Das Freiformschmieden ist eines der ältesten Umformverfahren in der Geschichte, das kontinuierlich durch technische Innovationen weiterentwickelt wurde. Die rasante Entwicklung in den Bereichen der Mess- und Regelungstechnik sowie der Rechenkapazität von IT-Systemen in den letzten Jahrzehnten bietet die Möglichkeit, das Freiform-schmieden auf seine nächste Entwicklungsebene zu heben. Um einen vollautonomen Schmiedeprozess zu etablieren, wird am Institut für Metallformung der TU Bergakademie Freiberg eine Schmiedezelle eingerichtet. Diese Verfügt über zwei Schmiedepressen, einen Ofen und einen Roboterarm vom Typ KR 360 L280-2 der Firma KUKA mit einer Traglast von bis zu 280 kg als Manipulator. Mithilfe eines 3D-Scansystems ist es möglich die Werkstückgeometrie zwischen einzelnen Stichen oder gar Pressenhüben zu erfassen. Weiterhin verfügt das Scansystem über drei Wärmebildkameras, welche während eines Scans die Oberflächentemperatur erfassen. Die einzelnen Komponenten der Schmiedezelle werden über einen Zentralrechner gesteuert.

Open-die forging is one of the oldest forming processes in history, which has been continuously developed through technical innovations. The rapid development in the fields of measurement and control technology and the computing capacity of IT systems in recent decades offer the opportunity to take open-die forging to a higher level. In order to establish a fully autonomous forging process, a forging cell is being set up at the Institute of Metal Forming at TU Bergakademie Freiberg. It consists of two forging presses, a furnace and a KR 360 L280-2 robot arm from KUKA as a manipulator with a load capacity of up to 280 kg. A 3D scanning system allows to capture the workpiece geometry between individual pass sequences or even single press strokes. Additionally, the scanning system is equipped with three thermal imaging cameras, which record the surface temperature during a scan. A central computer controls all individual components of the forging cell.

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 %.

Im Rahmen der Dissertation wurde das Phänomen der Wechselwirkungsdomänen sowohl experimentell als auch unter Zuhilfenahme mikromagnetischer Simulationen untersucht. Gegenstand der Untersuchungen waren einphasige NdFeB-Magnete, die durch Heißpressen und anschließender Warmumformung hergestellt wurden. Zusätzlich wurden über den gleichen Herstellungsweg Kompositproben aus NdFeB und Fe mit unterschiedlichen Partikelausgangsgrößen erhalten und studiert. Korrelationsuntersuchungen verschiedener Messmethoden haben gezeigt, dass im thermisch entmagnetisierten Zustand die Grenzen der Wechselwirkungsdomänen an der Oberfläche größtenteils entlang von Korngrenzen verlaufen. Mittels in-situ MFM wurden erstmalig Untersuchungen von Wechselwirkungsdomänen an massiven NdFeB-Magneten im Magnetfeld durchgeführt. Die Ummagnetisierung erfolgt dabei über die Bewegung der Domänengrenze durch schrittweises Wandern von einer Korngrenze zur benachbarten. Die Beweglichkeit der Domänengrenzen ist durch das Haften an den Korngrenzen gehemmt, was sich in der geringeren Suszeptibilität der warmumgeformten Magnete im Vergleich zu Sintermagneten bemerkbar macht. Aufgrund der eingestellten Mikrostruktur in den warmumgeformten Magneten kann folglich gesagt werden, dass die Ummagnetisierungsprozesse sowohl Merkmale von klassischen Nukleations-, als auch von klassischen Pinningmagneten aufweisen. Mit Hilfe von mikromagnetischen Simulationen konnte eine Eindomänenteilchengröße prismatischer Partikel mit quadratischer Grundfläche ermittelt werden. Außerdem konnte gezeigt werden, dass der Winkel des Streufeldvektors eine entscheidende Rolle bei Ummagnetisiserungsprozessen in solchen Partikeln spielt. Die Superposition des Streufeldvektors mit dem Vektor des angelegten Feldes führt zu einem Gesamtfeldvektor, dessen Winkelabhängigkeit ein Stoner-Wohlfarth ähnliches Verhalten zeigt.

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.

Im Rahmen der Dissertation wurde das Phänomen der Wechselwirkungsdomänen sowohl experimentell als auch unter Zuhilfenahme mikromagnetischer Simulationen untersucht. Gegenstand der Untersuchungen waren einphasige NdFeB-Magnete, die durch Heißpressen und anschließender Warmumformung hergestellt wurden. Zusätzlich wurden über den gleichen Herstellungsweg Kompositproben aus NdFeB und Fe mit unterschiedlichen Partikelausgangsgrößen erhalten und studiert. Korrelationsuntersuchungen verschiedener Messmethoden haben gezeigt, dass im thermisch entmagnetisierten Zustand die Grenzen der Wechselwirkungsdomänen an der Oberfläche größtenteils entlang von Korngrenzen verlaufen. Mittels in-situ MFM wurden erstmalig Untersuchungen von Wechselwirkungsdomänen an massiven NdFeB-Magneten im Magnetfeld durchgeführt. Die Ummagnetisierung erfolgt dabei über die Bewegung der Domänengrenze durch schrittweises Wandern von einer Korngrenze zur benachbarten. Die Beweglichkeit der Domänengrenzen ist durch das Haften an den Korngrenzen gehemmt, was sich in der geringeren Suszeptibilität der warmumgeformten Magnete im Vergleich zu Sintermagneten bemerkbar macht. Aufgrund der eingestellten Mikrostruktur in den warmumgeformten Magneten kann folglich gesagt werden, dass die Ummagnetisierungsprozesse sowohl Merkmale von klassischen Nukleations-, als auch von klassischen Pinningmagneten aufweisen. Mit Hilfe von mikromagnetischen Simulationen konnte eine Eindomänenteilchengröße prismatischer Partikel mit quadratischer Grundfläche ermittelt werden. Außerdem konnte gezeigt werden, dass der Winkel des Streufeldvektors eine entscheidende Rolle bei Ummagnetisiserungsprozessen in solchen Partikeln spielt. Die Superposition des Streufeldvektors mit dem Vektor des angelegten Feldes führt zu einem Gesamtfeldvektor, dessen Winkelabhängigkeit ein Stoner-Wohlfarth ähnliches Verhalten zeigt.

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