Blechprüfung

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Daniel Petrell

Gruppenleiter Materialcharakterisierung

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Zur prozessnahen Werkstoffcharakterisierung und Validierung von Umformsimulationen steht am Institut für Bildsame Formgebung (IBF) ein weites Spektrum an Versuchen für die Blechprüfung zur Verfügung.

Neben der Ausstattung für einachsige Zugversuche und Scherzugversuche verfügt das IBF mit dem Nakajima Versuch und dem Hot-Gas-Bulgetest auch über Prüfeinrichtungen für die Ermittlung von Grenzformänderungskurven. Des Weiteren können Kreuznapfversuche, Marciniak-Versuche und weitere Napfziehversuche durchgeführt werden.

Für die Dehnungsmessung stehen ein Videoextensometer sowie das ARGUS-System und das ARAMIS‑4M‑System der Firma GOM zur Verfügung.

Mögliche Versuche für die Blechprüfung am IBF

  • Einachsiger Zugversuch
  • Scherzugversuch
  • Plane-Strain-Versuch
  • Nakajima-Versuch
  • Hot-Gas-Bulgetest
  • Kreuznapfversuch
  • Marciniak-Versuch
  • Rundnapfversuch
 
 

Zugversuch an Flachzugproben

Zugversuch mit lokaler Dehnungsmessung Urheberrecht: © IBF Zugversuch mit lokaler Dehnungsmessung

Zur Ermittlung von Fließkurven unter Zugbelastung und Materialkennwerten bietet das Institut für Bildsame Formgebung die Durchführung von Zugversuchen an. Dabei wird die Probe unter quasistatischen Umformbedingungen auf einer Universalprüfmaschine bis zum Bruch gezogen. Während der Umformung werden mittels Kraftmessdose die Kraft und mittels Videoextensometer berührungslos die Längenänderung der Probe gemessen. Daraus lassen sich anschließend sowohl das wahre als auch das technische Spannungs-Dehnungs-Diagramm berechnen. Anhand des technischen Spannungs-Dehnungs-Diagramms können typische Kenngrößen wie Streckgrenze, Zugfestigkeit und Gleichmaßdehnung ermittelt werden. Alternativ besteht auch die Möglichkeit zur Verwendung eines optischen 3D-Messsystems zur Messung lokaler Dehnungen. Dadurch lassen sich beispielsweise Anisotropie und E-Modul des Materials mit hoher Genauigkeit bestimmen.

 
 

Scherversuch / Plain-Strain-Versuch

Schertest mit lokaler Dehnungsmessung Urheberrecht: © IBF Schertest mit lokaler Dehnungsmessung

Neben dem klassischen Zugversuch werden am Institut für Bildsame Formgebung auch Materialcharakterisierungsversuche zur erweiterten Blechprüfung angeboten. Mittels Scherversuch können Fließkurven bis zu deutlich höheren Umformgraden im Vergleich zum Zugversuch aufgenommen werden. Zudem lassen sich durch den Scherversuch und den Plane-Strain-Versuch weitere Punkte auf der Fließortkurve ermitteln, beispielsweise zur Parametrisierung von Fließgesetzen. Die Proben werden ähnlich zum Zugversuch auf einer Universalprüfmaschine unter quasistatischen Bedingungen geprüft. Dabei erfolgt die Messung der Dehnung allerdings zwingend mittels lokaler optischer Dehnungsmessung, da diese für eine korrekte Auswertung der Versuche benötigt wird. Anhand der gemessenen Kraft und den lokalen Dehnungen lassen sich schließlich entsprechende Fließkurven und folglich auch Punkte für die Fließortkurve ermitteln.

 
 

Grenzformänderungskurven durch Nakajima-Versuch

Nakajima-Werkzeug inklusive optischem Dehnungsmesssystem und getestete Probe Urheberrecht: © IBF Nakajima-Werkzeug inklusive optischem Dehnungsmesssystem und getestete Probe

Die Grenzformänderungskurve, aus dem Englischen Forming-Limit-Curve, kurz FLC, ist ein wichtiger Materialkennwert bei der Blechumformung. Zur Ermittlung einer FLC wird am Institut für Bildsame Formgebung ein Tiefungsversuch an Blechproben nach Nakajima genutzt. Durch unterschiedliche Probengeometrien können verschiedene Dehnungszustände des Materials hervorgerufen werden. Zur Bestimmung kritischer Dehnungswerte kurz vor dem Versagen des Materials wird ein optisches Messsystem genutzt. Das Werkzeug inklusive Dehnungsmesssystem kann in die hydraulische Tiefziehpresse des IBF eingebaut werden.

 
 

Hot-Gas-Bulgetest

Glühende Probe im Hot-Gas-Bulgetest Urheberrecht: © IBF Glühende Probe im Hot-Gas-Bulgetest

Der gasbasierte Hochtemperaturtiefungsversuch, Hot-Gas-Bulgetest, ist ein am IBF entwickeltes Prüfverfahren um Materialkennwerte, insbesondere die biaxiale Fließkurve, eines Blechmaterials bei erhöhter Temperatur reibungsfrei bestimmen zu können. Mit diesem Verfahren ist es möglich, Fließkurvenfelder für moderne Warmblechumformprozesse bei dynamischen Geschwindigkeiten zu ermitteln. Hierzu wird eine Blechprobe in den Testaufbau eingelegt, konduktiv erwärmt und anschließend mit annähernd konstanter Dehnrate bis zum Materialversagen durch Stickstoff-Gas reibungsfrei umgeformt. Die kontinuierlich gemessenen Daten Umformdruck und Dehnungsverteilung im Pol der Aufwölbung ermöglichen im Anschluss die Berechnung der Fließkurve unter biaxialer Belastung. Primär für die Prüfung von Mangan-Bor-Stählen entwickelt, findet in aktuellen Forschungen die Erweiterung des Prüfverfahrens auf höchstfeste Aluminiumlegierungen statt.

 
 

Kreuznapfversuch

Umgeformte Kreuznapfprobe mit überlagerter Dehnungsmessung Urheberrecht: © IBF Umgeformte Kreuznapfprobe mit überlagerter Dehnungsmessung

Der Kreuznapfversuch ist ein wichtiges Mittel der Blechumformung, um die Umformbarkeit eines Werkstoffs zu testen. Durch die Geometrie der Kreuznapfprobe können verschiedenste Dehnungszustände in nur einem Versuch hervorgerufen werden. Durch eine optische Messung der Dehnungen des Materials nach dem Versuch, kann die Blechausdünnung in Abhängigkeit des Dehnungszustandes bestimmt werden. Das Kreuznapfwerkzeug kann in der hydraulischen Tiefziehpresse des Instituts für Bildsame Formgebung eingebaut werden.

 
 

Marciniak-Versuch

Umgeformte Marciniak-Probe Urheberrecht: © IBF Umgeformte Marciniak-Probe

Durch den Marciniak-Versuch kann, genau wie durch den Nakajima-Versuch auch, eine Grenzformänderungskurve, aus dem Englischen Forming-Limit-Curve, kurz FLC, eines Materials bestimmt werden. Beide Tiefungsversuche unterscheiden sich durch die Form des Stempels. Das am Institut für Bildsame Formgebung befindliche Marciniak‑Werkzeug bietet aufgrund seines Stempeldurchmessers von knapp über 200 mm und unter Verwendung einer Ziehsicke vor allem die Möglichkeit, die Umformbarkeit von großflächigen Blechbauteilen ohne Nachfließen des Materials zu testen. Zur Durchführung von Marciniak-Versuchen kann die hydraulische Tiefziehpress des IBF genutzt werden.

 
 

Grenzziehverhältnis durch Rundnapfversuch

Umgeformte Rundnapfprobe Urheberrecht: © IBF Umgeformte Rundnapfprobe

Durch das Tiefziehen von Rundnäpfen kann in Abhängigkeit des Ziehverhältnisses ein Prozessfenster für den Tiefziehprozess hinsichtlich der einzustellenden Niederhalterkraft identifiziert werden. Das Ziehverhältnis setzt dabei die Fläche der Ausgangsplatine sowie des Stempels in Relation. Zudem ist die Bestimmung des Grenzziehverhältnisses möglich, welches die maximale Platinengröße beschreibt, mit der noch Gutteile produziert werden können. Das Rundnapfwerkzeug kann auf der hydraulischen Presse des Instituts für Bildsame Formgebung eingebaut werden.