Noch keinen Zugang? Dann testen Sie unser Angebot jetzt 3 Monate kostenfrei. Einfach anmelden und los geht‘s!
Angemeldet bleiben
Ausgewählte Ausgabe: 07-08-2017 Ansicht: Modernes Layout
| Artikelseite 1 von 3

Schädigungsarmes virtuelles Prozessdesign

Die Herstellung komplexer Bauteilformen für die Automobil- und Maschinenbaubranche erfordert mehrstufige Massivumformprozesse, bei denen die Werkstoffe häufig an die Grenze ihrer Verformbarkeit gebracht werden. Ein anwendungsorientiertes, schädigungsarmes Prozess- und Bauteildesign wird darum immer wichtiger. Dem steht entgegen, dass die üblichen Versagenskriterien meist nicht in der Lage sind, die Schädigungsentwicklung präzise genug vorherzusagen. Das Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM hat darum in einem Forschungsprojekt ein Modell entwickelt, das die tatsächlichen Schädigungs- und Versagensmechanismen im metallischen Werkstoff abbildet und so eine bessere Vorhersage von Schadensort und Versagenszeitpunkt bei Kaltmassivumformprozessen ermöglicht (Bild 1). Damit ist das Fraunhofer IWM-Team Massivumformung seinem Ziel einen großen Schritt näher, den Umformprozess bereits im Vorfeld so auszulegen, dass die angestrebte Bauteilqualität kosteneffizient und ressourcenschonend erreicht wird und dass der Anlauf der Produktion bei Herstellern von massivumgeformten Bauteilen ohne zusätzlichen Zeit- und Kostenaufwand realisierbar ist. Die erzielten Projektergebnisse können branchenübergreifend für verwandte Problemstellungen wie der Blechumformung oder im Bereich der Bauteilsicherheit eingesetzt werden.


Bild 1 Umlaufender Riss im fließgepressten Napf: reales Teil (links) und Simulation (rechts).

Bild 1
Umlaufender Riss im fließgepressten Napf: reales Teil (links) und Simulation (rechts).

Die Ursache für die duktile Schädigung des metallischen Werkstoffs liegt in der Bildung, dem Wachstum und dem Zusammenschluss von Poren. Je nach Materialzustand können im Ausgangsgefüge bereits Poren vorliegen. Mit zunehmender plastischer Deformation bilden sich weitere Poren an Gefügeschwachstellen wie Einschlussteilchen und Korngrenzen (Porennukleation). Gleichzeitig verändert sich das Volumen der bestehenden Poren: Je nach Beanspruchungszustand tritt Porenwachstum oder Porenschließen auf. Die Bildung von Makroporen, Mikrorissen und letztlich die Entstehung eines Makrorisses wird durch den Zusammenschluss der Poren initiiert (Porenkoaleszenz).
Die im Bereich der Kaltmassivumformung bisher zum Einsatz kommenden Schädigungskriterien (zum Beispiel nach Cockroft-Latham) sind oft nicht in der Lage, die Ursachen oder gar die Wirkung der duktilen Schädigung präzise abzubilden. Im industriellen Umfeld geben diese Standardmodelle aufgrund der ungenauen Vorhersagefähigkeit lediglich eine Hilfestellung im Entscheidungsprozess, der durch umfangreiches Expertenwissen in Bezug auf die Auslegung konkreter Umformprozesse dominiert wird. Größere Genauigkeit liefern mechanismenbasierte Schädigungsmodelle (zum Beispiel nach Gurson, Gologanu oder Ponte Castaneda), bei denen die physikalischen Ursachen der duktilen Schädigung direkt modelliert werden und die somit eine höhere Vorhersagefähigkeit ermöglichen.
Im Rahmen eines IGF-Projekts entwickelte das Team Massivumformung am Fraunhofer IWM die technische Lösung zur Verbesserung der simulationsgestützten Auslegung von Kaltmassivumformprozessen durch die Weiterentwicklung eines mechanismenbasierten Materialmodells. Die Basis dafür war eine systematische Untersuchung der Ursachen für das vorliegende Werkstoffverhalten in Kaltmassivumformprozessen (Bild 2). Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler erweiterten das bekannte Modell nach Gurson, Tvergaard und Needleman (GTN-Modell), sodass es die beobachteten Mechanismen der duktilen Schädigung für die relevanten Materialien und Prozesse genau abbildet.
Bild 2 Modellierungskonzept mittels mechanismenbasierter Materialmodelle zur Beschreibung der Schädigungsentwicklung und des Versagens.

Bild 2
Modellierungskonzept mittels mechanismenbasierter Materialmodelle zur Beschreibung der Schädigungsentwicklung und des Versagens.

Seite des Artikels
Autoren

Dr. Maksim Zapara

Leiter Team Massivumformung am Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM
maksim.zapara@iwm.fraunhofer.de

 Eva Augenstein

Wissenschaftliche Mitarbeiterin am Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM
www.iwm.fraunhofer.de

Dr. Dirk Helm

Leiter Geschäftsfeld Fertigungsprozesse am Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM
www.iwm.fraunhofer.de