Integrierte Simulation

  Optimierung der Crashperformance hochmanganhaltiger Stähle IBF

Die Kopplung von Prozessbedingungen und Materialeigenschaften über mehrere Größenskalen hinweg ermöglicht die simulative Erforschung und Optimierung unterschiedlichster Prozessketten.

Die in diesem Querschnittsbereich verankerten Forschungsthemen sind unterschiedlichen Arbeitsgruppen zugeordnet und werden im Folgenden dargestellt.

 
 

Schädigungskontrollierte Umformung - Kaliberwalzen

FE-Modell des Kaliberwalzens

Mit der zunehmenden Nachfrage nach leichten und leistungsfähigen Bauteilen müssen innovative Methoden zur Bewertung und Kontrolle der Schädigungsentwicklung in Umformprozessen entwickelt werden. Mit diesem Ziel wird das Kaliberwalzen zur Herstellung von Halbzeugen aus dem Einsatzstahl 16MnCrS5 erforscht. Als Fokus der Forschung gilt die Schädigungsevolution, welche die Entstehung, das Wachstum und die Vereinigung von Poren beschreibt. Zur Beeinflussung der Schädigungsentwicklung werden verschiedene Prozessparamater wie etwa die Kalibrierung oder der Walzendurchmesser untersucht. Weiterhin werden existierende sowie weiterentwickelte Schädigungsmodelle in FE Modelle implementiert, um eine Schädigungsvorhersage zu ermöglichen. Im Laufe des Projekts werden stabförmige Halbzeuge mit gleicher Geometrie aber unterschiedlichen Schädigungen durch Kaliberwalzen hergestellt, die durch z.B. Fließpressen weiterverarbeitet und untersucht werden.

Für weitere Informationen wenden Sie sich bitte an Shuhan Wang.


Bild: FE-Modell des Kaliberwalzens, Bildrechte: IBF
 

Schädigungskontrollierte Umformung - Flachwalzen

Walzspalt beim Warmflachwalzen

Das Warmflachwalzen wird verwendet um Blechhalbzeuge herzustellen. Diese werden in einer Vielzahl von Bereichen, wie etwa der Automobilindustrie, beispielsweise zu Strukturbauteilen weiter umgeformt. Während der Halbzeugherstellung wird die Dicke von meist stranggegossenem Ausgangsmaterial in mehreren Walzstichen reduziert. Hierdurch werden sowohl die Zielgeometrie als auch die mechanischen Eigenschaften des Materials eingestellt. Die Einstellung günstiger Prozessbedingungen ermöglicht es beim Urformen eingebrachte Gussporen zu schließen. Durch Verschweißen der Poreninnenflächen können die Poren ausgeheilt und die Schädigung des Materials verringert werden. Als entscheidend für das Ausheilen von Gussporen gilt der Lastpfad. Dieser ist definiert als die zeitliche Abfolge von Spannungs- und Formänderungszustand, die das Walzgut erfährt. Die Ermittlung einstellbarer Lastpfade beim Warmflachwalzen und deren Auswirkung auf die Porenevolution stehen im Fokus dieses Forschungsvorhabens.

Für weitere Informationen wenden Sie sich bitte an Conrad Liebsch.


Bild: Walzspalt beim Warmflachwalzen, Bildrechte: IBF
 

Kaltwalzstrategien zur Herstellung magnetisch optimierter Elektrobleche für energieeffiziente Antriebe

Multiskalen-Modell zur Berechnung der Texturentwicklung beim Kaltwalzen

Eine Möglichkeit zur Steigerung der Effizienz elektrischer Antriebe bietet die Optimierung der magnetischen Eigenschaften des im Magnetkern eingesetzten Elektrobandes. Um den Einfluss von Prozessparametern auf diese Eigenschaften zu quantifizieren und die wissenschaftlich-theoretischen Grundlagen für die Entwicklung verlustarmer Elektrobleche zu schaffen, wird in einer interdisziplinären DFG Forschergruppe, FOR 1897, an einer durchgängigen Prozesskettenmodellierung geforscht. Das IBF beschäftigt sich mit der Untersuchung und Modellierung des Kaltwalzprozesses. Bei der Modellierung handelt es sich um ein Multiskalen-Modell, das ein makroskopisches Finite-Elemente-Modell, kurz FEM, und ein mikroskopisches Kristallplastizität-FE Model enthält. Dadurch lässt sich der Einfluss der Walzstrategien und Vormaterialzustände auf die lokale Texturentwicklung im Walzgut ermitteln. Eine Verknüpfung der Teilmodelle ermöglicht die modellgestützte Prozessauslegung für verlustarme Elektrobleche.

Für weitere Informationen wenden Sie sich bitte an Xuefei Wei.


Bild: Multiskalen-Modell zur Berechnung der Texturentwicklung beim Kaltwalzen, Bildrechte: IBF, IMM
 

Simulation der Prozesskette einer Turbinenscheibe

Prozesskette zur Herstellung der Turbinenscheibe und Position im Triebwerk

Die Herstellung von Turbinenscheiben für die Luft- und Raumfahrt ist durch besonders strenge Sicherheitsauflagen gekennzeichnet. Hierzu gehört insbesondere das Einhalten enger Richtlinien bezüglich der Mikrostruktur. Bei der Auslegung der Prozesskette muss daher die Mikrostrukturentwicklung berücksichtigt werden. Dazu wurde eine Online-Kopplung zwischen StrucSim, einem Programm zur Berechnung der Mikrostruktur, und der kommerziellen Finite-Elemente, kurz FE, Software Simufact entwickelt. Dies bedeutet, dass StrucSim während der FE Simulation aufgerufen wird und die Ergebnisse beeinflusst. Anschließend wurde die Prozesskette vollständig in der FE Software abgebildet und mit der Online-Kopplung gerechnet. Durch die Kopplung konnte die Mikrostrukturentwicklung über das gesamte Bauteil während der ganzen Prozesskette nachvollzogen werden. In Zukunft kann diese Technik genutzt werden, um diese oder andere Prozessketten hinsichtlich Produktivität oder Reproduzierbarkeit zu optimieren.

Für weitere Informationen wenden Sie sich bitte an Alexander Krämer.


Bild: Prozesskette zur Herstellung der Turbinenscheibe und Position im Triebwerk, Bildrechte: Leistritz, SMS, IBF
 

Hoch Mangan Stahl Crashboxen

Experimentelle und simulierte hoch Mangan Stahl Crashbox

Manganreiche Stähle, kurz HMnS, besitzen aufgrund ihrer außergewöhnlichen Kombination von Zugfestigkeit und Bruchdehnung nominell ein hohes Energieabsorptionspotenzial. Dieses qualifiziert die HMnS als potentielle Werkstoffe für crashrelevante Bauteile im Automobil. Allerdings werden die verfügbaren Bruchdehnungen von bis zu 70% beim Crash dünnwandiger Strukturen nicht ausgeschöpft. Um HMnS trotzdem für crashrelevante Leichtbaustrukturen anwenden zu können, müssen verschiedene Maßnahmen ergriffen werden. Dazu zählen ein angepasstes Legierungsdesign und die Einstellung einer maßgeschneiderten Mikrostruktur mit erhöhter Streckgrenze. Dadurch soll ein definiertes Verformungsverhalten mit maximaler Energieaufnahme erreicht werden. Begleitend zu der experimentellen Untersuchung der optimalen Materialeigenschaften wird das Crashverhalten skalenübergreifend simuliert. Dafür wird ein physikalisch-basiertes Verfestigungs-Modell mit Inputdaten aus ab initio Berechnungen mit der FEM-Simulation gekoppelt.

Für weitere Informationen wenden Sie sich bitte an Angela Quadfasel.


Bild: Experimentelle und simulierte hoch Mangan Stahl Crashbox, Bildrechte: IBF
 

Mikrostruktursimulation mit StrucSim

Simulation der Fließkurve mittels StrucSim

StrucSim, entwickelt am Institut für Bildsame Formgebung, ist ein Programm zur Simulation der Mikrostrukturentwicklung sowie der Fließspannung für Warmumformprozesse. Die Herausforderung bei Warmumformprozessen, insbesondere bei mehrstufigen Warmumformprozessen (Prozessketten), ist die Beschreibung der Wechselwirkung zwischen Verfestigung und Entfestigung des Werkstoffs. Zur Lösung dieser Herausforderung wird die Mikrostruktur des Werkstoffs über Zustandsvariablen beschrieben, die sich abhängig von den Prozessparametern wie beispielsweise Temperatur und Zeit entwickeln. Somit können Größen, wie die mittlere Korngröße oder der rekristallisierte Anteil berechnet und die Fließspannung für jeden Zeitpunkt aus diesen abgeleitet werden. StrucSim findet in mehreren industriellen und wissenschaftlichen Projekten erfolgreich Anwendung. Die Erweiterung der Funktionalität des Programms, sowie die Kopplung an FE-Programmen, wie Simufact, Abaqus etc. sind laufende Arbeiten.

Für weitere Informationen wenden Sie sich bitte an Rajeevan Rabindran.


Bild: Simulation der Fließkurve mittels StrucSim, Bildrechte: IBF
 
Mikrostrukturberechnung mit StrucSim beim Walzen und Schmieden
Mikrostrukturberechnung mit StrucSim beim Walzen und Schmieden
 

Prozesskettenmodellierung einer Aluminiumwalzlegierung im AMAP P1

Prozesskette und Konsortium im AMAP P1 Projekt

Innerhalb des Forschungsclusters „Advanced Metals and Processes“, kurz AMAP, in Aachen wurde im Rahmen des Projekts 1 „Prozessübergreifende Modellierung von Bauteilen aus gewalzten und geglühten Al-Bändern mit speziellen Eigenschaften für die Automobilindustrie“ die Prozesskette einer Automobilaußenhautlegierung (AA6016) erforscht. Eine Besonderheit des Projektes ist dabei nicht nur der Ansatz, eine Prozesskette sowohl in der industriellen Fertigung, im Labor und mittels numerischer Modelle zu untersuchen, sondern auch das Konsortium der beteiligten Firmen. Innerhalb des Projekts 1 kooperieren drei große Aluminiumhersteller (Aleris, Hydro und Novelis), die sonst im Wettbewerb miteinander stehen sowie Mubea als Automobilzulieferer und die SMS Group als Maschinenbauer. Neben den Industriepartnern sind das Institut für Metallkunde und Metallphysik, kurz IMM, und das Institut für Bildsame Formgebung, kurz IBF, der RWTH Aachen beteiligt.

Für weitere Informationen wenden Sie sich bitte an Stephan Hojda.


Bild: Prozesskette und Konsortium im AMAP P1 Projekt, Bildrechte: AMAP
 

Finite Elemente basierte Prozessauslegung zur Herstellung von Metallverbundwerkstoffen durch Walzplattieren

FE Modell zur Berechnung der Verbindungsfestigkeit beim Walzplattieren

Das Walzplattieren ermöglicht die Herstellung von Verbundwerkstoffen mit maßgeschneiderten Eigenschaftskombinationen. Bei dem Walzplattieren werden Plattierpartner durch plastische Deformation permanent verbunden. Die Verbundentstehung ist ein komplexer Prozess, der durch Material- und Prozessparameter beeinflusst wird. Am IBF steht eine Abaqus Subroutine für die Berechnung der Verbundentstehung und des Versagens zur Verfügung. In einem DFG-Transferprojekt wird diese Subroutine weiterentwickelt, um effiziente Prozessrouten für neue Werkstoffkombinationen zu erarbeiten. Mit dieser Subroutine und dem Abaqus-Prozessmodell kann jetzt das Walzplattieren abgebildet werden. Die Festigkeit wird in Abhängigkeit von der Oberflächenvergrößerung berechnet. Durch ungünstige Belastungszustände nach dem Walzspalt kann sich der aufgebaute Verbund auch wieder lösen. So können jetzt die Einflüsse von Parametern wie Temperatur und Höhenabnahme auf die Festigkeit und den Verbundzustand simuliert werden.

Für weitere Informationen wenden Sie sich bitte an Zhao Liu.


Bild: FE Modell zur Berechnung der Verbindungsfestigkeit beim Walzplattieren, Bildrechte: IBF, Hydro
  Simulation des Walzplattierens
 
 

Untersuchung des Nachwalzens mit Fokus Oberfläche

Skizze des Nachwalzprozesses mit mill finish und EDT Oberfläche

Eine wichtige Charakteristik gewalzter Aluminiumbänder für den Einsatz in der Automobilaußenhaut ist die Beschaffenheit der Oberfläche. Die Topographie der Oberfläche und insbesondere die Anzahl der Rauigkeitsspitzen sowie das Volumen geschlossener Schmiertaschen beeinflussen den Erfolg der nachfolgenden Prozessschritte Tiefziehen und Lackieren.
In den bisherigen Arbeiten wurde untersucht, welcher Zusammenhang zwischen der Prozesskinematik des Nachwalzens und den Abprägemechanismen besteht. Dazu wurde die Kinematik eines Prozessmodells des Flachwalzens auf ein Mesomodell zur Beschreibung der Oberflächenabprägung übertragen. Bezüglich der Abprägung der Oberfläche konnte eine gute Übereinstimmung zwischen Simulation und Experiment gezeigt werden.
Mittelfristig soll das numerische Modell dazu dienen, eine wissensbasierte Auslegung des Skin-Pass Prozesses für Aluminiumlegierungen unter Berücksichtigung globaler und lokaler Einflüsse zu ermöglichen.

Für weitere Informationen wenden Sie sich bitte an Stephan Hojda.


Bild: Skizze des Nachwalzprozesses mit mill finish und EDT Oberfläche, Bildrechte: IBF
 
Simulation der Oberflächenabprägung beim Nachwalzen von Aluminium
Simulation der Oberflächenabprägung beim Nachwalzen von Aluminium
 
 

Schließen von Hohlstellen im Freiformschmieden

Vergleich des Porenschlusses in Experiment und FEM

Die großen Rohblöcke für das Freiformschmieden werden meist durch Blockguss hergestellt. Trotz Maßnahmen zur Verbesserung der Gießqualitäten lassen sich Gussfehler wie z.B. Lunker, Gasblasen und Poren nicht vollständig vermeiden. Eines der Ziele des Freiformschmiedens ist es daher, neben der Einstellung der Zielgeometrie und der Überführung des Gussgefüges in ein homogenes Umformgefüge, diese Poren zu schließen und zu verschweißen, wobei der Erfolg wesentlich von der Prozessführung abhängt. Bis heute werden in den Lieferspezifikationen von Schmiedeunternehmen erheblich erfahrungsbasierte Sicherheitsfaktoren berücksichtigt, die ein sicheres Schließen und Verschweißen der Poren garantieren sollen. Das Ziel dieses Forschungsprojektes ist es daher, mit Hilfe der Finiten-Elemente (FEM) in Verbindung mit einem zuverlässigen Kriterium sowohl für das Verschließen als auch das Verschweißen von Poren die Möglichkeit zur kürzeren und effektiveren Prozesskettenauslegung zu schaffen.

Für weitere Informationen wenden Sie sich bitte an Paul Hibbe.


Bild: Vergleich des Porenschlusses in Experiment und FEM, Bildrechte: IBF
 

Untersuchung von Einflussgrößen beim Ringwalzen

Kantenriss bei einem ringgewalzten Bauteil

Aufgrund der hohen Variantenvielfalt ist die Prozesskette des Ringwalzens aktuell meist nur teilweise automatisiert. Die Ursachen für Fehler im finalen Produkt, wie z.B. Poren oder Risse, sind so oft nur schwer zu identifizieren, da weder das Ausmaß der Prozessschwankungen noch die Gewichtung einzelner Parameter bekannt sind.
Für die Untersuchung der Einflussgrößen werden variierende Parameter im industriellen Umfeld identifiziert und quantifiziert. Basierend auf den in der Industrie gemessenen Daten wird der Einfluss der identifizierten Faktoren auf die finalen Produkteigenschaften bestimmt. Hierfür wird in der numerischen Simulation mit Hilfe von Schädigungsmodellen und Mikrostruktursimulationen untersucht, welche Parameterkombinationen besonders kritisch bzw. günstig sind.
Somit soll ein Prozesslayout ermöglicht werden, welches den verschiedenen schwankungsbehafteten Parametern Rechnung trägt, um so effizientere Produkte bei gleichzeitig geringerem Ausschuss produzieren zu können.

Für weitere Informationen wenden Sie sich bitte an Gideon Schwich.


Bild: Kantenriss bei einem ringgewalzten Bauteil, Bildrechte: IBF
 

Lokale Wärmebehandlung kaltverfestigter Stähle

Lokal und global wärmebehandelte Crashboxen nach Fallturmversuch

Aktuelle Leichtbaukonzepte fördern die Nachfrage nach höherfesten Stählen, die gleichzeitig eine ausreichende Umformbarkeit bieten. Die Kombination von Kaltverfestigung und anschließender lokaler Wärmebehandlung stellt eine vielversprechende Alternative dar, um die Eigenschaften niedriglegierter Stähle entsprechend anzupassen. Dieser Ansatz kann neben der Erhöhung der Umformbarkeit von Halbzeugen dazu genutzt werden, die Eigenschaftsverteilung im Blech optimal an die Funktion des späteren Bauteils anzupassen. Im Rahmen des gemeinsamen Forschungsvorhabens vom Institut für Bildsame Formgebung und dem Fraunhofer-Institut für Lasertechnik werden am Beispiel einer Crashbox zunächst mittels FE-Simulationen lokale Entfestigungsstrategien entwickelt, die die Energieabsorptionsfähigkeit erhöhen. Dynamische Fallturmversuche an realen Crashboxen bestätigen, dass der Stauchweg verglichen mit einer vollständig wärmebehandelten Crashbox um 28 % reduziert und so Gewicht eingespart werden kann.

Für weitere Informationen wenden Sie sich bitte an Laura Conrads.


Bild: Lokal und global wärmebehandelte Crashboxen nach Fallturmversuch, Bildrechte: ILT
  Verbesserung der Crashperformance
 
 

FE-Simulation mehrstufiger Biegeprozesse

Biegezentrum eines Stanzbiegeautomaten

Die Stanzbiegetechnologie wird genutzt, um komplexe Biegeteile, beispielsweise für die Elektrotechnik, herzustellen. Die Auslegung von Stanzbiegeprozessen erfolgt meist erfahrungsbasiert und wird durch experimentelle Referenzversuche begleitet. Ziel des Kooperationsprojekts mit der Phoenix Feinbau GmbH & Co. KG ist die Erstellung von FE-Modellen zur Beschreibung der Fertigung von Stanzbiegeteilen mit federnden Eigenschaften. Einen Schwerpunkt stellt dabei die Aufbereitung der Materialdaten von hochfesten Federstählen mittels inverser Modellierung unter Biegelast dar. Weiter werden experimentelle Untersuchungen zur korrekten Beschreibung der FE-Randbedingungen durchgeführt. Die erarbeiteten und validierten FE-Modelle werden anschließend genutzt, um unterschiedliche Einflussfaktoren im Stanzbiegeprozess auf das Biegeergebnis zu untersuchen und zu bewerten.

Für weitere Informationen wenden Sie sich bitte an Chris Mertin.


Bild: Biegezentrum eines Stanzbiegeautomaten, Bildrechte: Phoenix Feinbau GmbH & Co. KG
 
Rückfederungssimulation beim mehrstufigen Biegen
Rückfederungssimulation beim mehrstufigen Biegen