Qualifizierung eines Versuchs zur realitätsnahen Untersuchung des Ermüdungsverhaltens hochfester Werkzeugwerkstoffe durch Elastomerkompression

• Antragstellerin: Professorin Dr.-Ing. Marion Merklein
• Fachliche Zuordnung: Ur- und Umformtechnik, Additive Fertigungsverfahren
• Förderung: Förderung von 2022 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 495554034

Werkzeuge und Werkzeugausfall haben einen großen Einfluss auf die Wirtschaftlichkeit von Kaltmassivumformprozessen. Zur Minimierung von Verlusten durch Maschinenstillstände ist eine genaue Vorhersage der Lebensdauer nötig. Eine Herausforderung bei der Lebensdauervorhersage ist, dass es wenige Daten zum Ermüdungsverhalten der eingesetzten hochfesten Stahlwerkstoffe gibt. Zudem ist die Aussagekraft der verfügbaren Daten begrenzt, da diese den mehrachsigen Beanspruchungszustand der Kaltmassivumformung nicht abbilden. Das übergeordnete Ziel des Forschungsvorhabens ist daher die Untersuchung eines neuen Ermüdungsversuchs, welcher realitätsnah den Beanspruchungszustand der Massivumformung abbilden kann. Es soll sowohl die Mehrachsigkeit, als auch die Vorspannung der Werkzeuge und deren Wechselwirkungen mit den entstehenden Beanspruchungen berücksichtigt werden. Hierzu wird ein Elastomer aus Polyurethan in ein Werkzeug mit ovaler Innenkontur zur Ermüdungsuntersuchung eingesetzt und über die wiederholte Kompression des Elastomers ein zyklischer hydrostatischer Druck aufgebracht. Durch den Vergleich der numerisch ermittelten Spannungen an der Innenwand der Ermüdungsprobe mit der Werkzeugbelastung bei der Umformung von Stahl werden grundlegende Erkenntnisse zur Beanspruchung in der Massivumformung erzielt. Insbesondere sollen die Vergleichbarkeit der Wirkung der hydrostatischen Innendrücke zu den Kontaktspannungen in der Massivumformung sowie die Eignung von hochfesten Elastomeren als Medium zur Erzeugung dieser Drücke gezeigt werden. Eine Herausforderung bei der Anwendung von Polyurethanen zeigte sich in den Vorversuchen in Form einer Gratbildung, welche zu Verschleiß am Elastomer führt. Über die Analyse von Einflussgrößen auf die Gratbildung sollen Prozessgrenzen hinsichtlich der erzielbaren Innendrücke und Lastzyklen aufgezeigt werden. Neben der Prozessführung werden das Rissbild und die Standmenge beim Ermüdungsversagen der Stahlproben sowie deren Zusammenhänge mit dem numerisch ermittelten Beanspruchungszustand analysiert.Zur Abbildung realitätsnaher Belastungsfälle soll die Übertragbarkeit des Versuchs auf Systeme unter Vorspannung analysiert werden. Hierzu werden in einem kombinierten numerisch-experimentellen Ansatz sowohl konventionelle Armierungen als auch Konzepte zur lokalen Vorspannung untersucht. Dies ermöglicht die Identifikation von Ursache-Wirkzusammenhängen zwischen den durch die Armierung wirkenden Spannungen und Dehnungen sowie der Lebensdauer der Werkzeuge unter realistischen Beanspruchungen. Abschließend soll mithilfe der erzielten Ergebnisse eine Bewertung des Potentials des Versuchs und des Mehrwerts gegenüber konventionellen Ermüdungsversuchen erfolgen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen