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. / 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 %.

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.