Die virtuelle Abbildung von Blech- und Massivumformungsverfahren stellt heute aufgrund der heutigen Genauigkeitsanforderungen an Bauteile und Komponenten besondere Anforderungen an die verwendeten Werkstoffmodelle. Das Institut für Umformtechnik arbeitet auf diesem Gebiet an aktuellen Forschungsfragen zum phänomenologischen Umformverhalten metallischer Halbzeuge und verfügt über moderne und geeignete Messtechnik für deren Charakterisierung. Die Genauigkeit der Voraussage des Umformverhaltens der Halbzeuge in der Blech- und Massivumformung wird im Wesentlichen durch die Fließkurve, die Anisotropie des Werkstoffs, den Fließort sowie Versagenskriterien geprägt. Die Forschungsarbeiten des Institutes beziehen sich daher auf die Charakterisierung moderner Leichtbauwerkstoffe und deren phänomenologische Modellierung.
Spezifische Verformungsarbeit und Wärmeenergie in der hochverformten Zone kurz vor Bruch für einachsige Zug- und Scherzugversuche
Für die zuverlässige Auslegung von crashbelasteten Komponenten aus Metallen im Karosseriebau muss deren reales Fließverhalten in den heutigen Simulationsmodellen möglichst präzise abgebildet werden. Im Crashlastfall können Dehnraten in solchen Bauteilen bis in der Größenordnung von etwa 1000 s-1 auftreten. Die größtenteils in Wärme umgewandelte eingebrachte Verformungsenergie kann bei hochdynamischen Deformationen nicht mehr schnell genug in der Bauteilstruktur abgeführt werden, was zu starken, lokalen Temperaturerhöhungen und damit zu einer spürbaren Werkstoffentfestigung führt. Diese wirkt sich bei komplexen Crashbelastungszuständen (Druck, Scherung, einachsiger/mehrachsiger Zug) stark auf die Festigkeit des Werkstoffes unterschiedlich aus.
Am Fraunhofer IWM wurde in Zusammenarbeit mit dem IFU der Einfluss der adiabatischen Erwärmung auf das Fließverhalten hochfester Stahlblechwerkstoffe bei höheren Dehnraten unter verschieden mehrachsigen Belastungen untersucht. In dieser Zusammenarbeit wurde ein neuartiges Modell zur Quantifizierung des Einflusses von Spannungszustand und Dehnrate auf die adiabatische Erwärmung entwickelt und an einem gestauchten Profil und einer Blechprobe mit hohem Scheranteil validiert. Mit diesem effektiven Materialmodell ist es nun möglich, die adiabatische Temperaturerhöhung und Werkstoffentfestigung bei komplexen hochdynamischen Belastungen ohne thermomechanisch gekoppelte Rechnung zu berücksichtigen.
Laufzeit: 06.2015 - 06.2018
Versuchsablauf des neu entwickelten Eckstauchversuchs (engl. edge compression test) zur belastungsgerechten Werkstoffcharakterisierung
Die technologischen Anforderungen an die Crash-Performance aktueller Fahrzeuge werden durch gestiegene Ansprüche von Fahrzeughaltern sowie sich verschärfende legislative Vorgaben stetig größer. Unter diesen Umständen müssen crash-relevante Strukturbauteile bereits in einer frühen Phase des Produktentstehungsprozesses bezüglich ihrer Herstellbarkeit und Funktion möglichst effektiv ausgelegt werden. Einen wichtigen Bestandteil bildet dabei die numerische Prozesssimulation, um die Duktilität beim Crash mit möglichst hoher Genauigkeit zu prognostizieren. Aufgrund der komplexen dreidimensionalen Belastungszustände, die im Crashfall in typischen Strukturbauteilen moderner Fahrzeugkarosserien auftreten können, ist eine beanspruchungsgerechte Duktilitätscharakterisierung von Blechwerkstoffen mit bestehenden Prüfverfahren nur begrenzt möglich.
Ziel dieses Forschungsvorhabens stellt daher die Entwicklung von Kriterien zur Charakterisierung der Duktilität von Aluminiumblechlegierungen bei komplexen Spannungszuständen dar. Insbesondere der Einfluss lokaler Formänderungsfähigkeit auf das globale Umformvermögen wird dabei analysiert. Durch die Entwicklung belastungsgerechter Charakterisierungsmethoden wird eine Möglichkeit gegeben, die Duktilität von unterschiedlichen Werkstoffen und Halbzeugen zu quantifizieren. Auf Basis der gewonnenen Erkenntnisse ist eine Validierung und Anpassung aktueller Modellierungsansätze in der Crash-Simulation möglich. Auf diese Weise kann in zukünftigen Fahrzeugentwicklungsprozessen zu einem optimierten, effizienten und zielgerichteten Werkstoffeinsatz beigetragen werden.
Laufzeit: 06.2015 - 06.2018
Erweiterter Zugversuch zur zusätzlichen Messung der Probenoberflächentemperatur und Martensitbildung
Ziel dieses 2017 erfolgreich abgeschlossenen Forschungsprojektes stellte die Ermittlung eines Austenitstabilitätskriteriums dar, dass nicht auf der chemischen Zusammensetzung, sondern auf einem möglichst einfachen Versuchsaufbau auf Basis des uniaxialen Zugversuchs mit integrierter Martensitmessung beruht. Während des Zugversuchs wird die Martensitbildung in der Zugprobe direkt gemessen und ihre unmittelbare Wirkung auf die Werkstoffeigenschaften in die Kennwertbildung mit einbezogen. Durch moderne optischen Dehnungsmessmethoden, magnetinduktive Martensit- und berührungslose Temperaturmessverfahren können auch zeitliche und örtliche Aspekte der betrachteten Parameter gemessen und berücksichtigt werden. Gleichzeitig konnte anhand des entwickelten Kriteriums ein Zusammenhang zwischen Austenitstabilität und Umformverhalten genauer bestimmt und ein neuartiger umformtechnischer Kennwert abgeleitet werden. Das ermittelte Kriterium bzw. der Kennwert stellt für Verarbeiter von metastabilen Werkstoffen ein Hilfsmittel dar, mit dem das Umformverhalten der austenitische Blechwerkstoffe in Bezug auf einen konkreten Umformprozess besser beurteilt werden kann.
Im Rahmen des Projektes wurden Grenzziehverhältnisse und Erichsen-Tiefen für 12 Werkstoffe ermittelt und in Relation zu den ermittelten Martensitbildungsraten analysiert. Basierend auf den Forschungsergebnissen konnten aussagekräftige umformtechnische Kennwerte für den Anwender entwickelt werden.
Laufzeit: 05.2015 - 06.2017
a) Verbindungskonfiguration und b) gezogener hybrider Alu-Stahl-Napf
Als Beitrag zur Gewichtsersparnis werden in modernen Automobilkarosserien höchstfeste Stähle und verschiedene Aluminiumlegierungen gemeinsam im Verbund u.a. in Pkw-Türen und Karosserieböden eingesetzt. Eine der Herausforderungen bei dieser Aluminium-Stahl-Mischbauweise ist die Verbindungstechnik. Um den Werkstoffverbrauch so gering wie möglich zu halten, wurden an der Materialprüfungsanstalt Stuttgart spezielle Verbindungskonfigurationen (a) beim Rührreibschweißen entwickelt, mit denen sich Aluminiumund Stahlbleche mit unterschiedlichen Dicken miteinander verbinden lassen. Bei statischer Belastung können Verbindungsfestigkeiten von bis zu 90% des Aluminiumgrundwerkstoffes erreicht werden. Da sich die Schweißverbindung aufgrund ihrer Eigenschaften zur Verwendung in Tailor-Welded-Blanks anbietet, wurden am IFU die Umformgrenzen der Tailored Blanks mittels Nakajima-Versuchen für unterschiedliche Lagen bzw. Orientierungen der Schweißnaht ermittelt. Aufbauend auf diesen Ergebnissen erfolgte die Optimierung der Prozessparameter und der Geometrien des Rührreibschweißwerkzeugs. Abschließend wurde die Eignung des Gesamtprozesses durch die Herstellung von Demonstratorbauteilen unter Beweis gestellt.Das Projekt ist ein Kooperationsprojekt zwischen dem IFU, der Materialprüfungsanstalt sowie dem Institut für Materialprüfung, Werkstoffkunde und Festigkeitslehre, an der Universität Stuttgart.
Laufzeit: 01.2016 - 03.2018
Beispiel des Einflusses nicht-linearer Dehnpfade beim zweistufigen Tiefziehen auf die Position der FLC im ebenen Formänderungsraum
Die exakte Prognose von Bauteilfehlern stellt eine besondere Herausforderung für die FEM-Simulation von Blechumformprozessen dar. Die steigende geometrische Komplexität moderner Blechbauteile macht Aussagen zur Herstellbarkeit in einem frühen Projektstadium oftmals schwierig. Zur Verbesserung der Versagensvorhersage bei komplexen, mehrstufigen Umformprozessen wird das IFU-FLC-Kriterium untersucht und weiterentwickelt. Das Kriterium zeichnet sich durch eine im industriellen Einsatz schnell und kostengünstig durchführbare Kalibrierung sowie einer im Vergleich zur konventionellen FLC deutlich verbesserten Prognosequalität speziell in mehrstufigen Umformprozessen aus. In der Abbildung rechts ist die Bewertung eines zweistufigen Umformprozesses mit nicht-linearen Dehnpfaden anhand der durch das IFU-FLC-Kriterium bestimmten Grenzformänderungskurve dargestellt. Für jeden linearen Abschnitt des Dehnpfades wird anhand des IFU-FLC-Kriteriums eine passende Grenzformänderungskurve berechnet, die den Beginn der lokalen Einschnürung für das jeweilige Teilstück des Dehnpfades beschreibt. Durch dieses Kriterium kann das Umformvermögen eines Werkstoffes unter nicht-linearen Dehnbeanspruchungen deutlich exakter prognostiziert werden. Dies stellt speziell für die Konzeption von mehrstufigen Umformwerkzeugen eine entscheidende Verbesserung für die Methodenplanung und Werkzeugkonstruktion dar.
Laufzeit: 09.2015 - 10.2018
Einseitig versteifter Rundnapf
Motiviert durch Ressourcenschonungen infolge Gewichtsreduzierung wird in diesem Forschungsvorhaben eine Entwicklung eines modernen Schichtverbundwerkstoffes vorgestellt. Dieser hybride Werkstoff verbindet schalldämpfende Eigenschaften mit Formelementen hoher Steifigkeit und eröffnet somit neue Möglichkeiten im Sinne einer maximalen Werkstoffausnutzung. Die Verbindung von guten Dämpfungseigenschaften bei gleichzeitig gezielt konfektionierbarer Werkstoff-Struktur-Kombination durch Sicken und einer ebenen Sichtfläche wird erstmals ermöglicht. Besonders die Umformeigenschaften solcher Schichtverbunde im Vergleich zu monolithischen Werkstoffen entscheiden über ihren Einsatz in industriellen Umformprozessen. Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurden neben praxisnahen Arbeitsdiagrammen auch einfache Tiefziehbauteile mit Versteifungen im Boden hergestellt.
Laufzeit: 07.2014 - 06.2016
