Validierung von Materialmodellen für Blechwerkstoffe mittels eines innovativen Werkzeugs
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das Projekt untersucht den Einsatz der Finite-Elemente-Methode (FEM) im Prozessdesign der Blechumformung, insbesondere im Hinblick auf die Validierung von Materialmodellen. Dabei spielen das verwendete konstitutive Modell und Prozesseinflüsse eine wesentliche Rolle für die Genauigkeit der FEM-Ergebnisse. Ein bedeutender Aspekt dieser Modelle ist die kinematische Verfestigung, die auftritt, wenn sich das Blech über einen Radius in den Umformbereich bewegt. Um die konstitutiven Modelle zu validieren, wird der sogenannte MUC-Test (Material Under Control) verwendet, eine bei diesem Forschungsvorhaben entwickelte Methode zur Überprüfung von Materialverhalten unter realen Bedingungen. Um die Auswirkungen numerischer, prozesstechnischer und modellabhängiger Parameter auf die Testergebnisse zu untersuchen, wurden umfangreiche Parameterstudien durchgeführt. Die in diesem Forschungsvorhaben entwickelte Validierungsmethode wurden auf drei verschiedene Materialien unterschiedlicher Materialklassen angewendet: den mikrolegierten Stahl HC340LA, den Dualphasenstahl DP590HD und die Aluminiumlegierung AA5754. Darüber hinaus wurden unterschiedliche Materialmodelle auf Basis derselben Datenbank für den DP590HD verglichen, um das Potenzial der Identifikation geeigneter Materialmodelle für spezifische Anforderungen aufzuzeigen. Schließlich wurden äquivalente Materialmodelle, die auf verschiedenen Kalibrierungsstrategien basieren, miteinander verglichen. In diesem Projekt wurde der MUC-Test ebenfalls um einen vorgelagerten Umformprozessschritt erweitert, um realistischere Bedingungen durch Lastwechsel zu schaffen. Zu diesem Zweck wurden Blechproben in drei verschiedenen Vorverformungszuständen hergestellt: uniaxial, plane strain und biaxial. Der erweiterte MUC-Test mit komplexen, nichtlinearen Dehnungspfaden wurde im Anschluss durchgeführt, um eine Datenbasis für die Validierung zu schaffen. Die Simulationen des digitalen Zwillings nutzten konstitutive Modelle, welche z.B. die kinematischen Verfestigungsparameter des Chaboche-Rousselier-Modells berücksichtigt. Die Ergebnisse der Simulationen wurden mit den Kraft-Weg-Signalen sowie den Haupt- und Nebenverformungen, die durch ein digitales Bildkorrelationssystem (DIC) berechnet wurden, verglichen. Die Relevanz der Ergebnisse dieses Projekts liegt in der Verbesserung der Vorhersagegenauigkeit von FEM-Simulationen in der Blechumformung und der Entwicklung eines Validierungsexperimentes, welches nicht durch Reibung dominiert, wie z. B. der Kreuznapf, und trotzdem eine komplexe Dehnungsverteilung abbildet. Durch die Berücksichtigung der kinematischen Verfestigung und der realistischen Vorverformungsbedingungen können die konstitutiven Modelle sehr realitätsnah, d.h. gemäß den Gegebenheiten in tatsächlichen Umformprozessen, validiert werden. Dies führt zu präziseren Simulationen und ermöglicht eine effizientere Gestaltung von Blechumformprozessen, was wiederum die Qualität der gefertigten Teile erhöht und die Kosten für die industrielle Produktion senken kann.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Potentials for material card validation using an innovative tool. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 1157(1), 012067.
Eder, M.; Gruber, M.; Manopulo, N. & Volk, W.
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Potentials for Material Card Validation Using an Innovative Tool, W Volk et al., 2022, The 12th International Conference and Workshop on Numerical Simulation of 3D Sheet Metal Forming Processes (NUMISHEET 2022)
W. Volk et al.
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Validation of material models for sheet metals using new test equipment. International Journal of Material Forming, 15(5).
Eder, Matthias; Gruber, Maximilian & Volk, Wolfram
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Innovative experimental setup for the investigation of material models with regard to strain hardening behavior. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 1284(1), 012071.
Maier, L.; Eder, M.; Norz, R. & Volk, W.
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MUC-Test for the Investigation of Multi-Directional Strain Hardening Behavior for Alloy Sheets, L Maier et al, 2023, Forming Technology Forum Technical Meeting 2023
L. Maier et al.
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A Scientific Benchmark for Elasto-Plastic Constitutive Modeling - Part I: Micro- and Macroscopic Experimental Data Set and Benchmark Problem, L Maier et al, 2024, Open-Access
L. Maier et al.
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Investigations of strain rate sensitivity under different stress triaxialities for DC04. Materials Research Proceedings, 41, 2124-2133. Materials Research Forum LLC.
MAIER, Lorenz
