Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Relevanzanalyse zur Berücksichtigung der kinematischen Verfestigung in Tiefziehprozessen mit geschlossenem Profil

Der zu betreibende hohe Aufwand bei der Charakterisierung und Modellierung der kinematischen Verfestigung steht in starkem Gegensatz zu den finanziellen und personellen Mitteln von KMU. Allerdings führt die damit verbundene verbesserte Abbildungsgenauigkeit in der numerischen Analyse zu einem deutlichen Wettbewerbsvorteil, da der Ausschuss in der Fertigung durch fehlerhafte interpretierte Simulationen minimiert werden kann. Des Weiteren kann dann das bauteil- und werkstoffspezifische Potential für den Leichtbau und für eine ressourceneffiziente Prozessauslegung genutzt werden. Die sich ergebende Fragestellung ist daher, bei welchen Prozess-Werkstoff-Kombination eine Berücksichtigung der kinematischen Verfestigung, inkl. der deutlich kostenintensiveren Werkstoffcharakterisierung, zur Sicherung der Ergebnisqualität zwingend erforderlich ist.

Das Ziel des Forschungsvorhabens besteht darin, die Relevanz der kinematischen Verfestigung bei der numerischen Auslegung von Blechumformoperationen mit geschlossenen Profilen zu analysieren. Durch die Nutzung standardisierter Versuche, wie dem einachsigen Zugversuch oder dem Zug-Druck-Versuch mit erweiterter Auswertung, sowie einer Einflussanalyse verschiedener Werkzeuggeometrien, wird die kinematische Verfestigung werkstoff- und werkstückseitig quantifiziert. Mit der Schaffung eines spannungsbasierten Indikators für die Vorhersage des belastungsrichtungsabhängigen Werkstoffverhaltens soll ferner eine Kenngröße für das Post-Processing der numerischen Simulation entwickelt werden. Dadurch sollen bereits bei der rechnergestützten Bauteilauslegung kritische Stellen zu identifiziert und das richtige Werkstoffverhalten ausgewählt werden. Die gewonnen Erkenntnisse sind direkt übertragbar und stellen daher einen direkten Nutzten für kleine und mittelständische Unternehmen dar.

Ergebniszusammenfassung:

Im Projekt wird ein kinematischer Indikator entwickelt, der auf der Basis der isotropen FE-Simulation den möglichen Fehler aufgrund der Nichtbeachtung der kinematischen Verfestigung während des Umformprozesses ermittelt. Dieser Indikator kann in frühen Machbarkeitsstudien eingesetzt werden, ohne dass die notwendige Werkstoffcharakterisierung im Vorfeld durchgeführt werden muss. Auf diese Weise können das Produkteinführungsrisiko und die Entwicklungskosten minimiert werden.

Dazu wird der Einfluss nichtlinearer Dehnpfade mit Hilfe von Tiefzieh- und Streifenzugbiegeversuchen untersucht. Außerdem werden diese Prozesse mit dem FE-System LS-DYNA mit unterschiedlichen Materialverfestigungsgesetzen (vollständig isotropes, kombiniertes und vollständig kinemtisches Materialmodell) simuliert. Die ermittelten komplexen nichtlinearen Dehnpfade werden mit dem an der TU Dresden entwickelten Indikators analysiert und mit den experimentellen Ergebnissen verglichen. Der Indikator sagt dabei den Einfluss des Materialmodells im Gegensatz zum rein isotropen oder kinematischen Materialmodell vorher und zeigt die Bereiche im Bauteil auf, die am stärksten von der kinematischen Verfestigung beeinflusst werden.

Die FE-Simulationen zeigen, dass die aus dem Materialmodell der kombinierten Verfestigung extrahierten Ergebnisse den experimentellen Ergebnissen für Tiefzieh-, Streifenzugbiege- und Kreuznapf-Proben am nächsten kommen. Darüber hinaus ist es mit den Indikatorberechnungen gelungen, die Bereiche vorherzusagen, die mehr bzw. weniger anfällig für eine Beeinflussung durch die kinematische Verfestigung sind. Solche Regionen werden durch höhere bzw. niedrigere Werte des kinematischen Indikators repräsentiert. Durch die Entwicklung eines Hilfsmittels zur zuverlässigen Prognose des Einflusses der kinematischen Verfestigung können zukünftig fehlerhafte Simulationsergebnisse durch eine nicht berücksichtigte aber zwingend benötigte kinematische Verfestigung direkt vermieden werden.