Rechnergestützte Bestimmung von Kennwerten für die Umformsimulation: »Virtuelles Labor«

© Foto Fraunhofer IWM

Der polykristalline Aufbau metallischer Werkstoffe hat in Umformprozessen großen Einfluss auf das mechanische Verhalten: Beispielsweise beeinflussen die Kornorientierung (kristallographische Textur) und die Kornmorphologie die plastische Deformation. Zudem aktivieren die thermischen Einflüsse Phasenbildungs- und Rekristallisationsprozesse im Metall. Wir simulieren diese Veränderungen in der Mikrostruktur und ihre Auswirkungen auf das mechanische Werkstoffverhalten auf verschiedenen Größenskalen. In unserem »virtuellen Labor« sagen wir Werkstoffeigenschaften wie Texturentwicklung und Fließverhalten voraus. Daraus entwickeln wir für unsere Kunden Vorschläge für eine verbesserte Prozessführung.

 

Auf dieser Seite:

Mikrostrukturentwicklung und Mikrostruktur-Eigenschaftsbeziehungen vorhersagen

»Virtuelle Kennwertermittlung« für die Umformsimulation von Blechwerkstoffen

So funktioniert das »virtuelle Labor«

Unser Leistungsangebot zur »virtuellen Kennwertermittlung« 

Weiterführende Informationen 

 

Mikrostrukturentwicklung und Mikrostruktur-Eigenschaftsbeziehungen vorhersagen

Bewertung von Umformprozessen unter Berücksichtigung der Mikrostruktur

Skalenübergreifende Modellierung von der Atomistik bis zum Bauteil

Berechnung von Verformungs- und Rekristallationstexturen

Virtuelle Kennwertermittlung auf Basis der Mikrostruktur

Beschreibung der Thermodynamik und Kinetik von Phasenbildungsprozessen

Untersuchung der Porenevolution (Wachstum, Nukleation, Schließen, Form von Poren)

Entwicklung der Textur und der Anisotropie

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Abbildung 1

»Virtuelle Kennwertermittlung« für die Umformsimulation von Blechwerkstoffen

Das »virtuelle Labor« ist ein Simulationswerkzeug zur rechnerischen Ermittlung von makroskopischen Werkstoffeigenschaften unter Berücksichtigung der Mikrostruktur. Damit kann die experimentelle Grundcharakterisierung des Werkstoffs deutlich erweitert werden. Diese »virtuelle Kennwertermittlung« bietet in der Anwendung für die Blechumformung folgende Einsatzmöglichkeiten:

Ermittlung von Fließgrenzen, Zugfestigkeit, r-Werten und E-Modul unter Berücksichtigung der Orientierung zur Walzrichtung (Abbildung 1)

Bestimmung von beliebig vielen Punkten auf dem Anfangs bzw. Folgefließort zur Anpassung von etablierten Materialmodellen mit vielen Modellparametern (Abbildung 2)

Untersuchung von komplexeren, auch mehrachsigen Belastungen als Ersatz für sehr aufwändige Experimente

Analyse von Belastungszuständen, die experimentell nicht realisierbar sind, wie Zugversuche in Blechdickenrichtung

Die aus der »virtuellen Kennwertermittlung« resultierenden Daten können in gleicher Weise weiterverarbeitet werden wie experimentelle Daten und beispielsweise für eine genauere Anpassung von Materialmodellen für die Blechumformsimulation eingesetzt werden. Insbesondere moderne, hochfeste Blechwerkstoffe er fordern vermehrt komplexe Materialmodelle, deren Anpassung durch zusätzliche Daten aus der »virtuellen Kennwertermittlung« vereinfacht werden kann. 

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Abbildung 2

So funktioniert das »virtuelle Labor«

Das für die »virtuelle Kennwertermittlung« verwendete Modell berücksichtigt die Mikrostruktur des Werkstoffs in Form eines repräsentativen Volumenelements. Die einzelnen Körner des Gefüges werden ortsaufgelöst abgebildet, wobei Informationen wie die Kornform, Kornorientierung oder Phasenverteilung in die Modellierung mit einfließen. Durch Berücksichtigung der Kornorientierung wird auch die Blechanisotropie wiedergegeben. Die Kalibrierung des Mikrostrukturmodells erfolgt anhand weniger Versuche: zum Beispiel einem einzigen Zugversuch. Danach ist es sehr einfach möglich, viele weitere »virtuelle Versuche« durchzuführen. Durch entsprechende Modifikation der Randbedingungen können auch Belastungszustände untersucht werden, die für Blechwerkstoffe experimentell nur sehr aufwändig realisierbar sind wie Druckversuche oder mehraxiale Versuche.

Durch die Kombination von einfach durchzuführenden Versuchen und den aus dem »virtuellen Labor« ermittelten Daten ergebensich neue Möglichkeiten für eine genauere Beschreibung von Blechwerkstoffen. Mit dem am Fraunhofer IWM verfügbaren Know-How kann eine solche »virtuelle Kennwertermittlung« effizient durchgeführt werden. 

Unser Leistungsangebot zur »virtuellen Kennwertermittlung« 

Aufbau von Simulationsmodellen für die »virtuelle Kennwertermittlung«ƒ

Experimentelle Ermittlung der Gefügestruktur und Textur sowie Übertragung in das Simulationsmodell

Kalibrierung des »virtuellen Labors« anhand von Standard-Versuchsdaten 

Durchführung der »virtuellen Kennwertermittlung«ƒ

Simulation verschiedener Belastungsfälle

Berechnung der makroskopischen Kennwerte und Daten wie Fließkurven, Fließort oder r-Werte bei Blechwerkstoffen

Bereitstellung der Daten im Format der experimentellen Daten

Weiterführende Informationen

Butz, A.; Helm, D.; Virtuelle Werkstoffcharakterisierung für die Umformsimulation, wt Werkstattstechnik online 10 (2010) 817-818 Link