Werkstoffsimulation

Virtuelles Versuchslabor für die Blechumformung

| Redakteur: Beate Christmann

Computersimulationen helfen Ingenieuren dabei, Werkstoffe auf ihre Belastungsgrenzen hin zu überprüfen. Mit dem neuen virtuellen Versuchslabor will das Fraunhofer-IWM eine präzise Datenbasis für derartige Simulationen zur Verfügung stellen.
Computersimulationen helfen Ingenieuren dabei, Werkstoffe auf ihre Belastungsgrenzen hin zu überprüfen. Mit dem neuen virtuellen Versuchslabor will das Fraunhofer-IWM eine präzise Datenbasis für derartige Simulationen zur Verfügung stellen. (Bild: ©Monkey Business - stock.adobe.com)

Fraunhofer-Forscher haben nach eigener Aussage ein virtuelles Versuchslabor entwickelt, mit dem sie werkstoffmechanische Daten für die Umformsimulation von Blechwerkstoffen präzise, zeit- und kostensparend ermitteln können.

Aufgrund seiner mechanischen Eigenschaften ist Blech ein beliebtes Material. Um es in die gewünschte Form zu bringen, gibt es verschiedene Möglichkeiten: Biegen, Innenhochdruckformen, Streckziehen – das sind nur drei der gängigen Techniken. Jedoch stößt es dabei regelmäßig an seine Belastungsgrenzen. Um zu wissen, wie weit man in der Produktion gehen kann, greifen Ingenieure häufig auf Computersimulationen zurück. Diese berechnen, wie die Materialien belastet werden können. Doch jede Simulation kann nur so gut sein wie die Datenbasis, mit der sie arbeitet. Und diese Daten umfassend zu ermitteln, ist zumindest mit klassischen Laborversuchen sehr aufwendig sowie zeit- und kostenintensiv.

Werkstoffmechanische Daten schnell und präzise ermitteln

Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Werkstoffmechanik IWM in Freiburg haben deswegen ein virtuelles Versuchslabor entwickelt, mit dem es möglich sein soll, beliebige Belastungszustände für metallische Materialien zu untersuchen und genaue werkstoffmechanische Daten schnell und präzise zu ermitteln. „In unserem virtuellen Labor lassen sich alle Belastungszustände testen. Bauteilhersteller aus der Blechumformung erhalten viele detaillierte Materialdaten“, erklärt Dr. Alexander Butz, Projektleiter in der Gruppe Umformprozesse am Fraunhofer-IWM.

Die mechanischen Eigenschaften von Blechwerkstoffen sind richtungsabhängig: Ihr Verformungsverhalten und ihre Festigkeit unterscheiden sich stark je nach der Betrachtungsrichtung, zum Beispiel in Walzrichtung oder quer dazu. Um die benötigten Materialdaten zu erhalten, müssen bisher zahlreiche und aufwendige Belastungsversuche durchgeführt werden. Für jeden Belastungszustand sind dabei neue Versuchsaufbauten und Materialproben nötig. Dabei lassen sich bei Blechwerkstoffen nicht alle Belastungszustände untersuchen, obwohl sie für die Computersimulation des Herstellungsprozesses von Bauteilen wichtig wären: Wenn es beispielsweise darum geht, das Verhalten von Blechwerkstoffen in Richtung ihrer Dicke zu bestimmen, stoßen herkömmliche Versuche an ihre Grenzen. Die 1 bis 2 mm der Blechdicke sind zu wenig, um in dieser Richtung Proben für einen Zugversuch präparieren zu können.

Automatisierter Workflow

Butz und sein Team nun erstellen zunächst mithilfe von nur wenigen realen Experimenten ein Simulationsmodell der Mikrostruktur des Werkstoffes, mit dem die physikalischen Mechanismen bei einer Verformung bis in die Kristallstruktur beschrieben werden. Damit können alle gewünschten Versuche im Computer generiert und zuverlässige Rückschlüsse auf die makroskopischen mechanischen Eigenschaften des Werkstoffs gezogen werden. „Die Methode ist bekannt. Neu ist, dass wir einen automatisierten Workflow entwickelt haben, der die Versuche zeitsparend virtuell ablaufen lässt“, erklärt Butz.

Weil sehr viele virtuelle Versuche in kurzer Zeit durchgeführt werden und das zugrunde liegende Mikrostrukturmodell sehr präzise sein soll, kann mit den Ergebnissen aus dem virtuellen Labor nach Ansicht der Wissenschaftler die sogenannte Materialkarte deutlich genauer beschrieben werden als mit klassischen Versuchen. Die virtuell ermittelten Daten sollen von Bauteilherstellern in gleicher Weise weiterverarbeitet werden können wie experimentell gewonnene: neben den Simulationen für die Produktion eines Bauteils auch für die Vorhersage des Bauteilverhaltens und der Lebensdauer während seiner Benutzung.

Butz hebt zudem hervor: „Kritische Stellen, an denen das Bauteil in der Produktion häufig beschädigt wird, können herausgegriffen und die Mikrostruktur wie mit einem virtuellen Mikroskop gezielt untersucht werden. So erhalten wir Hinweise darauf, wie sich der Bearbeitungsprozess verbessern lässt.“

Potenzial für Leichtbau

Besonders interessant könnte das virtuelle Versuchslabor für die Leichtbauindustrie sein: Sie möchte mit möglichst wenig Material arbeiten – entsprechend stark ist dessen Beanspruchung. Butz fasst zusammen: „Unsere Entwicklung ist für alle spannend, die sehr genaue Eingangsdaten für die Prozesssimulation und Bauteilauslegung benötigen, zum Beispiel in der Automobil- oder Luftfahrtindustrie oder in der Additiven Fertigung.“

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