Herstellung und Charakterisierung komplexer zellulärer Faltwabenstrukturen aus Feinblech
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens wurde ein Faltprozess zur Herstellung komplexer zellulärer Strukturen aus ebenen, metallischen Feinblechen mit Dicken größer 0,5 mm sowie Methoden zur Charakterisierung dieser für den Einsatz als Sandwichkernmaterial vorgesehenen Faltstrukturen entwickelt. Vorherige Forschungsarbeiten zur Herstellung solcher gefalteten Sandwichkerne betrachteten ausschließlich Ausgangswerkstoffe mit geringeren Materialdicken von unter 0,2 mm Dicke, bei welchen Materialaufstauchungen beim Faltprozess im Bereich räumlicher Biegeecken vernachlässigt werden können. Die in diesem Forschungsprojekt behandelten Faltstrukturen aus dickwandigeren Halbzeugen versprechen demgegenüber überproportional zur Dicke ansteigende Beulfestigkeiten der einzelnen (Zell-)Wände und damit ein großes Potential für den Einsatz als leichte Tragstrukturen oder Crash-Elemente. Vor diesem Hintergrund entwickelten die Projektpartner eine Prozessroute, die die Herstellung komplexer metallischer Strukturen mit Blechdicken größer als 0,5 mm ermöglicht. Dazu wurde zunächst in experimentellen und numerischen Untersuchungen das Rollkneifen als geeignetste Methode zur umformtechnischen Herstellung von Vorstrukturen für den tatsächlichen Faltprozess identifiziert. Im Weiteren wurden unterschiedliche Faltzellengeometrien hinsichtlich ihrer potentiellen Leistungsfähigkeit sowie Herstellbarkeit analysiert. Mithilfe eines neuen numerischen Modells, das mit Blick auf eine schnelle Evaluation verschiedener Geometrien mit reduzierter Modellkomplexität ausgelegt wurde, konnte dabei ein Hilfsmittel zur Optimierung und Geometriefindung für die betrachteten dickwandigen Faltkerne entwickelt werden. Faltzellen mit drei Biegeachsorientierungen (BAO) erwiesen sich hierbei am vorteilhaftesten, da die Faltkanten bei dieser Zellgeometrie nur translatorische und keine rotatorischen Bewegungen während des Faltvorgangs vollziehen. Das für den Einsatz in Umformpressen neu entwickelte Faltwerkzeug nutzt diese Eigenschaft, um eine Krafteinleitung in die Faltzelle und Führung der Faltzelle während des kompletten Pressenhubes zu gewährleisten. Die strukturellen Eigenschaften der gefalteten Feinblech-Sandwichkerne wurden zunächst mittels numerischer Methoden ermittelt und schließlich durch experimentelle Untersuchungen an den erzeugten Probekörpern bestätigt. Die hierbei durchgeführten Druck- und Schubversuche mit den aus unterschiedlichen Werkstoffen hergestellten Kernstrukturen zeigten ausgezeichnete gewichtsspezifische mechanische Eigenschaften der gefalteten Sandwichkerne, die deutlich über den Festigkeits- und Steifigkeitswerten von konventionellen zellulären Kernmaterialien mit Blechdicken unter 0,2 mm lagen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Virtual process chain for optimization of sandwich foldcores under flatwise compression. Thin-Walled Structures, 157, 107121.
Muhs, Fabian; Thissen, Simon & Middendorf, Peter
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Evaluation of Forming Methods for the Pre-shaping of Miura-Structures Made of Sheet Metal Materials. Lecture Notes in Production Engineering, 75-84. Springer International Publishing.
Görz, M.; Liewald, M. & Riedmüller, K. R.
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Numerical analysis of imperfections in Miura Ori sandwich cores using isogeometric analysis. Proceedings of the IASS 2020/21. Vol. 2020: Deployable, foldable and tensegrity structures. pp. 1164-1174. Surrey, UK. ISSN 2518-6582.
Thissen, S. & Middendorf, P.
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Numerical characterization and optimization of the anisotropy of foldcores under shear loading. Proceedings of the IASS 2020/21. Vol. 2020: Deployable, foldable and tensegrity structures. pp. 1145-1157. Surrey, UK. ISSN 2518-6582.
Muhs, F. & Middendorf, P.
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Numerical analysis of sheet metal folded sandwich core structures. Proceedings of IASS Annual Symposia. Vol 2022: Next Generation Parametric Design. pp. 1- 7(7). ISSN 2518-6582.
Thissen, S.; Görz, M. & Middendorf, P.
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Herstellung von zellulären Faltstrukturen aus Blech. Zeitschrift für wirtschaftlichen Fabrikbetrieb, 118(9), 554-560.
Görz, Marcel; Thissen, Simon; Clauß, Philipp; Rouven, Riedmüller Kim; Liewald, Mathias & Middendorf, Peter
