Arbeitsgruppen Werkstoffmodellierung

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Angela Quadfasel

Gruppenleiterin Werkstoffmodellierung I

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Alexander Krämer

Gruppenleiter Werkstoffmodellierung II

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Die Arbeitsgruppen der Werkstoffmodellierung beschäftigen sich mit der Mikrostrukturentwicklung während der Formgebung und entlang der zugehörigen Prozessketten. Dabei werden neben der makroskopischen Simulation auch skalenübergreifende Modellierungsansätze, zur Beschreibung von Korngröße, Textur oder Ausscheidungen, eingesetzt.

Die Arbeitsgruppe Werkstoffmodellierung I beschäftigt sich darüber hinaus intensiv mit der Modellierung von Phänomenen an Grenzflächen. Dazu zählt insbesondere die Interaktion zwischen Werkzeug- und Werkstück, wie beispielsweise beim Nachwalzen, als auch die Verbindungsentstehung bei der Herstellung von Materialverbünden im Walzplattieren. Darüber hinaus stellen unvermeidbare Phänomene, wie beispielsweise Verschleiß in Umformprozessen, ein wesentliches Arbeitsfeld dar.

Die Arbeitsgruppe Werkstoffmodellierung II beschäftigt sich darüber hinaus intensiv mit der Digitalisierung in der Umformtechnik. Dazu werden intelligente Methoden des maschinellen Lernens genutzt, um Daten effizient zu aggregieren und zu bewerten. Außerdem werden physikalische, inverse und datenbasierte Ansätze den Anforderungen entsprechend kombiniert und zur prädiktiven Modellierung eingesetzt.

 
 

Prozesskettenmodellierung einer Aluminiumwalzlegierung im AMAP P1

Prozesskette und Konsortium im AMAP P1 Projekt Urheberrecht: AMAP Prozesskette und Konsortium im AMAP P1 Projekt

Innerhalb des Forschungsclusters „Advanced Metals and Processes“, kurz AMAP, in Aachen wurde im Rahmen des Projekts 1 „Prozessübergreifende Modellierung von Bauteilen aus gewalzten und geglühten Al-Bändern mit speziellen Eigenschaften für die Automobilindustrie“ die Prozesskette einer Automobilaußenhautlegierung (AA6016) erforscht. Eine Besonderheit des Projektes ist dabei nicht nur der Ansatz, eine Prozesskette sowohl in der industriellen Fertigung, im Labor und mittels numerischer Modelle zu untersuchen, sondern auch das Konsortium der beteiligten Firmen. Innerhalb des Projekts 1 kooperieren drei große Aluminiumhersteller (Aleris, Hydro und Novelis), die sonst im Wettbewerb miteinander stehen sowie Mubea als Automobilzulieferer und die SMS Group als Maschinenbauer. Neben den Industriepartnern sind das Institut für Metallkunde und Metallphysik, kurz IMM, und das Institut für Bildsame Formgebung, kurz IBF, der RWTH Aachen beteiligt.

Für weitere Informationen wenden Sie sich bitte an Angela Quadfasel.

 
 

Untersuchung des Nachwalzens mit Fokus Oberfläche

Skizze des Nachwalzprozesses mit mill finish und EDT Oberfläche Urheberrecht: IBF Skizze des Nachwalzprozesses mit mill finish und EDT Oberfläche

Eine wichtige Charakteristik gewalzter Aluminiumbänder für den Einsatz in der Automobilaußenhaut ist die Beschaffenheit der Oberfläche. Die Topographie der Oberfläche und insbesondere die Anzahl der Rauigkeitsspitzen sowie das Volumen geschlossener Schmiertaschen beeinflussen den Erfolg der nachfolgenden Prozessschritte Tiefziehen und Lackieren.
In den bisherigen Arbeiten wurde untersucht, welcher Zusammenhang zwischen der Prozesskinematik des Nachwalzens und den Abprägemechanismen besteht. Dazu wurde die Kinematik eines Prozessmodells des Flachwalzens auf ein Mesomodell zur Beschreibung der Oberflächenabprägung übertragen. Bezüglich der Abprägung der Oberfläche konnte eine gute Übereinstimmung zwischen Simulation und Experiment gezeigt werden.
Mittelfristig soll das numerische Modell dazu dienen, eine wissensbasierte Auslegung des Skin-Pass Prozesses für Aluminiumlegierungen unter Berücksichtigung globaler und lokaler Einflüsse zu ermöglichen.

Für weitere Informationen wenden Sie sich bitte an Angela Quadfasel.

 
Simulation der Oberflächenabprägung beim Nachwalzen von Aluminium
Simulation der Oberflächenabprägung beim Nachwalzen von Aluminium
 
 

Stichplanauslegung durch maschinelle Lernverfahren

Interaktion der Einflussgrößen bei der Stichplanauslegung Urheberrecht: IBF Interaktion der Einflussgrößen bei der Stichplanauslegung

Die Stichplanauslegung für das Walzen ist ein durch Expertenwissen und Empirie getriebener Prozess. Dies liegt daran, dass jeder Stich alle Folgestiche beeinflusst. Ein Ansatz zur Automatisierung der Stichplanauslegung besteht in der Nutzung von maschinellen Lernverfahren. Diese können auf Basis von Daten die Zusammenhänge erlernen, ohne dass diese explizit, in Form von Gleichungen, angegeben werden müssen. Zum Nachweis der Anwendbarkeit wurde daher eine Datenbank mithilfe eines schnellen Prozessmodells erstellt. Anhand dieser Datenbank wurde ein neuronales Netz trainiert, welches in der Lage ist Stichpläne automatisiert auszulegen, wenn der Ausgangs- und Endzustand bekannt sind. Die Randbedingungen wurden dabei durch das am IBF vorhandene Universalwalzwerk vorgegeben. Der ausgelegte Stichplan zeigte exakte Übereinstimmungen mit den Vorgaben bei einer Validierungsrechnung durch das schnelle Prozessmodell. Die automatisierte Stichplanauslegung scheint daher erfolgversprechend zu sein.

Für weitere Informationen wenden Sie sich bitte an Alexander Krämer.

 
 

Simulation der Prozesskette einer Turbinenscheibe

Prozesskette zur Herstellung der Turbinenscheibe und Position im Triebwerk Urheberrecht: Leistritz, SMS, IBF Prozesskette zur Herstellung der Turbinenscheibe und Position im Triebwerk

Die Herstellung von Turbinenscheiben für die Luft- und Raumfahrt ist durch besonders strenge Sicherheitsauflagen gekennzeichnet. Hierzu gehört insbesondere das Einhalten enger Richtlinien bezüglich der Mikrostruktur. Bei der Auslegung der Prozesskette muss daher die Mikrostrukturentwicklung berücksichtigt werden. Dazu wurde eine Online-Kopplung zwischen StrucSim, einem Programm zur Berechnung der Mikrostruktur, und der kommerziellen Finite-Elemente, kurz FE, Software Simufact entwickelt. Dies bedeutet, dass StrucSim während der FE Simulation aufgerufen wird und die Ergebnisse beeinflusst. Anschließend wurde die Prozesskette vollständig in der FE Software abgebildet und mit der Online-Kopplung gerechnet. Durch die Kopplung konnte die Mikrostrukturentwicklung über das gesamte Bauteil während der ganzen Prozesskette nachvollzogen werden. In Zukunft kann diese Technik genutzt werden, um diese oder andere Prozessketten hinsichtlich Produktivität oder Reproduzierbarkeit zu optimieren.

Für weitere Informationen wenden Sie sich bitte an Alexander Krämer.

 
 

Schnelle Prozessmodelle des Walzens

Einzelstich Walzen mit Kraft-, Temperatur- und Mikrostrukturentwicklung Urheberrecht: IBF Einzelstich beim Walzen inklusive Kraft-, Temperatur- und Mikrostrukturentwicklung

Schnelle Prozessmodelle sind in der Lage, z. B. das Warmwalzen im industriellen und im Labormaßstab abzubilden. Auf Basis des Stichplans und der Materialparameter werden dabei u.a. Kräfte, Temperaturen und die Mikrostrukturentwicklung innerhalb weniger Sekunden berechnet. Solche Programme lassen sich vielseitig einsetzen, die Stärken liegen aber insbesondere im Bereich der Auslegung und Optimierung. So wurde beispielsweise, im Sinne von Industrie 4.0, ein schnelles Walzmodell mit einer Datenbank gekoppelt und es konnten Materialparameter aus industriellen Daten ermitteln werden. Des Weiteren werden am IBF schnelle Walzmodelle, zusammen mit maschinellen Lernverfahren, genutzt, um optimale Stichpläne für das Universalwalzwerk des IBF automatisiert auszulegen. Darüber hinaus erfolgt der Einsatz solcher Modelle für die Lehre und innerhalb von Seminaren. Hier können sich die Studierenden bzw. Seminarteilnehmer einen intuitiven Zugang zur Erstellung, Berechnung und Auslegung von Stichplänen erarbeiten und die ablaufenden Mechanismen in der Tiefe begreifen.

Für weitere Informationen wenden Sie sich bitte an Alexander Krämer.

 
Schnelle Walzmodelle für die Stichplanauslegung
Schnelle Walzmodelle für die Stichplanauslegung
 
 

Finite Elemente basierte Prozessauslegung zur Herstellung von Metallverbundwerkstoffen durch Walzplattieren

FE Modell zur Berechnung der Verbindungsfestigkeit beim Walzplattieren Urheberrecht: IBF, Hydro FE Modell zur Berechnung der Verbindungsfestigkeit beim Walzplattieren

Das Walzplattieren ermöglicht die Herstellung von Verbundwerkstoffen mit maßgeschneiderten Eigenschaftskombinationen. Bei dem Walzplattieren werden Plattierpartner durch plastische Deformation permanent verbunden. Die Verbundentstehung ist ein komplexer Prozess, der durch Material- und Prozessparameter beeinflusst wird. Am IBF steht eine Abaqus Subroutine für die Berechnung der Verbundentstehung und des Versagens zur Verfügung. In einem DFG-Transferprojekt wird diese Subroutine weiterentwickelt, um effiziente Prozessrouten für neue Werkstoffkombinationen zu erarbeiten. Mit dieser Subroutine und dem Abaqus-Prozessmodell kann jetzt das Walzplattieren abgebildet werden. Die Festigkeit wird in Abhängigkeit von der Oberflächenvergrößerung berechnet. Durch ungünstige Belastungszustände nach dem Walzspalt kann sich der aufgebaute Verbund auch wieder lösen. So können jetzt die Einflüsse von Parametern wie Temperatur und Höhenabnahme auf die Festigkeit und den Verbundzustand simuliert werden.

Für weitere Informationen wenden Sie sich bitte an Zhao Liu.

  Simulation des Walzplattierens
 
 

Hoch Mangan Stahl Crashboxen

Experimentelle und simulierte hoch Mangan Stahl Crashbox Urheberrecht: IBF Experimentelle und simulierte hoch Mangan Stahl Crashbox

Manganreiche Stähle, kurz HMnS, besitzen aufgrund ihrer außergewöhnlichen Kombination von Zugfestigkeit und Bruchdehnung nominell ein hohes Energieabsorptionspotenzial. Dieses qualifiziert die HMnS als potentielle Werkstoffe für crashrelevante Bauteile im Automobil. Allerdings werden die verfügbaren Bruchdehnungen von bis zu 70% beim Crash dünnwandiger Strukturen nicht ausgeschöpft. Um HMnS trotzdem für crashrelevante Leichtbaustrukturen anwenden zu können, müssen verschiedene Maßnahmen ergriffen werden. Dazu zählen ein angepasstes Legierungsdesign und die Einstellung einer maßgeschneiderten Mikrostruktur mit erhöhter Streckgrenze. Dadurch soll ein definiertes Verformungsverhalten mit maximaler Energieaufnahme erreicht werden. Begleitend zu der experimentellen Untersuchung der optimalen Materialeigenschaften wird das Crashverhalten skalenübergreifend simuliert. Dafür wird ein physikalisch-basiertes Verfestigungs-Modell mit Inputdaten aus ab initio Berechnungen mit der FEM-Simulation gekoppelt.

Für weitere Informationen wenden Sie sich bitte an Angela Quadfasel.

 
 

Mikrostruktursimulation mit StrucSim

Simulation der Fließkurve mittels StrucSim Urheberrecht: IBF Simulation der Fließkurve mittels StrucSim

StrucSim, entwickelt am Institut für Bildsame Formgebung, ist ein Programm zur Simulation der Mikrostrukturentwicklung sowie der Fließspannung für Warmumformprozesse. Die Herausforderung bei Warmumformprozessen, insbesondere bei mehrstufigen Warmumformprozessen (Prozessketten), ist die Beschreibung der Wechselwirkung zwischen Verfestigung und Entfestigung des Werkstoffs. Zur Lösung dieser Herausforderung wird die Mikrostruktur des Werkstoffs über Zustandsvariablen beschrieben, die sich abhängig von den Prozessparametern wie beispielsweise Temperatur und Zeit entwickeln. Somit können Größen, wie die mittlere Korngröße oder der rekristallisierte Anteil berechnet und die Fließspannung für jeden Zeitpunkt aus diesen abgeleitet werden. StrucSim findet in mehreren industriellen und wissenschaftlichen Projekten erfolgreich Anwendung. Die Erweiterung der Funktionalität des Programms, sowie die Kopplung an FE-Programmen, wie Simufact, Abaqus etc. sind laufende Arbeiten.

Für weitere Informationen wenden Sie sich bitte an Rajeevan Rabindran.

 
Mikrostrukturberechnung mit StrucSim beim Walzen und Schmieden
Mikrostrukturberechnung mit StrucSim beim Walzen und Schmieden
 
 

Ausscheidungsbildung in Aluminiumlegierungen im AMAP Projekt P19

Prozesskette und Konsortium im AMAP P19 Projekt Urheberrecht: AMAP Prozesskette und Konsortium im AMAP P19 Projekt

Aluminiumlegierungen des Systems Al-Mg-Si (AA6xxx) besitzen gute Aushärtbarkeits-, Umformbarkeits- und Korrosionseigenschaften und können aufgrund ihrer niedrigen spezifischen Dichte hervorragend im Leichtbau bspw. für die Herstellung von Automobilaußenhautbauteilen eingesetzt werden. Die hohe Festigkeit dieser Legierungen wird hierbei hauptsächlich durch die Beschaffenheit der Ausscheidungsmikrostruktur bestimmt. In der Regel durchläuft ein Werkstück in der industriellen Fertigung eine komplexe Abfolge von thermo-mechanischen Prozessschritten, wobei die Ausprägung der Ausscheidungsmikrostruktur maßgeblich von der Temperaturhistorie abhängt. Mit dem Ziel der Optimierung des industriellen Herstellungsprozesses im Hinblick auf die späteren Anwendungseigenschaften wird derzeit am IBF, im Rahmen des AMAP Projektes P19, ein numerisches Modell entwickelt, um die Mikrostrukturentwicklung während Kalt-/ Warmauslagerungsprozessen und die resultierenden mechanischen Eigenschaften abzubilden.

Für weitere Informationen wenden Sie sich bitte an Fabrice Wagner.

 
 

Kaltwalzstrategien zur Herstellung magnetisch optimierter Elektrobleche für energieeffiziente Antriebe

Multiskalen-Modell zur Berechnung der Texturentwicklung beim Kaltwalzen Urheberrecht: IBF, IMM Multiskalen-Modell zur Berechnung der Texturentwicklung beim Kaltwalzen

Eine Möglichkeit zur Steigerung der Effizienz elektrischer Antriebe bietet die Optimierung der magnetischen Eigenschaften des im Magnetkern eingesetzten Elektrobandes. Um den Einfluss von Prozessparametern auf diese Eigenschaften zu quantifizieren und die wissenschaftlich-theoretischen Grundlagen für die Entwicklung verlustarmer Elektrobleche zu schaffen, wird in einer interdisziplinären DFG Forschergruppe, FOR 1897, an einer durchgängigen Prozesskettenmodellierung geforscht. Das IBF beschäftigt sich mit der Untersuchung und Modellierung des Kaltwalzprozesses. Bei der Untersuchung werden unterschiedliche Walzstrategien auf dem Quarto-Kaltwalzwerk und dem Universalwalzwerk erprobt. Bei der Modellierung handelt es sich um ein Multiskalen-Modell, das ein makroskopisches Finite-Elemente-Modell, kurz FEM, und ein mikroskopisches Kristallplastizität-FE Model enthält. Dadurch lässt sich der Einfluss der Walzstrategien und Vormaterialzustände auf die lokale Texturentwicklung im Walzgut ermitteln. Eine Verknüpfung der Teilmodelle ermöglicht die modellgestützte Prozessauslegung für verlustarme Elektrobleche.

Für weitere Informationen wenden Sie sich bitte an Xuefei Wei.

 
 

FepiM-Algorithmus, Fließkurvenermittlung durch punktweise inverse Modellierung

Iteratives Verfahren zur Anpassung der Fließspannung für ein Inkrement Urheberrecht: IBF Iteratives Verfahren zur Anpassung der Fließspannung für ein Inkrement

Die Fließkurvenbestimmung stellt eine nicht unbedeutende Herausforderung dar, insbesondere wenn die Verformung während der Versuche inhomogen ist (z.B. Einschnürung in Streckversuchen oder Ausbauchung in Stauchversuchen). Aktuelle Verfahren nutzen FE Simulationen zur iterativen Bestimmung der Fließkurve unter Berücksichtigung der inhomogenen Verformung. Aber diese Methoden sind kosten-/zeitintensiv und benötigen eine vordefinierte mathematische Gleichung, die das Materialverhalten beschreibt. Der FepiM-Algorithmus hingegen ist ein inverses, FE-basiertes Verfahren und bestimmt die Fließkurvenpunkte als tabellarische Daten, ohne Nutzung einer mathematischen Gleichung. Die Fließspannung wird in jedem Zeitinkrement der Simulation durch Anpassung der simulierten an die gemessene Kraft bestimmt. Verschiedene Optimierungsstrategien werden untersucht, um die Fließspannung aus den experimentellen Kraftverschiebungskurven vorherzusagen. Das Endziel ist die Bestimmung von Fließkurvenfeldes für verschiedene Dehnraten und Temperaturen durch FepiM.

Für weitere Informationen wenden Sie sich bitte an Aditya Vuppala.

 
 

Texturvorhersage durch schnelle Modelle

Texturentwicklung anhand eines beispielhaften Stichplans Urheberrecht: IBF Texturentwicklung anhand eines beispielhaften Stichplans

Eine ressourcenschonendere Elektromobilität erfordert eine Effizienzsteigerung von E-Antrieben. Eine Möglichkeit ist, die Textur des verwendeten Werkstoffs so einzustellen, dass der Ummagnetisierungswiderstand minimal wird. Es existieren Modelle zur Vorhersage der Texturentwicklung, allerdings liegen die Rechenzeiten im Bereich einiger Stunden. Das Ziel des ERS Seed Fund Projekts ist daher die Entwicklung eines s. g. schnellen Modells mit Rechenzeiten im Sekundenbereich. Als Grundlage für die Entwicklung eines solchen Modells wird ein FFT-Solver von DAMASK verwendet. Dieser Solver nutzt zur Textursimulation den Deformationsgradienten aus dem Umformprozess und wendet diesen auf ein repräsentatives Volumenelement an. Zur Verringerung der Rechenzeit wird ein Model-Order-Reduction Verfahren eingesetzt. Dabei wird die Rechenkomplexität verringert, indem vorher berechnete Ergebnisse des FFT-Solvers als Stützstellen für das schnelle Modell verwendet werden. Zur Validierung der Ergebnisse werden neben Simulationstools wie Abaqus auch Versuche am Universalwalzwerk durchgeführt.

Für weitere Informationen wenden Sie sich bitte an Christian Idzik.