Prozessrandwertermittlung

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Tobias Teeuwen

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Für die Prozessrandwertermittlung wurde am Institut für Bildsame Formgebung ein Mehrstufenkonzept entwickelt, welches die eindeutige Bestimmung der einzelnen Parameter sicherstellt. Dabei werden die entsprechenden Randwerte wie Strahlungszahl, Wärmeübergangskoeffizient und Reibungszahl mittels inverser FEM Rechnung bestimmt. Im Einzelnen wird wie folgt vorgegangen:

Ermittlung der Strahlungszahl ε

  • Abkühlung einer zylindrischen Probe an Luft mit Temperaturmessung
  • Abgleich der Probentemperatur mit einer FEM Rechnung

Ermittlung des Wärmeübergangskoeffizienten α

  • Abkühlung einer Probe unter definiertem Kontaktdruck mit Temperaturmessung
  • Abgleich der Probentemperatur mit einer FEM Rechnung

Ermittlung der Reibungszahl μ

  • Stauchen einer Rohrkegelstauchprobe oder alternativ Stauchen einer Ringstauchprobe
  • Abgleich des Probendurchmessers mit einer FEM Rechnung oder Nomogrammen
 
 

Ermittlung der Strahlungszahl

Strahlungszahl-Probe während der induktiven Erwärmung Urheberrecht: © IBF Strahlungszahl-Probe während der induktiven Erwärmung

Mit steigender Temperatur wird der Einfluss der Wärmestrahlung im Vergleich zum Wärmeübergang an die Umgebung deutlich größer. Daher ist für Umformprozesse bei hohen Temperaturen oft eine genaue Kenntnis der Strahlungszahl notwendig. Diese kann in einem von Strahlung dominierten Experiment ermittelt werden. Dazu wird eine zylindrische Probe auf einer dünnen Keramikhülse befestigt, um minimalen Festkörperkontakt zu gewährleisten. Anschließend kann die Probe induktiv auf die gewünschte Temperatur erhitzt werden. Nach Erreichen der Zieltemperatur wird die Probe an Luft abgekühlt, dabei wird die Temperatur der Probe an mehreren Stellen gemessen. Anhand der zeitlichen Temperaturänderung kann schließlich mittels inverser Modellierung die Strahlungszahl der Probe ermittelt werden. Die Strahlungszahl ist dabei besonders abhängig von der Oberflächenbeschaffenheit der Probe.

 
 

Ermittlung des Wärmeübergangskoeffizienten

Zwischen zwei Stempeln abkühlende Wärmeübergangs-Probe Urheberrecht: © IBF Zwischen zwei Stempeln abkühlende Wärmeübergangs-Probe

Besonders bei der Abbildung von Warmmassivumformprozessen sind auch thermodynamische Randbedingungen wie der Wärmeübergang kritische Größen, welche möglichst genau bestimmt werden sollten. Das Institut für Bildsame Formgebung bietet daher die Möglichkeit, Wärmeübergangskoeffizienten experimentell für entsprechende Werkstoffpaarungen zu ermitteln. Dabei können die Werkzeuge auf Temperaturen bis zu 300 °C aufgeheizt werden und die Proben mittels externem Ofen auf bis zu 1200 °C. In Abhängigkeit von Oberflächenbeschaffenheit und Normaldruck können anhand der gemessenen Temperaturänderung der Probe mittels inverser Modellierung entsprechende Wärmeübergangskoeffizienten ermittelt werden.

 
 

Reibwertermittlung

Rohrkegelstauchversuch mit überlagerten Simulationsergebnissen Urheberrecht: © IBF Rohrkegelstauchversuch mit überlagerten Simulationsergebnissen

Zur Reibwertermittlung im Bereich der Massivumformung stehen am Institut für Bildsame Formgebung sowohl der klassische Ringstauchversuch als auch der eigens entwickelte Rohrkegelstauchversuch, kurz RKSV, zur Verfügung. Durch bis zu 300 °C beheizbare Werkzeuge und Proben, welche in einem externen Ofen auf bis zu 1200 °C aufgeheizt werden können, ist es möglich, typische Umformbedingungen der Warmmassivumformung abzubilden. Dabei können Umformgeschwindigkeiten von 0,001 – 10 s-1 realisiert werden. Mittels eines Schmierstoffsprühsystems werden genau reproduzierbare Mengen an Schmierstoff auf die Stempel aufgetragen. Die Auswertung der Versuche erfolgt dabei mittels inverser Modellierung oder mittels invers ermittelter Nomogramme.