Forschungsrichtung Hybride Werkstoffkonzepte / Werkstoffcharakterisierung

Forschungsthemen im Bereich "Hybride Werkstoffkonzepte / Werkstoffcharakterisierung"

Modelle des thermo-mechanischen Materialverhaltens sind der wichtigste Input für die Simulation von Umformprozessen. Erfolgreiches Prozessdesign basiert auf der genauen Vorhersage von Prozesskräften, Werkzeugbelastungen, Produktgeometrie und -eigenschaften, Prozessgrenzen in Bezug auf Materialfluss und Integrität, die alle eine genaue und dedizierte Materialcharakterisierung erfordern. Die Charakterisierung des Reibsverhaltens gehört ebenfalls zu den aktiven Forschungsthemen des IFU im Sinne einer genauen Prozessmodellierung.

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Aufgrund ihrer sehr guten mechanischen Eigenschaften werden Kaltfließpressteile aus Stahl und Aluminium häufig in sicherheits- und dauerfestigkeitsrelevanten Systemen moderner Kraftfahrzeuge eingesetzt. Dazu zählen z.B. die Lenkung, der Antriebsstrang, das Fahrwerk oder zahlreiche Komponenten des Motors, um nur einige zu nennen. Massivumgeformte Befestigungselemente werden sowohl in Kraftfahrzeugen als auch im allgemeinen Maschinenbau und der Bauindustrie eingesetzt. Auch hier werden hohe Anforderungen an die Produkte gestellt. Für Ingenieure und Konstrukteure ist daher eine Beurteilung der mechanischen Eigenschaften von Fließpressteilen sowohl für die Auslegung der Umformprozesse als auch für die technologischen Eigenschaften nach dem Herstellungsprozess unerlässlich.

Für die Auslegung von Massivumformprozessen kommen häufig computergestützte Verfahren zum Einsatz, deren Aussagegüte maßgeblich von den eingesetzten Materialdaten abhängt. Zur Ermittlung des Fließverhaltens von metallischen und nicht metallischen Werkstoffen findet in der Massivumformung häufig der Zylinderstauchversuch Anwendung, mit dem ein materialspezifischer Fließkurvensatz, bestehend aus einem Punktetripel aus Umformgrad ϕ, Temperatur T und zugehöriger Fliessspannung kf, experimentell bestimmt wird. Da die Reibung an den Stirnflächen einen signifikanten Einfluss auf den Spannungszustand während der Fließkurvenaufnahme hat, werden auch Kegelstauchversuche durchgeführt oder es kommen sogenannte Rastegaev-Proben mit Schmierstofftaschen zum Einsatz. Auch die Temperaturführung während des Stauchversuches hat einen signifikanten Einfluss auf die Güte der Materialdaten. Mittels der konduktiven Erwärmung kann auch während des Stauchversuches nachgeheizt werden. Weiterhin ist die Simulation von Wärmebehandlungsprozessen möglich, bei der die Zunderbildung durch Evakuierung des Probenraumes oder ein „Einfrieren“ des Gefüges durch Abschrecken mit Wasser erzielt werden kann. Am fertig umgeformten Bauteil werden neben der metallographischen Analyse zur Bestimmung des Stoffflusses, der Identifikation von Bauteilfehlern und der Gefügeanalyse auch Härtewerte und mechanische Eigenschaften aus sogenannten Sekundärproben ermittelt. Sofern das Fließpress- oder Schmiedeteil eine ausreichende Größe hat, können Zug- oder Stauchproben entnommen und die Druckfließgrenze Rp oder die Streckgrenze Re auch temperaturabhängig nach dem Umformvorgang bestimmt werden.

Für die Härtemessung wird der instrumentierte Eindringversuch verwendet, mit dem Mikrohärtemessungen nach Vickers möglich sind. Anhand einer mathematischen und grafischen Auswertung können so Mikrohärteverläufe über gesamte Bauteilbereiche erstellt werden. Optische Messungen können mit einem konfokalen Mikroskop aufgenommen werden, das durch die Aufnahme von Bildern in verschiedenen horizontalen Ebenen einer dreidimensionalen Fläche ein exaktes dreidimensionales Höhenbild erzeugt. Die computergestützte Analyse ermöglicht z.B. Rauheitsanalysen (2D und 3D).

Um die stetig steigenden legislativen Anforderungen hinsichtlich passiver Sicherheit zu erfüllen, werden im Rahmen der Leichtbaustrategie zukünftiger Fahrzeugprojekte innovative Werkstoffkonzepte entwickelt. Ziel ist es dabei, das Werkstoffpotential durch die individuelle Auswahl bzw. Anpassung an das jeweilige Anwendungsgebiet bestmöglich auszunutzen. Im Bereich der crashrelevanten Strukturbauteile steht die Möglichkeit zur Energieaufnahme bei einer Kollision im Mittelpunkt. Insbesondere die Vermeidung von unkontrolliertem Werkstoffversagen ist hierbei von Bedeutung.

Die Crasheignung kann durch klassische Werkstoffparameter bisher nur unzureichend prognostiziert werden. Zur Charakterisierung der Duktilitätseigenschaften von Karosserie-Strukturbauteilen werden derzeit Bauteilversuche durchgeführt. Die Versuchsdurchführung ist dabei aufwändig und häufig nicht auf andere Bauteile übertragbar. Außerdem verfälschen zusätzliche Einflussfaktoren wie z.B. die eingesetzte Verbindungstechnik die Versuchsergebnisse. Für eine effiziente und aussagekräftige Duktilitätscharakterisierung ist die (Weiter-)Entwicklung aktueller Prüfmethoden anzustreben. Es gilt, die Duktilitätseigenschaften zu quantifizieren.

Über die Implementierung eines entsprechenden Kennwerts in die FEM-Simulation soll eine Aussage über das Crashverhalten verschiedener Komponenten, bereits zu einem frühen Zeitpunkt im Produktentwicklungsprozess ermöglicht werden. Da die auftretenden Deformationen in einem kritischen bzw. postkritischen Bereich liegen können, muss auf geeignete Versagens- bzw. Schädigungsmodellierungen zurückgegriffen werden. Aufgrund der dynamischen Belastungen im Crashfall ist dabei auch die Dehnratenabhängigkeit der untersuchten Werkstoffe zu analysieren. Insbesondere bei Blechwerkstoffen ist zusätzlich die Vorgeschichte zu berücksichtigen, da die im Umformprozess aufgebrachten Dehnungen einen großen Einfluss auf das Restumformvermögen im Crash haben. Zur Validierung der Simulationsergebnisse werden Realteilversuche an Karosseriekomponenten durchgeführt.