Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Vorbereitung einer Prüfvorschrift für den ebenen Torsionsversuch

In der Blechumformung ist die numerische Simulation ein Standardverfahren zur Auslegung von Prozessen. Blechumformoperationen werden in vielen Bereichen der Fertigungstechnik (Transport, Verpackung, Bauindustrie), oft auch von KMU, eingesetzt. Verlässliche Simulationen benötigen jedoch zwingend verlässliche Materialkennwerte, auch für hohe wahre Dehnungen über 1,0. Standardisierte Prüfverfahren sind nicht in der Lage diese Werte zu erreichen, weshalb zusätzliche Verfahren entwickelt werden. Insbesondere für KMU ist die Belastung durch die aufwendige Werkstoffprüfung eine wirtschaftliche Herausforderung. Flexible und günstige Prüfverfahren mit hohen erreichbaren Formänderungen sind wünschenswert. Der ebene Torsionsversuch ist ein Scherversuch für Bleche, der viele Vorteile aufweist. Es gibt keine Einschnürung, keine Kerbeffekte und keine inhomogenen Spannungs- und Dehnungszustände, die zu einem frühen Versagen der Probe führen können. Dadurch werden für duktile Werkstoffe Formänderungen bis ca. 3,0 erreicht. Der häufig verwendete hydraulische Tiefungsversuch endet bereits bei 0,7. Es können auch höchstfeste und dicke Bleche geprüft werden.

Die positiven Eigenschaften des ebenen Torsionsversuchs sind einem breiten Teil der Industrie und Akademie nicht zugänglich, da zum einen keine kommerziell erwerbbaren Prüfmaschinen existieren und zum anderen keine Prüfvorschrift existiert, sodass selbst die wenigen existierenden Prüfmaschinen große Unterschiede in Funktion und Auswertung zeigen.

Im Vorhaben werden die prozesstechnischen Grundlagen des ebenen Torsionsversuchs analysiert und daraus geeignete Prüfparameter abgeleitet. Das Ziel ist die Entwicklung und Veröffentlichung einer Prüfvorschrift, um Prüflaboren, Stahlherstellern und Stahlanwendern die erfolgreiche und reproduzierbare Durchführung von ebenen Torsionsversuchen zu ermöglichen. Prüfmaschinenhersteller können diese Informationen anschließend nutzen, um auch kommerzielle Torsionsprüfmaschinen anzubieten.

Ergebniszusammenfassung:

Im Vorhaben wurde ein Vorschlag für eine Prüfvorschrift zur Ermittlung von monotonen Fließkurven mit dem ebenen Torsionsversuch (ETV) ausgearbeitet. Die erarbeitete Prüfvorschrift kann von industriellen Anwendern genutzt werden, um Fließkurven bis zu hohen, werkstoffspez. Dehnungen im ETV reproduzierbar zu ermitteln. Hierdurch kann die Vorhersagegenauigkeit von Prozesskräften und Dehnungsverteilungen in Umformsimulationen signifikant verbessert werden, da nicht länger erfahrungsbasierte Extrapolationsmodelle für die Fließkurve verwendet werden müssen. Darüber hinaus ermöglicht die erarbeitete Prüfvorschrift es den Prüfmaschinenherstellern prüfvorschriftsgerechte Maschinen für den ETV zu entwickeln und anzubieten. Zur werkstoffabhängigen Fehlerabschätzung des optischen Messsystems, wurde ein analytisches Modell des Diskretisierungsfehlers im ETV erarbeitet, das den Fehler werkstoffabhängig beschreibt. Dieser Ansatz ermöglicht es dem Anwender den Diskretisierungsfehler für unterschiedliche Werkstoffe und Auswerteparameter abzuschätzen und die Genauigkeit der Prüfung zu bewerten. Die Untersuchungen zur Sicherstellung einer quasistatischen Prüfung zeigten, dass die maximale Dehnrate an der inneren Einspannung liegt und durch eine einfache analytische Gleichung abgeschätzt werden kann. Dies ermöglicht es, die Rotationsgeschwindigkeit im ETV so anzupassen, dass keine Effekte der Dehnrate auf die Ermittlung von Fließkurven im ETV zu erwarten sind und diese im Prüfbereich bekannt ist. Weiterhin konnten durch Untersuchungen der Prozessgrenzen die maschinen- und werkstoffseitigen Einflüsse auf das Durchrutschen und die Faltenbildung beschrieben werden. Hieraus ergibt sich die Möglichkeit die Klemmgeometrie und die Klemmflächenstruktur der verwendeten Prüfmaschine so auszulegen, dass eine Prüfung relevanter Werkstoffe ohne Erreichen der werkstoffspezifischen Prozessgrenze möglich ist.