Arbeitsgruppen Werkstoffmodellierung
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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.
Untersuchung des Nachwalzens mit Fokus 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 Michael Riedel.
Stichplanauslegung durch maschinelle Lernverfahren
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 ein schnelles Prozessmodell mit einem maschinellen Lernverfahren gekoppelt. Dadurch können Modellen trainiert werden, die in der Lage sind 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 Christian Idzik.
Schnelle Prozessmodelle des Walzens
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 Christian Idzik.
Texturvorhersage durch schnelle Modelle
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 Jannik Gerlach.
Finite Elemente basierte Prozessauslegung zur Herstellung von Metallverbundwerkstoffen durch 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 Holger Brüggemann.
Mikrostruktursimulation mit DIGIMU® und StrucSim
DIGIMU®, entwickelt durch den Softwarehersteller TRANSVALOR S.A., und StrucSim, entwickelt am IBF, sind Programme zur Simulation der Mikrostrukturentwicklung während der Warmumformung. DIGIMU® basiert auf physikalischen Ansätzen und ermöglicht eine ortaufgelöste Darstellung der Korngrößenentwicklung und mittleren Versetzungsdichte. Die Optimierung der Materialmodell-Parametrisierung, sowie die zielgerichtete Anwendung für industrielle Umformprozesse sind laufende Arbeiten in enger Kooperation mit TRANSVALOR. Bei StrucSim wird die Mikrostruktur des Werkstoffs über Zustandsvariablen beschrieben, die sich abhängig von den Prozessparametern entwickeln. Somit können Mikrostrukturgrößen, wie die mittlere Korngröße oder rekristallisierter (RX) Anteil, berechnet und die Fließspannung daraus abgeleitet werden. Empirische Modellansätze ermöglichen hier eine geringe Rechenzeit zur Kopplung mit schnellen Prozessmodellen, um die Entwicklung von Korngrößenverteilungen und RX-Anteile zu berechnen.
Für weitere Informationen wenden Sie sich bitte an Holger Brüggemann.
Thermomechanische Einstellung von Mikrostrukturen zur Schädigungskontrolle
Als Teil des Sonderforschungsbereichs „TRR 188 – Schädigungskontrollierte Umformprozesse“ besteht das Ziel dieses Projekts darin, den Einfluss von in der Warmumformung eingestellten Mikrostrukturen auf die Schädigungsinitiierung und -entwicklung in der anschließenden Kaltumformung zu identifizieren. Dafür werden zunächst für zwei verschiedene Stahlsorten mittels CALPHAD-Berechnungen thermomechanische Behandlungen ermittelt, die zu möglichst unterschiedlichen Mikrostrukturen in Bezug auf Phasenzusammensetzung, Morphologie und Korngröße führen. Diese werden im Anschluss mit einem Umformdilatometer eingestellt. Abschließend werden diese Mikrostrukturen in Laborversuchen typischen Lastpfaden des Kaltwalzens sowie des Fließpressens ausgesetzt und die dabei auftretende Schädigung charakterisiert und quantifiziert. Die gewonnenen Erkenntnisse werden genutzt, um gemeinsam im SFB die Prozessführung der Warmumformung bezüglich der Einstellung schädigungskontrollierter Mikrostrukturen zu optimieren.
Für weitere Informationen wenden Sie sich bitte an Jannik Gerlach.
Ausscheidungsbildung in Aluminiumlegierungen im AMAP Projekt P19
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 Holger Brüggemann.
Kaltwalzstrategien zur Herstellung magnetisch optimierter Elektrobleche für energieeffiziente Antriebe
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 Jannik Gerlach.
FepiM-Algorithmus, Fließkurvenermittlung durch punktweise inverse Modellierung
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 Jannik Gerlach.
Gesenkschmieden von 6000er Aluminium
6000er Aluminiumlegierungen sind Al-Mg-Si Legierungen, die sich durch ihre gute Aushärtbarkeit durch Ausscheidungsbildung auszeichnen. Die mechanischen Eigenschaften, wie zum Beispiel die Festigkeit, werden allerdings neben den Ausscheidungen insbesondere auch durch die Korngröße bestimmt. Daher ist es notwendig, diese Größe auch entlang einer komplexen thermomechanischen Prozesskette zu kontrollieren. Innerhalb eines ZIM-Kooperationsprojekts mit der Firma Weisensee Warmpressteile GmbH soll diese Fragestellung anhand von Gesenkschmiedebauteilen mit anschließender Wärmebehandlung und Warmauslagerung untersucht werden. Das Ziel ist es eine Strategie zur Prozessauslegung zu entwickeln, die in der Lage ist, durch gezielte Steuerung der Schmiede- und Wärmebehandlungsfolge die Mikrostruktur und damit einhergehend die mechanischen Eigenschaften gezielt einzustellen.
Für weitere Informationen wenden Sie sich bitte an Holger Brüggemann.
Phasenumwandlungen in Nickelbasislegierungen
Nickelbasislegierungen besitzen gute Korrosions- und Hochtemperatureigenschaften und sind aufgrund ihrer hohen Kriechfestigkeit hervorragend für die Verwendung unter Extrembedingungen wie bspw. in Flugzeugtriebwerken geeignet. Entscheidend für die Beständigkeit bei hohen Temperaturen sind die vorliegende Ausscheidungsmikrostruktur und die Kinetik von Phasenumwandlungen. Im Rahmen eines ZIM-Projektes wird derzeit am IBF, in Kooperation mit der Firma GTT*, ein Software-Werkzeug zur Berechnung von Phasenumwandlungskinetiken und ZTU-Diagrammen von Nickelbasislegierungen entwickelt. Mit Hilfe dieses Werkzeugs sollen die Phasenanteile als Funktion von Zusammensetzung und Temperaturprofil vorhergesagt werden und dadurch eine simulationsgestützte Optimierung der Verarbeitungsprozesse dieser Legierungen ermöglicht werden. Zukünftig soll dieses zu entwickelnde Software-Werkzeug für verschiedene weitere metallische Legierungen und Schlacken verwendet werden.
*Gesellschaft für Technische Thermochemie und -physik mbH
Für weitere Informationen wenden Sie sich bitte an Holger Brüggemann.
Finite-Elemente-basierte Abschätzung der Lebensdauer von Verschleißschutzschichten für das Kaltwalzen
Beim Kaltwalzen von Stahl mit großer plastischer Verformung ist die periodische mechanische Beanspruchung der Arbeitswalzen erheblich und verursacht oft einen starken Verschleiß, der zum Ausfall der Walze führt und die Effizienz verringert. Um die Lebensdauer der Arbeitswalzen zu erhöhen, werden verschleißfeste Beschichtungen aufgetragen. Die Lebensdauer von Arbeitswalzen mit einer bestimmten Beschichtungskategorie und -dicke kann jedoch nicht wissenschaftlich abgeschätzt werden, was zu Schwierigkeiten bei der Auswahl und Anwendung der Beschichtung für verschiedene Umformtechnologien führt. In diesem Projekt werden mehrskalige FE-Modelle verwendet, um die Lebensdauer von Beschichtungen abzuschätzen. Im Makromodell werden die Kinematik und die Spannung im Walzspalt simuliert und anschließend als Randbedingungen in ein Mesomodell übertragen. Im Mesomodell kann das Beschichtungsverhalten unter realistischen Umformbedingungen wie im Walzspalt mit einem Verbundmodell simuliert werden.
Für weitere Informationen wenden Sie sich bitte an Holger Brüggemann.
Datenbasierte Prozessführung entlang überbetrieblicher Prozessketten
Die Prozessketten umformtechnisch hergestellter Produkte umfassen typischerweise mehrere Unternehmen, welche individuelle Anforderungen bezüglich der Produktspezifikationen an ihre Lieferanten stellen. Diese werden dabei nur stichprobenartig kontrolliert, wodurch die genauen Eigenschaften der meisten Produkte unbekannt sind und Abweichungen oftmals nicht erkannt werden. Um trotz dieser Faktoren zuverlässig Gutteile herstellen zu können, werden Anforderungen häufig restriktiver als nötig definiert. Zudem kann auf unbekannte Abweichungen nicht reagiert werden, sodass mehr Ausschuss entsteht und die Wirtschaftlichkeit sinkt. Ziel dieses Projekts ist es zu untersuchen, wie eine standardisierbare, fälschungssichere und geschützte Übertragung modellbasiert ermittelter Produkteigenschaften für jedes einzelne Bauteil zwischen Unternehmen innerhalb einer Prozesskette erfolgen kann, um auf Abweichungen durch Prozessadaptionen reagieren und somit die Wirtschaftlichkeit steigern zu können.
Für weitere Informationen wenden Sie sich bitte an Nilesh Thakare.