Vorhersage von Oberflächenrissen für Kaltmassivumformprozesse

Kaltmassivumgeformte Bauteile werden aufgrund ihrer belastungsgünstigen Eigenschaften vor allem in hochbeanspruchten Bereichen von Personen- und Nutzfahrzeugen verbaut. Getrieben durch die Forderungen nach emissionsarmen sowie hoch effizienten Mobilitätskonzepten seitens Politik und Gesellschaft werden dazu in der Automobilindustrie derzeit geeignete Lösungsansätzen entwickelt. Diese Ansätze beinhalten unter anderem die Teil- und Vollelektrifizierung des Antriebsstrangs durch hybride oder vollwertige Elektroantriebe, die weitere Optimierung des konventionellen Antriebsstrangs sowie die Gewichtsreduktion der im Automobil verbauten Einzelkomponenten. Infolge dessen werden durch Kaltmassivumformung hergestellte Bauteile zunehmend aus höherfesten Stählen gefertigt, welche aufgrund ihrer höheren Werkstofffestigkeit eine Reduktion der tragenden Querschnitte und damit auch gleichzeitig eine gewichtsoptimierte Anpassung der Bauteilgeometrie erlauben. Während des umformtechnischen Herstellungsprozesses dieser filigranen Leichtbauteile erfährt der Werkstoff lokal große, plastische Dehnungen, infolge dessen eine irreversible Werkstofftrennung und damit eine Entstehung von Rissen begünstigt werden. Diese Form des Werkstoffversagens ist jedoch aufgrund der hohen Qualitätsanforderungen, die an hoch belastete Kaltmassivumformbauteile im Automobilbereich gestellt werden, unbedingt zu vermeiden. Um auch risskritische Kaltmassivumformprozesse vor Anlauf der Serienfertigung derart auslegen zu können, dass während der Prozessdurchführung eine irreversible Werkstofftrennung ausgeschlossen werden kann, wurde im Rahmen dieser Arbeit ein kontinuumsmechanisches Kriterium zur örtlichen, typologischen und zeitlichen Vorhersage von Oberflächenrissen entwickelt. Dazu wurde die Initiierung und das Wachstum von Längs- und Scherrisse als wesentliche Erscheinungsformen von Oberflächenrissen auf mikroskopischer Skala grundlegend untersucht. Die aus diesen experimentellen Beobachtungen gewonnenen Erkenntnisse wurden für beide Arten von Oberflächenrissen zu rissartspezifischen Mikro-Modellen verdichtet. In Erweiterung zum Stand der Erkenntnisse wurden die beiden Mikro-Modelle anschließend zu einem kontinuumsmechanischen Risskriterium zusammengefasst. Abschließend wurde dieses in ein kommerzielles FEM-Programm implementiert und an Kaltmassivumformprozessen unterschiedlicher Komplexität validiert. Dabei konnte wissenschaftlich nachgewiesen werden, dass das entwickelte Kriterium eine Vorhersage des quantitativen Schädigungsausmaßes mit einer Vorhersageungenauigkeit im Zehntelprozentbereich ermöglicht. Ferner wurde der Nachweis erbracht, dass ebenfalls auch der Ort der maximalen Oberflächenschädigung sowie erstmals auch die Schädigungszusammensetzung aus Längs- und Scherrissen mittels des implementierten Kriteriums vorhergesagt werden kann. Damit leistet das entwickelte kontinuumsmechanische Risskriterium einen wesentlichen Beitrag zur rissfreien Auslegung von Kaltmassivumformprozessen.