Simulation maßgeschneiderter Eigenschaften in Automobilkomponenten: Der FEM-Ansatz von GEDIA mit der TemperBox®
Im Kontext moderner Fahrzeugentwicklung ist die Integration maßgeschneiderter Härtungsverfahren ein entscheidender Faktor zur Optimierung der Crashsicherheit bei gleichzeitiger Gewichtsreduktion. Die von GEDIA entwickelte TemperBox®-Technologie ermöglicht die Herstellung von pressgehärteten Stahlkomponenten mit lokal definierten mechanischen Eigenschaften – darunter martensitisch gehärtete Zonen, duktil ausgelegte Bereiche sowie abgestufte Übergangszonen. Diese differenzierte Materialstruktur stellt hohe Anforderungen an die numerische Simulation, insbesondere im Hinblick auf die präzise Abbildung des strukturellen Verhaltens unter Crashbelastung.
Die Simulation maßgeschneiderter Bauteile ist integraler Bestandteil des GEDIA-Produktentwicklungsprozesses, der von der Funktionsdefinition über das CAD-Design bis hin zur Validierung durch physikalische Tests reicht. Dabei fungiert die FEM-Simulation als Bindeglied zwischen prozessbedingten mikrostrukturellen Veränderungen und der strukturellen Leistungsbewertung. Insbesondere müssen lokale Unterschiede in Härte, Streckgrenze, Zugfestigkeit und Versagensverhalten korrekt in das Simulationsmodell übertragen werden.
Zur Abbildung dieser Komplexität hat GEDIA zwei unterschiedliche Simulationsmethoden entwickelt, die jeweils auf verschiedene Projektphasen abgestimmt sind. Die High Accuracy Method kommt in der Validierungsphase zum Einsatz und basiert auf detaillierten Eingabedaten aus der Umformsimulation, wie z. B. Dickenverteilung, plastische Dehnung und Härteverläufe. Diese Daten werden mittels mathematischer Korrelationen in mechanische Kennwerte überführt und auf Elementebene im FE-Modell zugewiesen. Dadurch lassen sich auch komplexe Übergangsbereiche mit hoher Genauigkeit simulieren – ein entscheidender Vorteil für die Crashanalyse.
Die zweite Methode, die sogenannte Concept Phase Method, ist für die frühe Konzeptentwicklung konzipiert. Sie erlaubt schnelle Iterationen, auch wenn noch keine vollständigen Umformsimulationen vorliegen. Hierbei erfolgt die Materialzuweisung zonenspezifisch, wobei das Bauteil in harte, weiche und Übergangsbereiche unterteilt wird. Die mechanischen Eigenschaften werden auf Basis typischer Werte zugewiesen. Diese Methode bietet eine gute Balance zwischen Modellierungstiefe und Entwicklungsagilität.
Die Validierung beider Simulationsansätze erfolgt durch quasistatische Drei-Punkt-Biegeversuche sowie dynamische Falltests. Die Übereinstimmung zwischen simulierten und experimentellen Kraft-Weg-Kurven sowie den Versagensmustern bestätigt die hohe Prognosequalität beider Methoden. Besonders die High Accuracy Method zeigt eine exzellente Abbildung lokal auftretender Versagensmechanismen, während die Concept Phase Method eine solide Grundlage für die Konzeptbewertung bietet.
Neben der technischen Präzision bietet die Simulationsmethodik von GEDIA auch praktische Vorteile: Sie erlaubt die Gestaltung von Komponenten mit mehreren duktilen Zonen, eine flexible Anpassung der Übergangsbreite (zwischen 30–70 mm), sowie die reproduzierbare Geometrie ohne thermische Verzüge. Die TemperBox®-Technologie ist zudem zykluszeitneutral und lässt sich problemlos in bestehende Fertigungslinien integrieren. Ein weiterer Vorteil liegt in der Möglichkeit, kostenintensive Laser-Schweißplatinen durch monolithische, maßgeschneiderte Bauteile zu ersetzen.
Zusammenfassend zeigt GEDIAs Simulationsstrategie für TemperBox®-Bauteile, wie sich Prozesssimulation, Werkstoffmodellierung und Strukturmechanik erfolgreich miteinander verknüpfen lassen. Durch die Integration prozessspezifischer Daten in die Crashsimulation wird eine hohe Vorhersagegenauigkeit erreicht, die eine sichere und effiziente Bauteilauslegung ermöglicht. Maßgeschneiderte Eigenschaften sind somit keine Simulations-Blackbox mehr – sondern ein steuerbares und optimierbares Designmerkmal moderner Fahrzeugtechnik.
- Prahel Bhandari, FEM-Berechnung Vorentwicklung