Forming of large-area metallic riblet surfaces
Final Report Abstract
Die Schwerpunkte der ersten Förderperiode waren für Teilprojekt 6 „Formgebung großflächiger metallischer Oberflächen mit Ribletstrukturen“ die Ermittlung der Verfahrensgrenzen und der Einflüsse von Prozessgrößen auf die Konturgenauigkeit beim Walzen von Riblets sowie die Untersuchung des Strukturund Umformverhaltens von Ribletblechen. Die relevanten Verfahrensgrenzen sind für dünne und breite Folien die Blechplanheit und aus technologisch wirtschaftlicher Sicht die Lebensdauer der mit Draht strukturierten Walze. Eine Entlastung des Drahtes kann im Fall von Aluminium durch Weichglühen des zu strukturierenden Materials, welches nach dem Walzprozess wieder ausgehärtet wird, erfolgen. Für die bislang untersuchten Verhältnisse von Ribletabstand/Blechdicke (s/h0) stellt die minimale Ribletgröße keine nennenswerte Beschränkung in Bezug auf die Formfüllung dar. Auch für eine geringe Blechdicke von nur 60 % der nominellen Riblethöhe konnte eine ausreichende Formfüllung erreicht werden. Die Einflüsse auf die Konturgenauigkeit lassen sich wie folgt zusammenfassen: Die auf die Fließspannung bezogene mittlere Normalspannung (k w/kfm) ist bei gegebener Blechdicke die maßgebliche Kenngröße für die Konturtreue (Formfüllung FF). Sie ist (fast) ausschließlich von der Geometrie abhängig und kann durch elementare Gleichungen beschrieben werden. Demnach führen bei ansonsten gleichen Bedingungen eine Erhöhung des Reibungskoeffizienten µ, des Arbeitswalzendurchmessers D und der spezifischen Dickenabnahme εh zu einer verbesserten Formfüllung, wohingegen eine Zunahme der mittleren Blechdicke hm sowie die Erhöhung der mittleren Längszugspannung σla eine Verringerung der erreichbaren Formfüllung zur Folge hat. Zusätzlich kann die Konturgenauigkeit durch die Verwendung von mit weichen Werkstoffen plattierten höherfesten Blechen verbessert werden. Diese erreichen bei gleicher spezifischer Dickenabnahme eine deutlich höhere Formfüllung als unplattierte Bleche, da hauptsächlich die weichere Plattierschicht umgeformt wird, während der feste Kern den Fließwiderstand in Längsrichtung erhöht. Der Einfluss der Riblets auf das anisotrope Verhalten bei weiterer Umformung ist für die bislang vorrangig untersuchten kleinen (s = 100 µm) Riblets in Blechen mit Dicken von h0 = 1,0 - 1,6 mm gering und auf die richtungsabhängigen Unterschiede des tatsächlich belasteten Querschnitts zurückzuführen. Es zeichnet sich ab, dass für die bislang im Vordergrund stehenden geometrischen Verhältnisse (s/h 0 < 0,1) eine sehr einfache „Homogenisierung“ im Sinne eines unstrukturierten Bleches mit anisotropen Fließeigenschaften genügt. Die Geometrie der Ribletstrukturen zeigt selbst für sehr kleine Biegeradien nahezu keine Änderung durch die Biegeumformung. Einachsig gekrümmte Bauteile können, ggf. unter Verwendung einer elastischen Zwischenlage, ohne Schädigung der Ribletstruktur umgeformt werden.
Publications
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„Current objectives and approaches in simulation and modelling of rolling processes”, Matériaux & Techniques 100, S. S1 10 – S1 14, 2012
G. Hirt, V. Jenkouk, T. Romans und S. Seuren
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„Riblet-rolling of clad AlCu4Mg1 sheets - passive drag reduction in aeronautics”, Mailand: Associazione Italiana di Metallurgia - ISBN: 9788885298958, 2013
J. Pöplau, T. Romans, M. Bambach und G. Hirt
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„Selected processes and modeling techniques for rolled products”, Prodedia Engineering 81, S. 18-27, 2014
G. Hirt und S. Senge
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„The influence of process parameters on the forming of riblets during riblet rolling”, Key Engineering Materials 611-612, S. 715-722, 2014
J. Pöplau, S. Stille, T. Romans, T. Beck, L. Singheiser und G. Hirt
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„Very high cycle fatigue behavior of riblet structured Alclad 2024 thin sheets”, International Journal of Fatigue 63, S. 183-190, 2014
S. Stille, J. Pöplau, T. Beck, M. Bambach, G. Hirt und L. Singheiser
