Forskning och utveckling inom presshärdning från innovation i Luleå till global teknologi

Transkript

1 TECHTANK CONFERENCE 2017 Forskning och utveckling inom presshärdning från innovation i Luleå till global teknologi Luleå tekniska universitet

2 Innehåll Hållfasthetslära, Luleå tekniska universitet Experimentella metoder och utrustning Presshärdning bakgrund och industriell utveckling Modellering och simulering Relation mellan mikrostruktur och mekaniska egenskaper Pågående forskning Slutsatser

3 Ämnesföreträdare Prof. Seniora forskare Prof. Hans-Åke Häggblad Prof. Pär Jonsén Personal Researcher Göran Lindkvist Researcher Gustaf Gustafsson Adj. Lecturer Eva-Lis Odenberger Adj. Prof. Daniel Casellas Lecturer Jörgen Kajberg Doktorander Dan Forsström (SSAB) Liang Deng Dimitrij Ramanenka Lluís Pérez Caro (IUC Olofström) Samuel Hammarberg Simon Larsson Stefan Marth Centrumkoordinator CHS Hans Åhlin Teknisk and administrative personal Jan Granström Lena Olsson, Karin Soini 8 Hållfasthetslära Instititionen för teknikvetenskap och matematik Forskning: Modellering av tillverkningsprocesser och produktegenskaper and produktegenskaper Termomekanisk formning Partikel- och pulvermekanik Stötmekanik

4 Experimentella metoder och utrustning Komponentprovning, stötmekanik Materialegenskaper I höga töjningshastigheter True stress [MPa] Strain rate ~900 1/s o C 1000 o C o C True strain True stress [MPa] Strain rate ~4400 1/s o C 1000 o C 1100 o C True strain

5 Experimentella metoder och utrustning Höghastighetsprovning, fordonskomponent 15 m/s (54 km/h), max. 15 hastighet m/s (54 = km/h) 20 m/s, max. kraft = 100 kn

6 Experimentella metoder och utrustning Höghastighetsprovning, fordonskomponent 15 m/s (54 km/h), max. hastighet = 20 m/s, max. kraft = 100 kn

7 Uppmätt kraft Uppmätt hastighet

8 Experimentella metoder och utrustning Varmt dragprov vid 800 C o austenitfas Austenitisering vid 900 C o i 3 minuter, snabb kylning till 800 C o, töjningshastigheter = 1, 10, 50 och 200/sek Hårdnandekurvor [Ing.töjning MPa]

9 Experimentella metoder och utrustning Mätning av töjningsfält i provstav med notch med DSP vid höga hastigheter och höga temperaturer Snabb videokamera, bilder/sek, vid 512x512 upplösning Borstål, uppvärmt till 900 C o, snabb kylning till 800 C o, initiell töjningshastighet 200 /sek

10 Presshärdning bakgrund och industrialisering Tillverkning av komponenter i ultrahöghållfast stål Termomekanisk process Bor-legerat stål Samtidig formning och härdning Innovation från Luleå, över 40 år sedan. Samarbete mellan universitetet och järnverket NJA (nu SSAB) Industrialisering genom Plannja Hardtech (nu Gestamp Hardtech) Idag den globalt dominerande teknologin för lättviktskonstruktion av fordonsstrukturer.

11 1984: Första fordonskomponenten Sidokrockskydd för SAAB 9000 Avancerade fordonsapplikationer Strukturkomponenter med skräddarsydda materialegenskaper Sidobalk, takbåge A-stolpe, B-stolpe Övriga strukturkomponenter

12 Marknadsutveckling, presshärdade komponenter Drivkrafter från miljö och säkerhet Ref.: CHS 2 -seminarium Hannover, Prof. Kurt Steinhoff Ökande komplexitet Number of parts x 10 6 [-] Year UHS-Steel quantity [Mill. Tons] Källa: Volkswagen AG Presshärdade komponenter i Volvo V40 (Röda)

13 PRESSHÄRDNINGSTEKNOLOGI FRÅN LULEÅ TILL VÄRLDEN... 7 linjer 64 lines (2005) (2014)

14 Användning av presshärdade komponenter

15 Modellering och simulering av presshärdningsprocessen Metodutvecklingen initierades i slutet av 1990-talet Forskningsmål: Modellering av den kompletta termomekaniska processen - Möjliggöra prediktering av: - Plåtförtunning - verktygskrafter - Termisk historia och materialets fasinnehåll - Mekaniska och termiska materialegenskaper under hela processen - Möjliggöra direkt tillverkning av produktionsverktyg

16 Utveckling av termiskt skalelement - Kvadratisk temperaturfält i tjockleksriktningen linjär interpolation i elementets plan - Extra temperaturnoder i tjockleksriktningen - Möjliggör prediktering av temperaturfördelning vid en- och dubbelsidiga kontakter - Möjliggör olika fasutveckling i elementets tjockleksriktning

17 Termo-mekanisk materialmodell för presshärdning Omvandling från austenit till ferrit, perlit, bainit och martensit Temperaturberoende mekanisk respons för varje fas Transformationsplasticitet Termisk modell baserad på fasinnehåll Sammansatt mekanisk elasto-plastisk respons

18 Kopplade fenomen i den termo-mekaniska materialmodellen MEKANISKT FÄLT 1 2 TEMPERATURFÄLT MIKROSTRUKTUR- UTVECKLING 1 Termiska randvillkor beror av deformation 2a Mekaniska egenskaper beror av temperatur 2b Termisk expansion 3a Latent värme beror av fastransformationer 3b Termiska egenskaper beror av mikrostruktur 4 Mikrostrukturutveckling beror av temperatur 5a Mekaniska egenskaper beror av mikrostruktur 5b Volymändringar beror av fastransformationer 5c - Transformationsplasticitet 6 Fastransformationer beror av spänning och töjning

19 Processmodellering Max återfjädring springback = 0.29 mm (negativ, skalad 20 ggr) Martensit Results final component Mätt och beräknad verktygskraft

20 Skräddarsydda materialegenskaper- processmodellering Verktygsmodell Stationärt tillstånd temperaturhistorier Omvandling till matrensit Omvandling till ferrit

21 Industriellt exampel, komponent med skräddarsydda egenskaper (Gestamp) Verktygskompensering för deformation vid kylning efter formning - Volvo XC90 A-stolpe, inre förstärkning - Initiell deformation -2.4 till 3.3 mm - Verktygsdesign baserad på formningsberäkning - Kompensering i ett steg - Komponenten inom toleranserna (+/- 1 mm) med bara små justeringar av produktionsverktyget Deformation ut ur planet Martensitinnehåll Skala -2.4 mm (blå) to 3.3 mm (röd) Skala 0.0% (blå) to 99.9% (röd)

22 Modellering av brott i multifas-material Experimentell metod Fältmätningar baserade på Digital Speckle Photography (DSP) Plana förskjutningsfält Små mätlängder, approx. 0.2 mm Effektiv plastisk töjning i tre olika stadier av deformation, mätt med DSP Modelleringsstrategi Utvärdering av hårdnandekurva genom lokalisering fram till brott med hjälp av töjningsfältsmätning.

23 Brottmodellering exampel på resultat Element med inbäddade diskontinuiteter Simulering av brott i multifas-material

24 Pågående projekt OPTUS III TECHTANK CONFERENCE 2017 DSP mätdata (ARAMIS) Mätlängd = 1.91 mm Brott-töjning, e eff = Triaxialitet, η =

25 Preliminära beräkningsresultat OPTUS brottmodell

26 Modellering och simulering av verktygsslitage Förhållanden i kontakter Laboratorieprov Simulering verktygsslitage Full-skaleprov

27 Framtida forskning inom termo-mekanisk formning Ökade krav på precision från flera tillämpningar, brottmodellering i multifasmaterial, slitageanalyser, utveckling av nya material för presshärdning etc., förutsätter förfinade och utvecklade modeller för: - Fastransformationer, introduktion av flera typer av bainit, ferrit mm samt eventuell karbid- och/eller partikelbildning i modellerna. - Relationer mellan mikrostruktur och deformations-, brott- och utmattningsegenskaper - Kontakter, prediktering av tryckfördelning - Inverkan av alla steg i processkedjan, från materialtillverkning till slutanvändare

28 6th International Conference on Hot Sheet Metal Forming of High-Performance Steel, CHS Den sjätte internationella konferensen om varmformning och presshärdning arrangerades av Luleå tekniska universitet, Universitetet i Kassel och AIST i Atlanta, Georgia, USA, 4-7 Juni, 2017.

29 7th International Conference on Hot Sheet Metal Forming of High-Performance Steel, CHS Den sjunde internationella konferensen om varmformning och presshärdning arrangers av Luleå tekniska universitet i Luleå, 2-5 Juni, 2019.

30 Acknowledgements - Dr. Greger Bergman, Dr. Magnus Eriksson, Dr. Paul Åkerström, Dr. Eva-Lis Odenberger, Dr. Rickard Östlund, Dr. Stefan Golling, Liang Deng, Stefan Marth, Jan Granström - Forskningssamarbeten med Gestamp Hardtech, Ford Motor Company, Volvo Car Corporation, Dynamore Nordic, Scania, SSAB

31