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IFU Stuttgart

Verbesserte Versagensvorhersage für die Blechumformung

| Autor/ Redakteur: Klaus Drotleff und Mathias Liewald / M.A. Frauke Finus

Die prozesssichere Fertigung moderner Bauteile aus Blech stellt Methodenplaner und Werkzeugkonstrukteure vor vielfältige Herausforderungen. Meist gilt es, den Zielkonflikt zwischen der Fertigung komplexer Formen aus Leichtbauwerkstoffen in höchster Qualität, geringen Fertigungskosten und kurzer Entwicklungszeit zu lösen. Hierfür ist der Einsatz moderner FEM-Systeme unerlässlich.

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Bauteilstelle im Versuchsteil „Tunnelverstärkung“ mit kritischen nicht-linearen Dehnpfaden.
Bauteilstelle im Versuchsteil „Tunnelverstärkung“ mit kritischen nicht-linearen Dehnpfaden.
(Bild: IFU)

Während in den letzten Jahren deutliche Fortschritte bei der Benutzerfreundlichkeit, Reduktion der Rechenzeit und Vorhersagequalität von FEM-Systemen erzielt wurden, wird als Versagenskriterium für die Bewertung der Herstellbarkeit neben der Erfahrung und dem Fachwissen des Konstrukteurs häufig noch immer die Grenzformänderungskurve (Forming Limit Curve – FLC) aus den 70er Jahren verwendet. Diese von Keeler vorgeschlagene, werkstoffspezifische Kurve beschreibt die Grenze der kritischen Formänderungskombinationen, bei deren Überschreiten mit einer lokalen Einschnürung während des Umformvorgangs zu rechnen ist. Die Bestimmung der Grenzformänderungskurve ist in ISO 12004-2 beschrieben. Unterschiedlich taillierte Proben werden zwischen Niederhalter und Matrize geklemmt und über einen halbkugelförmigen (Nakajima) bzw. zylindrischen (Marciniak) Stempel gezogen bis der Werkstoff versagt. Mittels optischer Formänderungsanalyse werden die kritischen Formänderungen im Werkstoff beim Beginn der lokalen Einschnürung gemessen, woraus die FLC bestimmt wird. Am Institut für Umformtechnik (IFU) kann neben den gebräuchlichen Nakajima-Versuchen zur Bestimmung der FLC auch der Marciniak-Versuch durchgeführt werden. Zur Reduktion der Reibung zwischen Versuchsprobe und Stempel wird neben konventionellem Schmieröl zusätzlich PTFE-Folie beziehungsweise (PVC-Folie für Werkstoffe mit höheren Zugfestigkeiten) eingesetzt. Dies garantiert, dass die gemessenen Werkstoffkennwerte nicht durch Reibungseinflüsse verfälscht werden.

Einsatzgrenzen und Prognosequalität validieren

Seit den Arbeiten von Müschenborn und Sonne von 1975 ist bekannt, dass die FLC keine statische Kurve ist, sondern sich in Abhängigkeit des Dehnpfades verändert. Das heißt, der Formänderungsverlauf hat einen entscheidenden Einfluss auf das gesamte Formänderungsvermögen eines metallischen Werkstoffs. Da die FLC nach ISO12004-2 nur entlang eines linearen Dehnpfades bestimmt wird, ist die Auslegung komplexer Umformprozesse mit nicht-linearen Dehnpfaden anhand dieser Kurve kritisch. In der Praxis wird dieser Problematik bisher durch einen großzügigen Sicherheitsfaktor von 10 bis 20 % Rechnung getragen, um den die im Nakajima-Versuch bestimmten kritischen Formänderungswerte reduziert werden. Es ist offensichtlich, dass dieses Vorgehen für die Erreichung von neuen Leichtbauzielen und der Fertigung komplexer Bauteile nicht geeignet ist. Um weitere Materialeinsparungen und komplexere Geometrien durch Tief- oder Streckziehen prozesssicher zu erzielen, muss die Werkzeugauslegung und das Verständnis des Werkstoffverhaltens verbessert werden.

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Schon seit einiger Zeit existieren mehrere interessante Ansätze zur Verbesserung der Versagensvorhersage in der Umformsimulation, die auch den Einfluss nicht-linearer Dehnpfade auf das Werkstoffversagen berücksichtigen können. Aufgrund mangelnder praktischer Erfahrungen stehen viele Firmen einem Einsatz dieser Ansätze jedoch kritisch gegenüber. Im EFB-Projekt „Bewerten von Umformgrenzen bei nicht-linearen Beanspruchungen in der Praxis“ wurden drei vielversprechende Ansätze zur verbesserten Versagensvorhersage unter nicht-linearen Dehnbeanspruchungen genauer untersucht. Ziel war es, die Einsatzgrenzen und Prognosequalität der Modelle anhand eines experimentellen Tiefziehteils zu validieren. Im Rahmen des Projekts wurden das IFU-FLC-Kriterium, das Modifizierte Maximalkraftkriterium (MMFC) und das Generalized Forming Limit Concept (GFLC) verwendet um eine Versagensprognose für das Versuchsbauteil „Tunnelverstärkung“ der Daimler AG zu erstellen. Dieses weist kritische nicht-lineare Dehnpfade in mehreren Bereichen auf. Es wird deutlich, dass mit dem neuen Kriterium der Beginn der lokalen Einschnürung für den gezeigten nicht-linearen Dehnpfad deutlich früher prognostiziert wird. Dies deckt sich mit experimentellen Ergebnissen aus Tiefziehversuchen mit einem DP600 Werkstoff. Diese verbesserte Versagensvorhersage kann zukünftig die Arbeit von Methodenplanern, Werkzeugkonstrukteuren und Werkzeugmachern in der Praxis erleichtern.

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