Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Qualifizierung von standardisierten Langzeitversuchen an Kupferwerkstoffen zur wirtschaftlichen Bestimmung von Materialparametern für CAE-Anwendungen

Die in der Praxis eingesetzten Langzeitversuche zu Charakterisierung des Materialverhaltens von Kupferwerkstoffen sind nur begrenzt geeignet, um daraus belastbare Eingangsdaten für CAE-Anwendungen (FEM) zu ermitteln. Aufgrund steigender Anforderungen an Bauteile aus Kupferwerkstoffen, z. B. bei elektrischen Steckverbindern, ist für die sichere und ressourceneffiziente Bauteilauslegung eine genauere Kenntnis dieser Eingangsdaten jedoch unerlässlich.

Das Ziel dieses Vorhabens besteht darin, eine Methode zur wirtschaftlichen Bestimmung von Materialparametern für Kupferwerkstoffe aus den Langzeitversuchen nach ASTM zu entwickeln. Die ermittelten Parameter sollen den Kupferwerkstoff genauer beschreiben und als direkter Input für die Bauteilauslegung nutzbar sein. Das Vorhaben geht davon aus, dass ein eindeutiger Zusammenhang zwischen den Messgrößen der ASTM-Versuche (z. B. Cantilever-Test) und den zeit- und temperaturabhängigen Eigenschaften von Kupferwerkstoffen existiert. Dieser ist jedoch nicht direkt bestimmbar. Mittels numerischer Methoden, basierend auf Machine Learning Verfahren, soll dieser Zusammenhang ermittelt werden. Damit wird es möglich, aus den Messgrößen eines ASTM-Versuchs das zeit- und temperaturabhängige Materialverhalten bzw. die Modellparameter für ein gewähltes Werkstoffmodell direkt und kostengünstig zu bestimmen.

Der Nutzen des Vorhabens ist, dass aus bereits etablierten Standardversuchen deutlich genauere Informationen über das Langzeitverhalten von Kupferwerkstoffen ermittelt werden können, ohne dass der experimentelle Aufwand dafür steigt, und die von den KMU als direkter Input für CAE-Anwendungen genutzt werden können. Durch die genauere Beschreibung des Werkstoffverhaltens können die KMU Bauteile besser, kosteneffizienter und ressourcenschonender auslegen, als es bisher möglich war. Die Ergebnisse des Vorhabens können auf andere ähnlich geartete Werkstoffe übertragen werden, bei denen das Langzeitverhalten ebenfalls relevant ist.

Ergebniszusammenfassung:

In diesem Projekt wurden Weiterentwicklungen sowohl im experimentellen Bereich (neuartiger Cantilever-Versuchsstand zur Ermittlung des Langzeitverhaltens von Kupferwerkstoffen) als auch im numerisch-methodischen Bereich (Entwicklung von ML-basierten Methoden zur effizienten Ermittlung von Materialparametern für CAE-Anwendungen) durchgeführt und erfolgreich abgeschlossen. Für die Anwendung stehen damit neue Werkzeuge zur Charakterisierung, Bewertung und Simulation von Kupferwerkstoffen bzw. -bauteilen zur Verfügung. Die Veröffentlichung der Ergebnisse in wissenschaftlichen Journalen ist geplant, eine erste Publikation wurde bereits eingereicht. Die Veröffentlichung in anwendungsnahen Fachzeitschriften ist ebenfalls bereits erfolgt bzw. in Vorbereitung.

Die Anwendbarkeit des neu entwickelten Versuchsstandes konnte gezeigt werden und der Versuchsstand "Relaxomat9000" steht für Industriepartner zur Charakterisierung des Relaxationsverhaltens von (Kupfer-) werkstoffen weiterhin zur Verfügung. Auf Basis der Versuchsdaten, die mit dem neu entwickelten Versuchtstand ermittelt werden können, können anschließend Materialmodellparameter für CAE-Anwendungen, z.B. für die simulative Auslegung von Bauteilen aus Kupfer bestimmt werden. Hierfür wurde in diesem Vorhaben eine Vorgehensweise („beschleunigte Optimierung") entwickelt, die es ermöglicht, die Parameter für das betrachtete Materialmodell deutlich effizienter und schneller zu bestimmen als mit klassischen Optimierungsverfahren. Dies gilt sowohl für den Cantilever-Versuch als auch für den uniaxialen Standard-Relaxationsversuch.