Umformverhalten und Grenzen von Schichtverbundwerkstoffen

Stetig verstärkt sich der Innovationsdruck bei gleichzeitig verkürzter Einführungszeit neuer Produkte. Hohe Materialkosten schränken experimentelle Untersuchungen zur Überprüfung der Herstellbarkeit von neuen Bauteilgeometrien stark ein. Zudem müssen Maschinen- und Umformparameter möglichst genau vorausberechnet werden. Innovative Werkstoffe, wie funktionsoptimierte Sandwichbleche, versagen bei konventioneller Weiterverarbeitung sehr schnell.

Ziel der Dissertation ist es, die Umformeigenschaften und -grenzen von Sandwichblechen mit geeigneten Mitteln zu beschreiben, um den Umformprozess für ein Sandwichblech oder das Sandwichblech für einen Umformprozess zu optimieren.

Ausgehend von einer Literaturrecherche und der analytischen Beschreibungen homogener Bleche werden plastomechanische Ansätze in Form von Analytisch-Inkrementellen und Finite-Element Methoden dargestellt. Mit Analytisch-Inkrementellen Beschreibungen werden ganze Versuchsserien automatisch generiert und berechnet. Finite-Element Methoden, kurz FEM weisen eine höhere Genauigkeit und Berechnungszeit auf; erfordern aber in der Regel keine Programmierkenntnisse. In den verfügbaren Lösungen besteht Bedarf an Modellen zur Beschreibung des Klebverhaltens.

Zunächst werden die Versagensfälle „Verschiebung“ und „Delamination“ aufgezeigt und mit der Verschiebung der neutralen Faser verknüpft.

Um die Berechnungsmodelle zu kalibrieren und die komplexen Umformeigenschaften ansatzweise beschreiben zu können, werden drei Standard-Experimente, der Zugversuch, der Scherzugversuch und das V-Gesenkbiegen eingehend experimentell und mit beiden Berechnungsmethoden untersucht. Mit einem neuartigen Versuchsaufbau wird der Einfluss der dissipierten Energie berücksichtigt. Zur Beschreibung des Klebverhaltens wird die Steifigkeit der Deckschichten durch eine iterative Berechnung eliminiert.

Die Stärken der einzelnen Methoden werden miteinander verknüpft. Beispielsweise können die Parameter des Klebmodells mit der FEM sehr genau berechnet werden. Um Sandwichbleche zu optimieren werden die Parameter aus der FEM übernommen und ein Versagensschaubild für ganze V-Gesenkbiege-Serien aufgezeigt.

Ein weiteres Beispiel ist die Dehnungsauswertung in Dickenrichtung. Sie wird zur Verifizierung der Berechnung benötigt. Da die Kantenaufwölbung die Messung stark verfälscht, wird diese üblicherweise nicht durchgeführt. Mithilfe der FEM kann ein plastomechanisches Modell aufgestellt und die Kantendehnungen auf die Blechmitte umgerechnet werden.

Zum Abschluss werden die aufgestellten Berechnungs- und Optimierungsalgorithmen an einem Walzprofilierprozess geprüft.