Entwicklung eines Systems zur Simulation des Plasmastrahlbiegens
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das hier Anwendung findende Plasmastrahlbiegen ist ein flexibles Verfahren zur Umformung einfacher Biegeteile und komplexer Geometrien durch thermische Spannungen. Es verspricht Vorteile gegenüber Laserverfahren aufgrund des höheren Wirkungsgrads und der geringeren Anlagen- und Betriebskosten. In Relation zu den Laserverfahren sind die Plasmastrahlverfahren noch wenig erforscht und gerade mit Bezug auf die Verwendung von Druckluft als Plasmagas fehlen experimentelle Daten. Die Umformung beim Plasmastrahlbiegen ist durch eine lokale elastisch-plastische Zone gekennzeichnet, die durch ein elastisches Gesamtbauteil verschoben wird. Zur Simulation solcher thermisch induzierter Umformungen auf konventionelle Weise ist auf aktuellen Workstations ein enormer zeitlicher Rechenaufwand erforderlich. Dieser Aufwand ist für Industrie-Anwendungen meist nicht akzeptabel. Daher gibt es den Bedarf für eine schnelle Planungsmethode für thermische Umformprozesse – hier am Beispiel von Plasma. Zu diesem Zweck war die Erstellung eines hybriden Modells aus einer numerischen Lösung (FEM) und physikalisch begründeten semi-analytischen Lösungen angestrebt, die eine Beschleunigung der Berechnung ermöglichen sollte. Anhand von experimentellen Untersuchungen sind die Randbedingungen der Wärmeeinbringung durch den Plasmastrahl ermittelt worden. Die experimentelle Ermittlung der Biegewinkel in Abhängigkeit verschiedener Verfahrensparameter diente der Verifizierung der Simulationsergebnisse. Ausgehend von Untersuchungen zu einem Modellansatz für eine zeitverkürzte Temperaturfeldberechnung, folgten Arbeiten mit dem Ziel einer zeitaufwandoptimierten Modellierung der Spannungs- und Verformungsberechnung. Analog zur Temperaturfeldberechnung wurde dabei ein Ansatz verfolgt, der eine Trennung der plastischen Verformungszone vom restlichen Bereich des Bauteils, in dem lediglich elastische Verformung auftritt, ermöglicht. In einer späteren Erweiterung folgte auch eine Auftrennung des plastisch umgeformten Bereichs in kleinere Partitionen, welche nur indirekte Abhängigkeit voneinander aufweisen und daher simultan simuliert werden können. Dies führte zu einer weiteren Steigerung des zeitlichen Vorteils gegenüber konventioneller Anwendung der FEM. Im Endergebnis ist eine mittels Ersatzmodellen zum Randverhalten des Wärmeflusses und mechanischer Spannung optimierte FEM-Simulationsmethode bereitgestellt worden, die die Erwartungen an eine vielfache Rechenzeitverkürzung erfüllt. Für kleine Bestrahlzyklenfolgen wird dies mit einer sehr guten Genauigkeit erreicht, für große Folgen von Bestrahlzyklen hingegen gibt es weiteren Forschungsbedarf, was die Abschätzung der Ersatzbedingungen angeht.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Fast simulation of temperature field for plasma jet forming. Proc. of the IWOTE’05, eds.: F. Vollertsen, T. Seefeld. Reihe Strahltechnik 26, BIAS Bremen (2005), 203-210
Pretorius, T.; Woitschig, J.; Kurgusow-Link, A.; Vollertsen, F.
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Simulation of Thermal Bending – Acceleration of Temperature Field Calculations. Proc. of the LTWMP’05, eds.: B.E. Paton, V.S. Kovalenko. NASU Kiev (2005), 100-102
Pretorius, T.; Woitschig, J.; Vollertsen, F.
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Thermal Bending – Simulation Method for Accelerated Calculation. 19th Meeting on Mathematical Modelling of Materials Processing (M4PL19 ‘06), ed. A. Kaplan, Igls/Innsbruck (2006), CD-ROM
Pretorius, T.; Woitschig, J.; Vollertsen, F.
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Fast Simulation Method of Sheet Forming by Plasma Jet Usage. Proc. of the 2nd ICNFT, eds.: F. Vollertsen, S. Yuan. BIAS, Bremen (2007). 305 -313
Grden, M.; Pretorius, T.; Woitschig, J.; Vollertsen, F.
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Fast Simulation of Thermal Bending Using Thermal and Mechanical Boundary conditions. Proc. of the LTWMP’07. NASU Kiev (2007), 52-54
Grden, M.; Pretorius, T.; Woitschig, J.; Vollertsen, F.
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Simulation of Thermal Bending - Model Reduction, Calculation, Reintegration. 20th Meeting on Mathematical Modelling of Materials Processing (M4PL20 ‘07), ed. A. Kaplan, Igls/Innsbruck (2007), CD-ROM
Grden, M.; Woitschig, J.; Pretorius, T.; Vollertsen, F.
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Fast Simulation Method of Thermal Bending Along Curved Irradiation Path. Proc. of the IWOTE’08, eds.: F. Vollertsen, T. Seefeld. BIAS Bremen (2005). 289-296
Grden, M.; Vollertsen, F.
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Laser Forming. In: The Theory of Laser Materials Processing. Ed.: J. Dowden, Springer-Verlag (2008), 281-314
Pretorius, T.
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Spatial Reduction Simulation Strategy on an Incremental Thermal Forming Process. Proc. of the LTWMP’09. NASU Kiev (2009), 24-27
Grden, M.; Vollertsen, F.
