Blechbiegeprozess

Sensormodule für den Blechbiegeprozess

Bei der Herstellung von Blechbauteilen treten häufig Fertigungsfehler wie Falten, Risse und Einschnürungen am umgeformten Blech auf, die den Ausschuss erhöhen. Durch die Integration von Dünnschichtsensorik ist es möglich, Prozessführungen zu regeln, und so Schwankungen auszugleichen und Ausschussteile zu minimieren. Am Fraunhofer IST wird ein neuartiges Dünnschichtsensorsystem entwickelt, das in direktem Kontakt mit dem auszuformenden Werkstück steht. Das Blecheinzugsverhalten wird durch Messung von Druck- und Temperaturverteilungen im Ziehprozess präzise bestimmt. Für Ziehprozesse von Leichtmetallen wie Magnesium und Aluminium sind zusätzliche Wärmeeinwirkungen erforderlich. Die Entwicklung von Dünnschichtsensorsystemen zur lokalen Kraft- und Temperaturmessung bei 2D- und 3D-Geometrien, in Kombination mit tribologischer Beständigkeit, stellt hierbei eine besondere Herausforderung dar.

Farbliche Darstelllung der beanspruchten Kraftsensorstrukturen F1 bis F8 und Temperaturmäanderstrukturen T1 bis T4 während des Blechbiegeprozesses.
© Fraunhofer IST, Falko Oldenburg
Farbliche Darstelllung der beanspruchten Kraftsensorstrukturen F1 bis F8 und Temperaturmäanderstrukturen T1 bis T4 während des Blechbiegeprozesses.

Aufbau des Dünnschichtsensorsystems

Ziel der Arbeiten am Fraunhofer IST war der Aufbau eines Dünnschichtsensorsystems, das Temperatur- und Druckverteilungen auf einem Streifenziehwerkzeug mit gekrümmter Oberfläche detektieren soll. Das Schichtsystem besteht aus einer piezoresistiven amorphen Kohlenwasserstoffschicht (DiaForce®, d ~ 6 µm), einer lithographisch strukturierten Metallschicht (Chrom, d ~ 250 nm) und einer Isolations- und Verschleißschutzschicht (SiCON®, d ~ 3 µm). Um die Empfindlichkeit der Drucksensoren zu erhöhen und die Integration von Temperatursensoren zu ermöglichen, wird dem Schichtsystem eine zusätzliche strukturierte Isolationsschicht (SiCON®, d ~ 1,5 µm) im Bereich der Leiterbahnen und der Kontaktierung hinzugefügt. Die Kraft- und Temperatursensorstrukturen sind durch lokal versetzte Messpunkte über die Rundung des Werkzeuges angeordnet. Die Temperatursensoren bestehen aus Mäanderstrukturen aus Chrom, die zwischen den Kraftsensorstrukturen angeordnet sind. Die Kontaktierungsbereiche der einzelnen Sensorstrukturen liegen im Randbereich des Werkzeugmoduls.

Integration des Sensormoduls in eine Streifenziehanlage

Am Fraunhofer IWU in Chemnitz wurde das Sensormodul in eine Streifenziehanlage eingebaut, an der die Belastungsfälle während des Tiefziehprozesses von Streifenblechen untersucht wurden. Die Funktionstüchtigkeit des multifunktionalen Dünnschichtsystems wurde beispielhaft für ein Aluminiumstreifenblech (AA6016) getestet, welches auf eine Blechtemperatur von 200 °C vorgeheizt und über die Rundung des Tiefziehwerkzeuges umgeformt wurde. Um die Reibverluste zwischen dem Blech und dem sensorischen Schichtsystem auf der Ziehbacke möglichst gering zu halten, wurde ein spezielles Schmieröl verwendet. Durch den Kontakt des warmen Blechs mit den Temperatursensoren T1 bis T4 wird zunächst ein Temperaturanstieg verursacht. Während des Biegeprozesses bewegt sich das Aluminiumblech über die einzelnen Sensorstrukturen und bewirkt dabei ein Absinken des Sensorwiderstands der kraftmessenden Sensoren F1 bis F8. Der Biegeprozess wird mit einer abrupten Entlastung der Sensorstrukturen beendet, die dadurch lokale Widerstands­minima an jeder einzelnen Kraftsensorstruktur verursachen.

Ausblick

Im weiteren Projektverlauf ist vorgesehen, das multifunktionale Schichtsystem auf komplex geformte Werkzeuge von Tiefziehanlagen zu übertragen, um die Belastungen und Temperaturen während der Blecheinzugsbewegung ortsaufgelöst zu messen.

Das Projekt

Die beschriebenen Ergebnisse wurden innerhalb des Projekts SensoFut (Sensorized Future – Sensing of temperature and pressure in harsh environments) erzielt, an dem das Fraunhofer IST gemeinsam mit dem Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU und der belgischen Forschungsvereinigung Sirris arbeitet. SensoFut wird im 13. Cornet Call (Collective Research Networking) durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWI) und der Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) gefördert.

 

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