Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Verbesserte Blechumformsimulation durch 3D-Werkstoffmodelle und erweiterte Schalenformulierungen

Das Ziel dieses Forschungsvorhabens besteht darin, kritische Blechumformprozesse, die mit den Finite-Elemente-Modellierungsansätzen nach dem aktuellen Stand der Technik nur unzureichend abgebildet werden können, simulativ besser beherrschbar zu machen. Bei solchen „kritischen Blechumformprozessen“ sind die Annahmen der verwendeten Schalenelemente (ebener Spannungszustand und Ebenbleiben des Querschnitts) nicht mehr gültig, und führen zu ungenauen bzw. unbrauchbaren Ergebnissen, wie z. B. bei der Umformung dicker Bleche, beim Vorhandensein von kleinen Radien oder bei speziellen Umformprozessen wie z.B. Falzen, Abstrecken, Prägen oder Rollformen.

Eine Verbesserung soll erreicht werden, indem zwei Aspekte der Modellbildung parallel berücksichtigt werden: Durch die Entwicklung von erweiterten Schalenelementen für die FE-Simulation, die nicht nur die Spannungen in Blechdickenrichtung, sondern auch Effekte aus Querschnittsverwölbungen hinreichend genau abbilden können und gleichzeitig durch die Bereitstellung von angepassten, anisotropen 3D-Materialmodellen und Methoden zur Parameteridentifikation für diese Modelle, die für die erweiterten Schalenformulierungen erforderlich sind.

Die entwickelten Modellansätze sollen für die Implementierung in kommerzielle Software für die Blechumformung bereitgestellt werden, so dass diese für KMU direkt zugänglich sind. Neben der verbesserten Prognosefähigkeit des jeweiligen Umformprozesses können auch genauere Daten für die Simulation oder Bewertung von Folgeprozessen bereitgestellt werden, was zusätzlich einen Mehrwert entlang der Fertigungskette eines Bauteils bedeutet. Weiterhin können die lokalen Belastungszustände in der Nähe der Umformgrenzen besser abgebildet werden, da nach dem Beginn der Lokalisierung bzw. Einschnürung kein ebener Spannungszustand mehr vorliegt. Mittelfristig können die erzielten Ergebnisse von der Blechumformung auch auf den Crashbereich übertragen werden und erschließen damit ein weiteres Anwendungsfeld.

Ergebniszusammenfassung:

In dem Forschungsvorhaben wurden Schalenmodelle höherer Ordnung entwickelt. Gleichzeitig wurde eine Methodik zur Identifizierung der erforderlichen Parameter für 3D-Werkstoffmodelle entwickelt. Aufbauend auf diesen Ergebnissen wurden Modellversuche unter Verwendung dieses neuen methodischen Ansatzes (Schalenelemente höher Ordnung kombiniert mit 3D-Werkstoffmodellen) erfolgreich simuliert und mit experimentellen Ergebnissen abgeglichen.

Die o.g. Ergebnisse dieses Forschungsvorhabens tragen dazu bei, die Vorhersagegenauigkeit bei der Simulation von Blechumformprozessen, die nach dem aktuellen Stand der Technik nicht hinreichend genau abgebildet werden können, zu verbessern. Durch den neu entwickelten methodischen Ansatz wird eine Steigerung der Prognosefähigkeit bei Blechumformprozessen, bei denen die Annahme der Vernachlässigung von Normalspannungen in Blechdickenrichtung und des Ebenbleibens der Querschnitte nicht mehr gültig sind, ermöglicht. Dies ist beispielsweise bei der Umformung von dicken Blechen, beim Vorhandensein von kleinen Radien oder auch bei speziellen Blechumformprozessen wie z. B. Falzen, Abstrecken, Prägen oder Rollformen von hoher Relevanz. Neben der verbesserten Prognosefähigkeit des betrachteten Umformprozesses können auch genauere Eingangsdaten für die simulative Auslegung und Bewertung von Folgeprozessen bereitgestellt werden. Aus diesem Grund sind die Ergebnisse für alle Unternehmen von großer Bedeutung, die im Bereich der Prozessauslegung, Blechverarbeitung und Bauteilentwicklung tätig sind. Mittelfristig können die erzielten Ergebnisse von der Blechumformung auch auf Fragestellungen aus dem Crashbereich übertragen werden, wodurch ein weiteres Anwendungsfeld erschlossen wird. Zusätzlich können die entwickelten Schalenmodelle höherer Ordnung von FE-Softwareunternehmen genutzt und in entsprechende FE-Software implementiert werden.