Never before has the car industry been as challenging, interesting, and demanding as it is today. New and advanced techniques are being continuously introduced, which has led to increasing competition in an almost ever-expanding car market. As the pace and complexity heightens in the car market, manufacturing processes must advance at an equal speed. An important manufacturing process within the automotive industry, and the focus of this thesis, is sheet metal forming (SMF). Sheet metal forming is used to create door panels, structural beams, and trunk lids, among other parts, by forming sheets of metal in press lines with stamping dies. The SMF process has been simulated for the past couple of decades with finite element (FE) simulations, whereby one can predict factors such as shape, strains, thickness, springback, risk of failure, and wrinkles. A factor that most SMF simulations do not currently include is the die and press elasticity. This factor is handled manually during the die tryout phase, which is often long and expensive. The importance of accurately representing press and die elasticity in SMF simulations is the focus of this research project. The research objective is to achieve virtual tryout and improved production support through SMF simulations that consider elastic die and press deformations. Loading a die with production forces and including the deformations in SMF simulations achieves a reliable result. It is impossible to achieve accurate simulation results without including the die deformations. This thesis also describes numerical methods for optimizing and compensating tool surfaces against press and die deformations. In order for these compensations to be valid, it is imperative to accurately represent dies and presses. A method of measuring and inverse modeling the elasticity of a press table has been developed and is based on digital image correlation (DIC) measurements and structural optimization with FE software. Optimization, structural analysis, and SMF simulations together with experimental measurements have immense potential to improve simulation results and significantly reduce the lead time of stamping dies. Last but not least, improved production support and die design are other areas that can benefit from these tools. / Aldrig tidigare har bilindustrin varit så utmanande, intressant och spännande som idag. Ny och avancerad teknik introduceras i en allt snabbare takt vilket leder till ständigt ökande konkurrens på en, nästan ständigt, ökande bilmarknad. Den ständigt ökande komplexiteten ställer även krav på tillverkningsprocesserna. En viktig process, som denna licentiatuppsats fokuserar på, är pressning av plåt. Tillverkningstekniken används för att forma plåtar till dörrpaneler, strukturbalkar, motorhuvar, etc. Plåtar formas med hjälp av pressverktyg monterade i plåtformningspressar. Plåtformningsprocessen simuleras sedan ett par decennium tillbaka med Finita Element (FE) simuleringar. Man kan på så sätt prediktera form, töjningar, tjocklek, återfjädring, rynkor, risk för försträckning och sprickor m.m. En faktor som för tillfället inte inkluderas i näst intill alla plåtformningssimuleringar är elastiska press- och verktygsdeformationer. Detta hanteras istället manuellt under, den oftast långa och dyra, inprovningsfasen. Detta projekt har visat på vikten av att representera press och verktygsdeformationer i plåtformningssimuleringar. Detta demonstreras genom en analys av ett verkligt pressverktyg som belastas med produktionskrafter. Det är inte möjligt att uppnå bra simuleringsresultat utan att inkludera verktygsdeformationer i simuleringsmodellen. Uppsatsen beskriver även numeriska metoder för att optimera och kompensera verktygsytor mot press och verktygsdeformationer. För att dessa kompenseringar ska stämma är det viktigt att man representerar både verktyg och press på ett korrekt sätt. Förslag på en metod för att mäta och inversmodellera pressdeformationer har utvecklats, metoden är baserad på mätningar med DIC-systemet ARAMIS och optimering i FE-mjukvaror. Optimering, strukturanalys, och plåtformningsanalys tillsammans med experimentella mätningar har en stor potential att förbättra plåtformningssimuleringar samt reducera ledtiden för pressverktyg. Sist men inte minst, andra positiva effekter är en enklare och smidigare konstruktionsprocess och förbättrad produktionssupport.

Объектом исследования является технологический процесс штамповки детали болт по ГОСТ 7798-70 на предприятии ООО «Арморика». Выполнено исследование влияния температуры нагрева заготовок на технологические факторы штамповки поковок фланца на пресс КГШП, а именно усилие штамповки, анализ напряженно – деформированного состояния штамповки поковки фланца, оценка проработки структуры металла. Выполнена разработка технологического процесса штамповки болта, расчет усилия пресса, компьютерное моделирование процесса горячей объемной штамповки болта с заданной в технологическом процессе температурой, технологичного, анализ влияния нагрева заготовок на технологические факторы, литературный обзор. / The object of the study is the technological process of stamping the bolt part according to GOST 7798-70 at the Armorica LLC enterprise. The study of the effect of the heating temperature of the workpieces on the technological factors of stamping flange forgings on the KGSHP press, namely the punching force, analysis of the stress–strain state of stamping flange forgings, evaluation of the study of the metal structure. The development of the technological process of bolt stamping, calculation of the press force, computer modeling of the process of hot volumetric stamping of a bolt with a temperature set in the technological process, technological, analysis of the effect of heating workpieces on technological factors, a literary review.

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.