P10: Untersuchung eigenspannungsrelevanter Elementarvorgänge bei fließgepressten Bauteilen in der Herstellungs- und Betriebsphase

Aufgrund des Potenzials von umforminduzierten Eigenspannungen (ES) zur Beeinflussung der Bauteileigenschaften bedarf es eines tiefergehenden Verständnisses über die Mechanismen der ES-Entstehung und -Stabilität. Demzufolge ist das Vorgehen zur Bearbeitung des Forschungsvorhabens in die Phasen der Bauteilherstellung (ES-Entstehung), des Bauteilbetriebs (ES-Stabilität) und der Prozessauslegung (Nutzung der ES) gegliedert. Als Referenzprozess wird das Voll-Vorwärts-Fließpressen genutzt, welches im industriellen Einsatz als Standardverfahren etabliert ist. Aufgrund des Trends hin zu Bauteilwerkstoffen mit höherer Festigkeit werden im Projekt zwei nichtrostende Stähle verwendet. Die Untersuchungen umfassen parallel ablaufende experimentelle und numerische Analysen des Prozesses sowie deren Synthese.

Ergebnisse der 1. Projektphase

Während der ersten Phase wurden auf experimenteller Seite notwendige Versuchsapparaturen zur Bauteilherstellung und -prüfung aufgebaut, Material- und Reibparameter identifiziert, Bauteile unter Berücksichtigung verschiedener Parametervarianten umgeformt und deren ES röntgendiffraktometrisch bestimmt. Parallel dazu wurden auf Seiten der Simulation makroskopische Finite-Elemente-Modelle mit Subroutinen für ein erweitertes Postprocessing von ES entwickelt und diese im Rahmen numerischer Parametervariationen eingesetzt. Zudem wurden differentialgeometrische und kontinuumsmechanische Zusammenhänge von ES ergründet und die Materialmodellierung auf Kristallplastizität erweitert. Die Prädiktivität der numerischen Ergebnisse wurde an Hand der experimentellen Ergebnisse quantifiziert.

Ziele der 2. Projektphase

Die zweite Phase konzentriert sich auf die ES-Stabilität im Bauteileinsatz und die Prozessrobustheit bei der Bauteilherstellung. Die gewonnenen Erkenntnisse werden zu Ende der zweiten und in der dritten Phase zur gezielten Beeinflussung des Betriebsverhaltens und zur Steuerung der zyklischen Festigkeit genutzt, siehe Abbildung. Ziel in der zweiten Phase ist die experimentelle und numerische Ermittlung der mechanischen, zeitlichen und thermischen ES-Stabilität. Als Voraussetzung für die gezielte Beeinflussung der ES-Stabilität werden relevante Einflussgrößen identifiziert. Diese Wirkzusammenhänge sind durch grundlegende physikalische Effekte zu plausibilisieren, wobei ein Rückgriff auf in der Literatur beschriebene Effekte und numerische Methoden zur Ableitung grundlegender Modellvorstellungen erfolgt. Aufgrund der bisherigen Erfahrungen sind bei sämtlichen Untersuchungen Schwankungen von Eingangsgrößen und bisher bekannten Störgrößen zu berücksichtigen. Voraussetzung für eine systematische Untersuchung der grundlegenden ES-relevanten Mechanismen bildet zudem die Erhöhung der numerischen Abbildungs- und Vorhersagegenauigkeit der umforminduzierten ES. Analog zur Entstehungsphase erfolgt daher auch in der Betriebsphase ein steter Abgleich von Simulation und Experiment im Sinne einer Beurteilung der Prognosequalität der numerischen Ansätze und der Plausibilität der experimentellen Laborergebnisse. Innerhalb des Schwerpunktprogramms ist das Teilprojekt in den Fachkreisen Produktionstechnik (dickwandig) und Mechanik und Simulation vertreten, wobei in letzterem das VVFP von uns als Benchmark initiiert wurde und koordiniert wird.

Ansprechpartner

LFT - Lehrstuhl für Fertigungstechnologie

Projektleitung P10.A
Prof. Dr.-Ing. habil. M. Merklein

Projektbearbeiter
Andreas Jobst

LTM - Lehrstuhl für Technische Mechanik

Projektleitung P10.B
Prof. Dr.-Ing. habil. P. Steinmann

Projektbearbeiter
Philipp Landkammer