Umformung metallischer Folien
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Der stark wachsende Markt der Mikrotechnologie erfordert auch in der Stanz- und Umformtechnik die Umsetzung immer kleinerer Produkte. Ursächlich für die bis heute geringe industrielle Akzeptanz der Mikroumformtechnik sind insbesondere Defizite bezüglich der systematischen Auslegung und der Prozesssicherheit einer wirtschaftlichen, umformtechnischen Herstellung metallischer Mikrobauteile. Im Bereich von Feinstblechen hat sich insbesondere die Stanztechnik industriell bereits etabliert, während für umformtechnische Prozesse größtenteils nur Insellösungen vorliegen. Die dargestellte Problematik resultiert vor allem aus der Existenz größenabhängiger Effekte, die im Mikrobereich einen entscheidenden Einfluss auf die Parameter und das Ergebnis von Umformprozessen besitzen, im konventionellen Größenbereich aber als vernachlässigbar zu betrachten sind. Die wesentlichen Größeneffekte bei der Feinstblechumformung beruhen auf dem Einfluss des Randkornanteils, welcher auch in der Mikromassivumformung eine bedeutende Rolle spielt und bereits Gegenstand zahlreicher Untersuchungen war, sowie dem Einfluss des Dehnungsgradienten, dessen Auftreten sich prozessspezifisch darstellt. Zur theoretischen Beschreibung des Dehnungsgradienteneinflusses existieren zahlreiche Ansätze, welche sich allerdings bis heute auf eine sehr dünne experimentelle Basis stützen. Im Rahmen dieses Projekts wurde daher eine Methodik zur Identifikation und Quantifizierung des Einflusses von Größeneffekten auf dehnungsgradientenbehaftete Umformprozesse von Feinstblechen realisiert. Anhand eines modellhaften Biegeprozesses konnte der gegenläufige Einfluss der mit abnehmender Blechdicke steigenden Größen Randkornanteil und Dehnungsgradient gezeigt werden. Durch Implementierung der dehnungsgradientenabhängigen effektiven Dehnung, welche die zusätzliche Verfestigung durch die aufgrund der extremen Dehnungsgradienten höhere Dichte der geometrisch notwendigen Versetzungen berücksichtigt, konnten signifikante Verbesserungen in der analytischen Beschreibung des normierten Biegemoments sowie der simulationsbasierten Berechnung des Rückfederungswinkels erreicht werden. Insgesamt konnte die entwickelte Versuchsmethodik verifiziert werden und stellt eine effektive Methode dar, eine aussagekräftige experimentelle Basis für die Weiterentwicklung der plastizitätstheoretischen Ansätze zur Beschreibung dehnungsgradientenabhängigen Werkstoffverhaltens zu generieren. Eine weitere wesentliche Grundlage für eine zuverlässige, simulationsbasierte Auslegung von Umformprozessen von Feinstblechen ist eine breite Basis an Werkstoffkennwerten. Im Rahmen dieses Projekts wurde mit dem wirkmedienbasierten Tiefungsversuch eine effektive Methode zur Fließkurvenaufnahme und der Bestimmung daraus abgeleiteter Kennwerte verifiziert und die Vorteile gegenüber konventionellen Charakterisierungsmethoden wie dem Zugversuch herausgearbeitet. Diese bestehen insbesondere in den größeren erreichbaren Umformgraden, wodurch eine höhere Genauigkeit in der Fließkurvenapproximation und –extrapolation erreicht werden kann, sowie dem realitätsnäheren biaxialen Spannungszustand. Weiterhin konnte sowohl der wirkmedienbasierte Tiefungsversuch als auch der Nakajima Test für die Bestimmung von Grenzformänderungsdiagrammen von Feinstblechen qualifiziert werden. Als effektive Variante reduzierter Komplexität wurde der pneumatische Tiefungsversuch erfolgreich für die Fließkurvenaufnahme und Bestimmung des Grenzformänderungsdiagramms eingesetzt und vergleichend mit dem hydraulischen Tiefungsversuch diskutiert. Unterschiede ergaben sich insbesondere in den Verläufen des Druckaufbaus, weshalb eine direkte Vergleichbarkeit beider Varianten aufgrund der unterschiedlichen Dehnraten nicht gegeben ist. Mit Hilfe dieser Methoden wurden eine umfassende Charakterisierung der untersuchten Feinstbleche möglich und unterschiedlichste Einflüsse der Blechdicke, der Walzrichtungsorientierung sowie der Korngröße unter anderem auf die Fließkurve und ihre Kennwerte, den Verfestigungsexponenten, den E-Modul sowie das Formänderungsvermögen und das Bruchverhalten festgestellt. Im Rahmen dieses Projekts wurde ein Konzept auf Basis eines Modellversuchs realisiert und verifiziert, mit Hilfe dessen viel versprechende Ergebnisse zur Beschreibung des dehnungsgradientenabhängigen plastischen Werkstoffverhaltens erzielt wurden, welche allerdings noch der Verallgemeinerung bedürfen. Hierzu ist eine Erweiterung des Werkstoff- und insbesondere des Prozessspektrums erforderlich. Die Qualifizierung des wirkmedienbasierten Tiefungsversuchs sowie des Nakajima Test für die werkstoffliche Charakterisierung metallischer Folien stellt einen wichtigen Schritt hin zur Generierung von reproduzierbaren und fundierten Eingangsparametern für eine zuverlässige, simulationsbasierte Auslegung von Umformprozessen von Feinstblechen dar. Basierend auf den Ergebnissen dieses Projekts ist es nun möglich, Richtlinien für die Auslegung und Konstruktion von Werkzeugen für den wirkmedienbasierten Tiefungsversuch aufzustellen, welche die speziellen Anforderungen für die Charakterisierung von Feinstblechen erfüllen. Schlussendlich muss das Ziel sein, allgemeingültige Prüfvorschriften zu erarbeiten und diese in vorhandene Normen, beispielsweise für die Bestimmung von Grenzformänderungsdiagrammen oder in neue Normen im Hinblick auf die Ermittlung von Fließkurven im wirkmedienbasierten Tiefungsversuch zu integrieren. Insgesamt ist für die Generierung eines tieferen Verständnisses der Mechanismen in der Mikroumformtechnik ein interdisziplinärer Ansatz erforderlich, der eine theoretische mathematische Beschreibung auf Basis der Plastizitätstheorie zum Ziel haben muss, gleichzeitig aber die physikalische Rechtfertigung dieser Beschreibung nicht vernachlässigen darf. Hierfür müssen einerseits Modelle für das plastische Werkstoffverhalten im Mikrobereich entwickelt und andererseits aber auch neue und zielführende Versuchskonzepte entworfen und realisiert werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Influence of microstructure on the mechanical properties and the forming behaviour of very thin metal foils. In: Dimov, S.; Menz, W.; Toshev, Y. (Hrsg.): Proceedings of the 3rd International Conference on Multi-Material Micro Manufacture, 2007, Borovets, Bulgarien (2007), 289-292
Diehl, A.; Engel, U.; Geiger, M.
- Investigation of the spring-back behaviour in metal foil forming. Proceedings of the 24th IDDRG-conference, 2005, Besancon, Frankreich
Diehl, A.; Engel, U.; Geiger, M.
- Randerscheinungen rücken ins Zentrum. In: Mikroproduktion, 4 (2005), München : Carl Hanser Verlag, 50-52
Diehl, A.; Engel, U.; Geiger, M.
- Spring-back behaviour of thin metal foils in free bending processes. In: Menz, W.; Dimov, S. (Hrsg.): Proceedings of the 1st International Concference on Multi-Material Micro Manufacture, 2005, Karlsruhe, Deutschland, 147 – 150
Diehl, A.; Engel, U.; Geiger, M.
- Erst umdenken, dann umformen. In: Mikroproduktion, 3 (2006), München : Carl Hanser Verlag, 46-50
Diehl, A.; Summerauer, I.; Heimann, T.; Franke, V.; Schulze-Niehoff, H.; Vollertsen, F.; Engel, U.
- Mechanical Properties and bending behaviour of metal foils. In: Menz, W.; Fillon, B.; Dimov, S. (Hrsg.): Proceedings of the 2nd International Conference on Multi-Material Micro Manufacture, 2006, Grenoble, Frankreich, 297-300
Diehl, A.; Engel, U.; Geiger, M.
- Microforming - Application and 3D Simulation. Proceedings of the 5th CIRP Seminar on Intelligent Computation in Manufacturing Engineering, 2006, Neapel, Italien, 521 – 526
Geißdörfer, S.; Diehl, A.; Eichenhüller, B.; Engel, U.
- Modelling and Simulation of Piezoelectric Actuation and Reliability of Micropumps. In: Menz, W.; Fillon, B.; Dimov, S. (Hrsg.): Proceedings of the 2nd International Conference on Multi-Material Micro Manufacture, 2006, Grenoble, Frankreich, 263-266
Zhu, M.; Kirby, P.B.; Richter, M.; Congar, Y.; Diehl, A.; Völkl, R.
- Investigation of Size Dependent Mechanical Properties of Metal Foils in Micro Sheet Metal Forming Processes. Proceedings of the 2nd International Conference on Micromanufacturing, 2007, Greenville, USA, 156-161
Diehl, A.; Geißdörfer, S.; Engel, U.
- Grenzformänderung metallischer Folien. wt Werkstattstechnik online, 11/12 (2008), Düsseldorf : Springer-VDI-Verlag, 982-987
Diehl, A.; Engel, U.
- Influence of microstructure on the mechanical properties and the forming behaviour of very thin metal foils. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology (2008), Berlin : Springer
Diehl, A.; Engel, U.; Geiger, M.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1007/s00170-008-1851-4) - Investigation of the mechanical behaviour of thin metal sheets using the hydraulic bulge test. In: Dimov, S.; Menz, W. (Hrsg.): Proceedings of the 4th International Conference on Multi-Material Micro Manufacture, 2008, Cardiff, Wales, UK, 195-198
Diehl, A.; Staud, D.; Engel, U.
- Mechanical Characterisation of Metal Foils by Hydraulic Bulge Test. steel research international 79, Special Edition Metal Forming Conference 2008, 1 (2008), Düsseldorf : Stahleisen GmbH, 332-339
Diehl, A.; Staud, D.; Engel, U.
- Mechanical properties and bending behaviour. Proc, IMecE, PartB: Journal of Engineering Manufacture 222 (2008) 1, Professional Engineering Publishing, 83-91
Diehl, A.; Engel, U.; Geiger, M.
- Mikroumformen - Ähnlich wie Makro?. In: Steinhoff, K.; Kopp, R. (Hrsg.): Umformtechnik im Spannungsfeld zwischen Plastomechanik und Werkstofftechnik (2008), Bad Harzburg : GRIPS media GmbH, 189-206
Engel, U.; Geißdörfer, S.; Diehl, A.; Eichenhüller, B.; Weidel, S.
- Characterisation of the mechanical behaviour and the forming limits of metal foils using a pneumatic bulge test. Proceedings of the 12th International ESAFORM Conference on Material Forming, 2009, Twente, Netherlands
Diehl, A.; Vierzigmann, U.; Engel, U.
