50 åren levererat världsledande produktionslösningar för effektiv plåtformning i form av pressar, automationslösningar och pressverktyg. Fokusområden är bil- och klimat och energiindustrin där de levererar lösningar för produkter så som vitvaror, datorskal, värmeväxlarplattor och presshärdade bildelar. AP&Ts mål är att hjälpa kunden att uppnå högsta möjliga produktivitet och en långsiktig och hållbar lönsamhet med fokus på viktreduktion, säkerhet och energieffektivitet. Vid varje tillverkad lösning och produkt står användaren i centrum. Projektet syftade till att underlätta för användaren vid hantering av AP&Ts maskiner och produktionslösningar. Att köra, installera, starta, byta verktyg, produkter eller material i en maskin och/eller produktionslinje ska kunna utföras med enkelhet. Målet i projektet var att identifiera användarproblem genom att analysera nuvarande situation för operatörer, installatörer och servicepersonal för att kunna utveckla en mer intuitiv hantering av AP&Ts pressar, automation och produktionslinjer. Vid ett utvecklingsarbete krävs det återkommande återkoppling och därför valdes den iterativa designprocessen. Teorier om användarvänlighet, inspektionsmetoder, visuell kommunikation, användargränssnitt och människans begränsningar insamlades och användes som tyngdpunkt i analyser och vid identifiering av användarproblem samt strukturering av prioriteringslistan. Metoder så som observationer, intervjuer och dokumentationsinsamling användes för att kunna utgöra en hierarkisk uppgifts analys (HTA) för operatörer, installatörer och servicepersonal kopplat till hanteringen av maskinerna ODEN-FT press, Servo Hydraulic Press, SpeedFeeder, Multi-Layer Furnace och för presshärdningslinjen. Även en kartläggning av hanteringen av ett presshärdningsverktyg och automationsverktyg utfördes samt en djupare undersökning om dagens mjukvaruprogram som används i datasystemen utfördes. De fysiska apparaterna som analyserades var operatörspaneler, mobilpaneler och dataterminalskärmar som användaren brukar och dokumentationen som tillhör vardera maskin. Resultatet av analyserna gav en lista på 17 punkter som enligt användaren behöver utvecklas. Det var områden så som sidor i användargränssnittet i terminalerna, ikoner till panelerna och hanteringen av verktygen vid omställning och materialbyten. Dessa strukturerades först efter hur pass omtalade de var bland användarna och sedan utvecklades listan till en prioritetslista strukturerad efter implementeringstiden med de snabbaste förbättringarna med störst effekt överst. Högst upp på denna listan hamnade användargränssnittet, operatörspanelerna och utbildning av operatörer, installatörer och servicepersonal. Rekommendationen som är slutsatsen i denna examensrapport är att utgå ifrån prioriteringslistan vid utveckling av de identifierade problemen. Att göra vidare undersökningar gällande problemområdena är behövligt på grund av tidsbegränsningen som gjorde att företag baserade i Amerika och Asien ej kunde tas med i analyserna. Den viktigaste rekommendationen för vidare utveckling är att fortsätta använda brukarna. Användarvänlighetsinspektioner är utförda, men det är viktigt att användarna får fortsätta deltaga under tester och vidare arbeten med lösningarna. Det går inte att uppnå felfri användarvänlighet, utan det går alltid att vidareutveckla hantering och upplevelse av produkter. Att koppla samman användaren med den digitala utvecklingen som bland annat Industry 4.0 och Internet of Things medför är en viktig del inför framtiden så man enkelt kan identifiera och eliminera användarproblem direkt då de uppstår.

Aufgrund fluiddynamischer Effekte bei der Schnellerwärmung für die Warmumformung wird die Applikation der Technologie erschwert. Die vorliegende Arbeit thematisiert diesen Effekt und evaluiert die Triebkräfte sowohl numerisch als auch im Experiment. Aufbauend darauf werden Vermeidungsstrategien aufgezeigt und experimentell validiert um eine Verschiebung der Beschichtung zu verhindern. Es können insbesondere die temperatursensitive Marangonikraft als auch die magnethydrodynamische Wirkung der Lorentzkraft bei einer induktiven Erwärmung als Haupttriebkräfte identifiziert werden, die sich aufgrund identischer Kraftvektorrichtungen überlagern und verstärken. Es hat sich gezeigt, dass für den vorliegenden Fall einer 20-30 μm dünnen AlSi-Beschichtung die Marangonikraft gegenüber der Lorentzkraft um einen Faktor von mindestens 68 überwiegt. Ein vergleichbarer Effekt ist auch bei konduktiver Erwärmung zu beobachten. Hinsichtlich möglicher Vermeidungsstrategien einer globalen Beschichtungsverschiebung bietet die Applikation von lokalen Flussbarrieren mittels Laser, Induktion oder Walztexturierung, sowie das Vermeiden einer freien Flüssigkeitsoberfläche durch Aufbringen einer Zusatzbeschichtung, das größte Potential. In der zweiten Versionierung der Dissertationsschrift wurde auf S. IV im Vorwort, sowie auf S.72, Kapitel 4.2 eine ergänzende Nennung eines Instituts und Kooperationspartners hinzugefügt. / The application of fast heating technologies for hot forming is hindered by fluiddynamic effects and a resulting coating shift. Present thesis investigates this effect to evaluate the driving forces numerically as well as experimentally. Based on this evaluation, strategies are developed and investigated to avoid a global displacement of the AlSi-coating. In case of inductive fast heating the main driving force is represented by a superposition of Lorentzian forces as well as surface tension related Marangoni forces with a force vector pointing from hot to cold regions on the blank. The numerical evaluation shows that in case of 20-30 μm thin layers of AlSi the Marangoni force is at least 68 times higher than the Lorentz force and therefore represents the main driving force. A comparable effect is observable in case of conduction heating. Local flow barriers realized by Laser, inductive heating or texturing as well as the avoidance of a free liquid-surface due to application of additional coating layers show huge potential to prevent a global coating flow.

Die vorliegende Arbeit untersucht den Einsatz einer induktiven Längsfelderwärmung im Wärmebehandlungsprozess der direkten Warmumformung automobiler Karosserieblechbauteile. Zur Charakterisierung des Erwärmungsvorgangs werden sowohl experimentbasierte Regressionsmodelle als auch ein FEM-Simulationsmodell entwickelt. Der Einfluss der induktiven Erwärmung auf die Ausbildung der AlSi-Beschichtung, die Widerstandspunktschweißbarkeit so-wie die Korrosionsbeständigkeit gefertigter Blechbauteile wird dargelegt. Abschließend wird ein Anlagenkonzept entwickelt, das durch den Einsatz der induktiven Längsfelderwärmung eine Verringerung der Erwärmungsdauer um etwa 50 % sowie eine Verkürzung der erforderlichen Ofenlänge um etwa 37 % ermöglicht.:Kurzzeichenverzeichnis 1 Einleitung 2 Stand der Wissenschaft und Technik 2.1 Warmumformung 2.1.1 Begriffe und Einordnung 2.1.2 Werkstofftechnische Grundlagen der Warmumformung 2.1.3 Platinenwerkstoffe und -beschichtungen 2.1.4 Erwärmungstechnologien in der Serienproduktion 2.2 Induktive Erwärmung 2.2.1 Begriffe und Einordnung 2.2.2 Physikalische und werkstofftechnische Einflüsse 2.2.3 Induktive Erwärmung von Bandmaterial 2.2.4 Induktive Erwärmung von Formplatinen für die Warmumformung 3 Aktuelle und zukünftige technologische Anforderungen an die Erwärmungstechnik in der Warmumformung 4 Problemstellung 5 Versuchsanlage zur induktiven Erwärmung von Formplatinen 6 Entwicklung eines mathematischen, experimentbasierten Modells der induktiven Erwärmung von Rechteckplatinen 6.1 Systembeschreibung 6.2 Methode 6.3 Validierung 6.4 Charakterisierung wesentlicher Einflussgrößen in Bezug auf erreichte Platinentemperaturen und Wirkungsgrade 7 Entwicklung eines FEM-Simulationsmodells der induktiven Erwärmung von Formplatinen 60 7.1 Geometrie 7.2 Elektromagnetisches Modul 7.3 Thermisches Modul 7.4 Vernetzung 7.5 Kopplung der Module 7.6 Validierung 8 Entwicklung eines Anlagenkonzepts zum Einsatz der induktiven Erwärmung für die Serienfertigung von Warmumformbauteilen 8.1 Methoden zur Definition von Betriebsparametern 8.2 Induktive Erwärmung von Formplatinen warmumgeformter Bauteile eines PKWs in Serienfertigung 8.3 Dünnblech-Warmumformung und Tailor-Rolled-Blanks 8.4 Entwicklung eines Prozessfensters auf Basis von im automobilen Fertigungsprozess relevanten Bauteileigenschaften 8.5 Konzeptionierung einer Erwärmungslinie für die Serienproduktion von warmumgeformten Karosseriebauteilen 9 Zusammenfassung und Ausblick 10 Literaturverzeichnis 11 Anlagen / The present thesis investigates the usage of longitudinal induction heating in the austenitization process of direct press hardening. In order to describe the induction heating procedure, experiment-based regression models as well as a FEM model are developed. The influence of an induction heating process on the properties of press hardened parts with aluminum-silicon coating is depicted. Therefore, resistance spot welding tests, paint adhesion tests and corrosion tests are performed. Finally, a heating concept for series production including a longitudinal induction heating is developed, which allows a decrease in heating time of about 50 % and a reduction of furnace length of about 37 %.:Kurzzeichenverzeichnis 1 Einleitung 2 Stand der Wissenschaft und Technik 2.1 Warmumformung 2.1.1 Begriffe und Einordnung 2.1.2 Werkstofftechnische Grundlagen der Warmumformung 2.1.3 Platinenwerkstoffe und -beschichtungen 2.1.4 Erwärmungstechnologien in der Serienproduktion 2.2 Induktive Erwärmung 2.2.1 Begriffe und Einordnung 2.2.2 Physikalische und werkstofftechnische Einflüsse 2.2.3 Induktive Erwärmung von Bandmaterial 2.2.4 Induktive Erwärmung von Formplatinen für die Warmumformung 3 Aktuelle und zukünftige technologische Anforderungen an die Erwärmungstechnik in der Warmumformung 4 Problemstellung 5 Versuchsanlage zur induktiven Erwärmung von Formplatinen 6 Entwicklung eines mathematischen, experimentbasierten Modells der induktiven Erwärmung von Rechteckplatinen 6.1 Systembeschreibung 6.2 Methode 6.3 Validierung 6.4 Charakterisierung wesentlicher Einflussgrößen in Bezug auf erreichte Platinentemperaturen und Wirkungsgrade 7 Entwicklung eines FEM-Simulationsmodells der induktiven Erwärmung von Formplatinen 60 7.1 Geometrie 7.2 Elektromagnetisches Modul 7.3 Thermisches Modul 7.4 Vernetzung 7.5 Kopplung der Module 7.6 Validierung 8 Entwicklung eines Anlagenkonzepts zum Einsatz der induktiven Erwärmung für die Serienfertigung von Warmumformbauteilen 8.1 Methoden zur Definition von Betriebsparametern 8.2 Induktive Erwärmung von Formplatinen warmumgeformter Bauteile eines PKWs in Serienfertigung 8.3 Dünnblech-Warmumformung und Tailor-Rolled-Blanks 8.4 Entwicklung eines Prozessfensters auf Basis von im automobilen Fertigungsprozess relevanten Bauteileigenschaften 8.5 Konzeptionierung einer Erwärmungslinie für die Serienproduktion von warmumgeformten Karosseriebauteilen 9 Zusammenfassung und Ausblick 10 Literaturverzeichnis 11 Anlagen

Aufgrund fluiddynamischer Effekte bei der Schnellerwärmung für die Warmumformung wird die Applikation der Technologie erschwert. Die vorliegende Arbeit thematisiert diesen Effekt und evaluiert die Triebkräfte sowohl numerisch als auch im Experiment. Aufbauend darauf werden Vermeidungsstrategien aufgezeigt und experimentell validiert um eine Verschiebung der Beschichtung zu verhindern. Es können insbesondere die temperatursensitive Marangonikraft als auch die magnethydrodynamische Wirkung der Lorentzkraft bei einer induktiven Erwärmung als Haupttriebkräfte identifiziert werden, die sich aufgrund identischer Kraftvektorrichtungen überlagern und verstärken. Es hat sich gezeigt, dass für den vorliegenden Fall einer 20-30 μm dünnen AlSi-Beschichtung die Marangonikraft gegenüber der Lorentzkraft um einen Faktor von mindestens 68 überwiegt. Ein vergleichbarer Effekt ist auch bei konduktiver Erwärmung zu beobachten. Hinsichtlich möglicher Vermeidungsstrategien einer globalen Beschichtungsverschiebung bietet die Applikation von lokalen Flussbarrieren mittels Laser, Induktion oder Walztexturierung, sowie das Vermeiden einer freien Flüssigkeitsoberfläche durch Aufbringen einer Zusatzbeschichtung, das größte Potential. / The application of fast heating technologies for hot forming is hindered by fluiddynamic effects and a resulting coating shift. Present thesis investigates this effect to evaluate the driving forces numerically as well as experimentally. Based on this evaluation, strategies are developed and investigated to avoid a global displacement of the AlSi-coating. In case of inductive fast heating the main driving force is represented by a superposition of Lorentzian forces as well as surface tension related Marangoni forces with a force vector pointing from hot to cold regions on the blank. The numerical evaluation shows that in case of 20-30 μm thin layers of AlSi the Marangoni force is at least 68 times higher than the Lorentz force and therefore represents the main driving force. A comparable effect is observable in case of conduction heating. Local flow barriers realized by Laser, inductive heating or texturing as well as the avoidance of a free liquid-surface due to application of additional coating layers show huge potential to prevent a global coating flow.

Der Forschungsgegenstand der vorliegenden Arbeit ist die kontinuierliche Herstellung eines profilförmigen Bauteils aus dem Bor-Mangan-Stahl 22MnB5 mit lokal bzw. global definierten mechanischen Eigenschaften. Dabei laufen die Formgebung und Wärmebehandlung (WBH) parallel ab. Die Hauptformgebung erfolgt zunächst im Lieferzustand, an die sich die Wärmbehandlung und die finale Formgebung anschließen. Während der WBH wird das ferritische Anfangsgefüge beim Erwärmen in Austenitgefüge und anschließend durch eine rasche Abkühlung größer 30 K/s in Martensitgefüge umgewandelt. Die Induktorform, -frequenz und die -leistung beeinflussen hierbei maßgeblich die Aufheizrate und das Erwärmungsbild. Durch kontinuierliche Formgebung und die gezielte WBH sind Profilbauteile mit Bauteilfestigkeiten bis 1500 MPa effizient herstellbar. Im Anschluss an eine Machbarkeitsstudie werden experimentelle und simulative Untersuchungen durchgeführt und die gewonnenen Ergebnisse miteinander verglichen. Dadurch kann die prinzipielle Eignung des FE-Modells nachgewiesen werden. Im Weiteren erfolgt der Vergleich von drei verschiedenen Fertigungsrouten, wobei das Hauptaugenmerk auf der erforderlichen Umformkraft und der erreichbaren Formgenauigkeit liegt. Auf Basis der Simulationsergebnisse kann festgehalten werden, dass mittels der untersuchten Technologie höchstfeste und formgenaue Profilbauteile mit definierten mechanischen Eigenschaften herstellbar sind. Der Einsatz der Technologie birgt somit ein enormes Leichtbaupotenzial. Dennoch gibt es Hemmnisse die Technologie einzusetzen, da „Wärme“ in den traditionell kalt ablaufenden Umformprozess eingebracht wird. Die Arbeit soll dazu beitragen, diese Barriere abzubauen.:1 EINLEITUNG 2 STAND DER FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG 3 HANDLUNGSBEDARF, ZIELSETZUNG UND LÖSUNGSWEG 4 VERSUCHSPLANUNG 5 VERWENDETE WERKSTOFFE SOWIE ANLAGEN- UND WERKZEUGTECHNIK ZUR ENTWICKLUNG EINER TECHNOLOGIE ZUR HERSTELLUNG EINTEILIGER, EIGENSCHAFTSSKALIERTER PROFILBAUTEILE 6 REFERENZVERSUCHE V-GESENKBIEGEN UND KALTWALZPROFILIEREN EINES HUTPROFILS AUS 22MNB5 7 STATIONÄRES AUFHEIZVERHALTEN EINES RINGINDUKTORS UND ABSCHRECKEN MITTELS UNTERSCHIEDLICHER KÜHLMEDIEN 8 INTEGRATION EINER WÄRMEBEHANDLUNG IN DEN KONTINUIERLICHEN WALZPROFILIERPROZESS 9 ZUSAMMENFASSUNG 10 AUSBLICK / The research object of the present work is the continuous production of an open profile component made of the manganese-boron steel 22MnB5 with locally or globally defined mechanical properties. The shaping and heat treatment (SHT) take place in one process. The main shaping is first carried out in the as-delivered condition, followed by heat treatment and final shaping. During the heat treatment, the initial ferritic microstructure is transformed into an austenitic state during heating and then into a martensitic microstructure by rapid cooling at a rate of more than 30 K/s. The geometry of the induction coil, the frequency and the heating power have a significant influence on the heating rate and the heating effect. Through continuous shaping and controlled SHT, profile components with strengths of up to 1500 MPa can be produced efficiently. Following a feasibility study, experimental and simulative investigations were carried out and the results obtained were compared with each other. In this way, the principle suitability of the FE model could be demonstrated. In further steps, three different production routes were com-pared, whereby the main focus was on the required forming force and the achievable forming accuracy. Based on the obtained results, it can be stated that the investigated technology can be used to produce high-strength and dimensionally accurate profile components and defined mechanical properties with high output rate. The use of this technology thus offers a huge lightweight potential. However, as additional heat is introduced into the traditionally cold forming process, the process is more complexity and this constitutes a barrier to the use of the technology. This work is intended to overcome this barrier.:1 EINLEITUNG 2 STAND DER FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG 3 HANDLUNGSBEDARF, ZIELSETZUNG UND LÖSUNGSWEG 4 VERSUCHSPLANUNG 5 VERWENDETE WERKSTOFFE SOWIE ANLAGEN- UND WERKZEUGTECHNIK ZUR ENTWICKLUNG EINER TECHNOLOGIE ZUR HERSTELLUNG EINTEILIGER, EIGENSCHAFTSSKALIERTER PROFILBAUTEILE 6 REFERENZVERSUCHE V-GESENKBIEGEN UND KALTWALZPROFILIEREN EINES HUTPROFILS AUS 22MNB5 7 STATIONÄRES AUFHEIZVERHALTEN EINES RINGINDUKTORS UND ABSCHRECKEN MITTELS UNTERSCHIEDLICHER KÜHLMEDIEN 8 INTEGRATION EINER WÄRMEBEHANDLUNG IN DEN KONTINUIERLICHEN WALZPROFILIERPROZESS 9 ZUSAMMENFASSUNG 10 AUSBLICK