Entwicklung und Einsatz additiv gefertigter Presshärtewerkzeuge mit glattgewalzten Oberflächen

Abstract

Durch Laserpulverauftragschweißen (LPA) ist eine flexible Gestaltung von Kühlkanälen beim Presshärten mit einer Vielzahl von Größen und einer hohen Positionierungsflexibilität im Vergleich zu spanenden Verfahren möglich. Das anschließende Glattwalzen der Werkzeugoberflächen in Kombination mit einer Variation der LPA-Prozessparameter ermöglicht eine Steuerung der Werkzeugoberflächeneigenschaften und des Reibverhaltens. Parameter wie der Walzdruck oder die Bahnüberlappung im LPA-Prozess wurden untersucht, um ihre Auswirkungen auf Rauheit, Härte, Reibung, Eigenspannungen und Wärmeübergangskoeffizient der Werkzeugoberflächen zu quantifizieren. Der Reibkoeffizient bei erhöhten Temperaturen hängt stark von der Oberflächenrauheit der Werkzeugstahloberflächen ab, die durch LPA und Glattwalzen erzeugt wird. Das letztgenannte Verfahren verbessert die Oberflächenintegrität: Die Rauheitsspitzen werden um bis zu 75 % abgeflacht, die Härte und die Eigenspannungen werden um bis zu 20 % bzw. 70 % erhöht. Die Rauheit der Werkzeugoberflächen wird jedoch hauptsächlich durch die Bahnüberlappung beim LPA-Verfahren bestimmt. Trotz der höheren Oberflächenrauheit liegt der Wärmeübergangskoeffizient im Bereich konventionell ge- fertigter Werkzeugoberflächen von bis zu 2.700 W/m2K bei Kontaktdrücken bis zu 40 MPa. Darüber hinaus senken die additiv gefertigten oberflächennahen Kühlkanäle einerseits die Stempeltemperatur im Presshärteprozess, andererseits halten sie die Werkzeugtemperatur über mehrere Presshärtezyklen konstant. Im Vergleich zum konventionell gefertigten Stempel bietet das LPA-Verfahren den Vorteil, dass der Abstand der Kühlkanäle zur Werkzeugoberfläche auf ein Drittel verringert ist und ein kontinuierlicher Kühlmittelkreislauf im Stempel erzeugt wird. Da die Temperatur des Stempels reduziert und konstant gehalten wird, besteht das Potenzial, die Zykluszeiten zu reduzieren und eine Überhitzung der Werkzeuge zu vermeiden. Darüber hinaus kann durch die oberflächennahen Kühlkanäle die Härte des Hutprofils aus dem Werkstoff 22MnB5 im gekühlten Kontaktbereich erhöht werden. Durch den Einsatz eines texturierten Niederhalters wird der thermische Verlauf des Bauteils verändert: Die mittels LPA hergestellte Textur hält die Wärme länger im Blech, was eine höhere Duktilität des Teils während des Presshärtens in Verbindung mit einer homogenen Temperaturverteilung über das Hutprofil ermöglicht. Dies wirkt sich direkt auf die Blechdicke, die Festigkeit und die Härte des umgeformten Bauteils aus: Eigenschaften, die im Vergleich zum konventionellen Werkzeug höhere und homogener verteilte Werte aufweisen. Numerische Simulationen des Prozesses können diese Effekte ebenfalls genau vorhersagen. Zusammenfassend konnten die Möglichkeiten und vorteilhaften Eigenschaften der Her- stellung von Presshärtewerkzeugen durch die neue Prozesskombination aus LPA und Glattwalzen nachgewiesen werden. Diese Erkenntnisse können für weitere Entwicklungen in diesem Bereich genutzt werden, wie die Anwendung von beidseitigen Texturen auf den Werkzeugen oder die Gestaltung von Kühlkanälen für komplexere Geometrien.

By Directed Energy Deposition (DED) a flexible design of cooling channels in hot stamping tools with a variety of sizes and a high positioning flexibility compared to machining processes is possible. The subsequent ball burnishing of the tool surfaces in combination with a variation of the DED process parameters enables a control of the tool surface properties and the friction behavior. Parameters such as the ball burnishing pressure or the path overlapping in the DED process are investigated to quantify their effects on roughness, hardness, friction, residual stresses and heat transfer coefficient of generic tool surfaces. The friction coefficient at elevated temperatures depends strongly on the surface roughness of the tool steel surfaces generated by DED and ball burnishing. The latter process improves the surface integrity: the roughness peaks are leveled by up to 75 %, the hardness and the residual stresses are enhanced by up to 20 % and 70 %, respectively. However, the roughness of the tool surfaces is determined mainly by the path overlapping of the welded beads in the DED process. Despite the higher surface roughness, the heat transfer coefficient is in the range of conventionally manufactured tool surfaces of up to 2,700 W/m2K for contact pressures up to 40 MPa. Furthermore the additively manufactured near-surface cooling channels on the one hand decrease the punch temperature in the hot stamping process, on the other hand keep the tool temperature constant during multiple hot stamping cycles. Compared to the conventionally manufactured punch, the DED process provides the advantage that the distance of the cooling channels to the tool surface is reduced to one third and a continuous coolant cycle is generated in the punch. Since the punch temperature is reduced and kept constant, the potential to reduce cycle times and prevent overheating of the tools is provided. Moreover, the near-surface cooling channels can increase the hardening effect on the hot stamped 22MnB5-part in the cooled contact area. Employing a textured blank holder, the thermal history of the part is altered: The texture manufactured by DED retains the heat inside the blank for a longer time, allowing a higher ductility of the part during hot stamping, combined with a homogenized temperature distribution over the hat profile. This directly influences the formed part's sheet thickness, strength, and hardness: properties that show higher and more homogeneously distributed values compared to the conventional tool route. Numerical simulations of the process can also predict these effects accurately. In conclusion, the feasibility and advantageous characteristics of manufacturing hot stamping tools by the novel process combination of DED and ball burnishing are proven.These findings can be used for further developments in this field, like the application of both-sided textures on the tools or the design of cooling channels for more complex geometries.