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 seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 495554034

Grundlegendes Ziel des Forschungsvorhabens ist die Bereitstellung einer Versuchsmethode zur realitätsnahen Untersuchung der Ermüdung von Werkzeugen der Kaltmassivumformung im Labormaßstab. Basis der Methode ist die Verwendung von Elastomeren, welche in Umformmatrizen komprimiert werden und so einen hohen Innendruck auf diese ausüben. In der ersten Projektphase wurde gezeigt, dass das Versuchsprinzip zur Aufbringung hoher Innendrücke geeignet ist und Ermüdungsversagen in Kaltmassivumformwerkzeugen erzeugt werden kann. Weiterhin wurde das Potential zur Untersuchung von Vorspannkonzepten anhand einer unterschiedlichen Lebensdauer und Rissbildung von armierten und nicht armierten Matrizen nachgewiesen, welche mit dem aus der industriellen Praxis bekannten Verhalten übereinstimmen. Diese Untersuchungen wurden an Stahlmatrizen mit einem konstanten Querschnitt durchgeführt. Aus diesem Grund war bisher weder eine Analyse axialer Zugbeanspruchungen bei Querschnittsübergängen noch die Untersuchung des Materialverhaltens von Hartmetallwerkstoffen möglich. In der zweiten Projektphase soll daher die bestehende Versuchsmethode für eine ganzheitliche Untersuchung erweitert werden. Hierdurch sollen Erkenntnisse zum Ermüdungsversagen in Abhängigkeit des mehrachsigen Spannungszustands sowie des Matrizenmaterials generiert werden. Mithilfe des Einsatzes verschiedener Armierungssysteme ist eine Einstellung des Spannungszustands derart möglich, dass einachsige oder mehrachsige Zugbeanspruchungen im Werkzeug auftreten. Der Spannungszustand wird dabei mithilfe eines Simulationsmodells berechnet und zur Plausibilisierung des auftretenden Ermüdungsverhaltens genutzt. Um die Forschungsziele zu erreichen, ist zunächst eine neue Werkzeuggeometrie auszulegen, welche einen ovalen und nicht konstanten Querschnitt aufweisen muss. Hierdurch werden lokale axiale und tangentiale Zugspannungsspitzen erzeugt, deren Einfluss auf das Ermüdungsverhalten im weiteren Verlauf untersucht wird. Anschließend sind Versuche mit der neuen Werkzeuggeometrie durchzuführen und hinsichtlich des Elastomerverschleißes zu optimieren. Dieser stellte in der ersten Projektphase eine Herausforderung zur effizienten Versuchsdurchführung dar und soll durch geeignete Stempel- oder Elastomergeometrien verringert werden. Anschließend ist das Ermüdungsverhalten unter mehrachsiger Beanspruchung für Stahl- und Hartmetallmatrizen zu untersuchen und der Spannungszustand durch verschiedene Vorspannungssysteme gezielt zu beeinflussen. Abschließend sind die Ergebnisse der zweiten Projektphase ganzheitlich wissenschaftlich und im Vergleich zur ersten Phase und zu bestehenden konventionellen Ermüdungsversuchen zu beurteilen. Bei erfolgreichem Abschluss bestehen umfangreiche Erkenntnisse zum Ermüdungsversagen in Abhängigkeit des Spannungszustands. Diese können in einer dritten Projektphase für die Lebensdauervorhersage von Kaltmassivumformwerkzeugen genutzt werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen