Werkstoffe Blechwerkstoffe mit dem virtuellen Labor charakterisieren

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Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik

Steigende Anforderungen an Blechumformprozesse brauchen immer umfangreichere experimentelle Charakterisierungen der Ausgangswerkstoffe. Dabei kann das Fraunhofer IWM helfen, denn es bestimmt die nötigen Kennwerte für die Auslegung des Blechumformprozesses per Simulation.

Blechwerkstoffe, etwa für komplexe Autokarosserien, effiziente Plattenwärmetauscher oder handelsübliche Getränkedosen, haben eine Besonderheit: Ihre Werkstoffeigenschaften variieren mit der Richtung, in der die Bleche umgeformt beziehungsweise belastet werden. Für die Industrie ist es enorm wichtig, dieses Werkstoffverhalten genau zu kennen, um den Blechumformprozess auslegen und somit das Bauteil formgenau herstellen zu können.

Doch die nötige experimentelle Bestimmung der richtungsabhängigen Werkstoffeigenschaften wird zunehmend umfangreicher und nicht jeder Belastungszustand im Fertigungsprozess lässt sich im Experiment realisieren: Beispielsweise ist die Bestimmung dieser Werkstoffeigenschaften bei Druckbelastung kritisch. Zusätzlich werden Blechbauteile immer filigraner und dünnwandiger. Hierdurch lassen sich viele Materialien – etwa Metallfolien, wie sie in der Batterietechnik benötigt werden – schwer experimentell charakterisieren, da sie äußerst schnell Falten bilden oder reißen. Für diese Materialien gibt es folglich nicht genug Versuchsdaten, auf die man zurückgreifen kann.

Mechanischen Eigenschaften per Simulation bestimmen

Das Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM hat mit seinem virtuellen Labor eine Möglichkeit geschaffen, diese Lücke zu schließen. „Wir bestimmen die Richtungsabhängigkeit der mechanischen Eigenschaften bei Blechwerkstoffen per Simulation“, erklärt Alexander Wessel, Wissenschaftler am Fraunhofer IWM in der Gruppe Umformprozesse. „Dabei bilden wir die Werkstoffe auf Mikrometerebene in einem Mikrostrukturmodell ab und sagen das makroskopische richtungsabhängige Werkstoffverhalten auf Basis der zugrundeliegenden physikalischen Mechanismen in der Mikroebene voraus.“

Auf diese Weise lassen sich auch solche Blechwerkstoffe charakterisieren und die entsprechenden Werkstoffkennwerte für die Auslegung des Umformungsprozesses ermitteln, bei denen dies allein aus dem Experiment nicht möglich ist. „Bei unserem Vorgehen mit dem virtuellen Labor kommen wir mit wenigen experimentellen Datenpunkten aus und errechnen uns die fehlenden Daten“, erläutert Wessel. Der zeitliche und finanzielle Aufwand ist somit im Vergleich zu einer rein experimentellen Charakterisierung deutlich niedriger. Für Unternehmen bedeutet das, dass sie die Entwicklungszeiten verkürzen und Kosten bei der Einführung neuer Umformprozesse einsparen.

Mit Universität Twente Prognosequalität erhöhen

Um die Prognosequalität des virtuellen Labors noch weiter zu erhöhen und den wirtschaftlichen Nutzen für die Industrie auszubauen, arbeitet das Fraunhofer IWM mit der Forschungsgruppe von Professor Ton van den Boogaard der Universität Twente in den Niederlanden zusammen, die ebenfalls an Umformprozessen forscht. Mit ihnen hat Alexander Wessel gerade fünf Monate vor Ort zusammengearbeitet.

Das Ziel von Wessels Aufenthalt in den Niederlanden lag vor allem im Vergleich der verschiedenen Simulationsansätze und in der Verbesserung der Prognosequalität des virtuellen Labors. „Die aktuellen Ergebnisse zeigen, dass es zum Beispiel noch Optimierungspotenzial bei der Vorhersage von richtungsabhängigen Werkstoffeigenschaften bei aushärtbaren Aluminiumlegierungen gibt“, so Wessel. Zusammen mit Assistenzprofessor Semih Perdahcioglu der Universität Twente konnte bereits ein erster Modellierungsansatz zur Lösung der Problemstellung erarbeitet werden. Diesen gilt es nun weiter zu verbessern und in das virtuelle Labor zu integrieren. Hierdurch soll die Vorhersagegenauigkeit für aushärtbare Aluminiumlegierungen, wie sie beispielsweise für Karosserien im Automobilbau eingesetzt werden, weiter erhöht werden können.

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