Meso-Macroscopic Modelling of 3MA NDT System on Hot Stamped Parts

Das Presshärten ist ein innovatives Herstellungsverfahren, u.a. für Verstärkungselemente der Fahrgastsicherheitszelle im Automobilbau. Diese Teile dienen der Verbesserung der Crashsicherheit und des Insassenschutzes. Demzufolge ist es unumgänglich, die Eigenschaften der crashrelevanten Bauteile, z.B. Härte, Eigenspannungen und andere Kenngrößen sowie Parameter der Mikrostruktur (Soft- und Hardzones, Übergangsbereiche) entsprechend zu beeinflussen. Um die Qualität dieser Eigenschaften zu überwachen, gehen die Hersteller von pressgehärteten Bauteilen zunehmend dazu über, die Kenngrößen und die Mikrostruktur der Bauteile mittels 3MA-Verfahren während der Herstellung zerstörungsfrei zu prüfen bzw. zu überwachen. Das so genannte 3MA-Prüfsystem, entwickelt am Fraunhofer IZFP, kombiniert hierzu vier verschiedene mikromagnetische Messmethoden: Oberwellenanalyse, Barkhausenrauschen, Mehrfrequenz-Wirbelstrom und Überlagerungspermeabilität. Zum besseren Verständnis der Zusammenhänge zwischen Messergebnis, Mikrostruktur und Kenngrößen des Werkstoffs, war es erforderlich, die mit 3MA ermittelten elektromagnetischen Signale dieser Methoden zu simulieren. Die hier vorgestellten Simulationen beziehen sich auf zwei Methoden der 3MA-Prüftechnik, die Oberwellenanalyse und die Überlagerungspermeabilität. Diese können durch die Verwendung einer zuverlässigen ZfP-Plattform auf Basis von Finite-Elemente-Methoden auch in komplexen Werkstoffstrukturen simuliert werden. Eine große Herausforderung bestand in der Entwicklung eines Modells, welches das implementierte Hysterese-Modell mit den skalenübergreifenden Geometrien und Zeitsignalen kombiniert. Zur Vermeidung von Speicherplatz- und Näherungsproblemen wurden Einzelberechnungen implementiert. Im mesoskopischen Modell ist das ferromagnetische Verhalten für quasistatische Bereiche anhand der mathematischen Formel von Jiles Atherton beschrieben. Die Ummagnetisierungsverluste sowie die Wirbelstrom- und frequenzabhängigen Verluste werden durch das Bertotti-Modell dargestellt. Die Robustheit des FEM-Codes wird durch den Vergleich der FEM-Ergebnisse mit den experimentell ermittelten Messwerten nachgewiesen. Zusammenhänge zwischen mechanischen Eigenschaften und denen der 3MA-Messungen, aber auch den Simulationsergebnissen werden in diesem Beitrag eingehend erläutert.