Herrnböck, Ludwig, M.Sc.

The goal of this project is to develop a modelling and simulation technique enabling:
(i) the generation of nonwoven unit cell models according to a given set of structure parameters (size, density/grammage, orientation distribution function, fiber properties, …) and relying on a sophisticated beam discretization and formulation extended to contact treatment
(ii) the simulation of the relevant processing steps, i.e. the densification and bond point genera-tion, whereby, for simplicity, only isothermal processes are initially considered and the newly formed bond points are introduced via Dirichlet boundary conditions confining the nonwoven unit cell
(iii) deformation simulations (uniaxial, biaxial, bending,…) under due consideration of fiber proper-ties and contact behavior, validation against experimental data

Ziel dieses Teilprojektsist es, aufbauend auf den bisherigen Erkenntnissen der Teilprojekte B4 und C5den Einfluss der Bauteilränder auf die resultierendeMaterial/Bauteil-Mesostruktur für pulver- und strahlbasierte additiveFertigungsverfahren von Metallen zu berücksichtigen und die daraus folgendenmeso- und makroskopischen mechanischen Eigenschaften modellbasiert zubestimmen. Das mechanische Verhalten dieser Mesostrukturen und der Einflussderen unvermeidbarer fertigungsbasierter geometrischer Unsicherheiten sollinsbesondere für zellulare Gitterstrukturen numerisch modelliert, verifiziert,quantifiziert und validiert werden.

Aufgrund des Potenzials von umforminduzierten Eigenspannungen zur Beeinflussung der Bauteileigenschaften bedarf es eines tiefergehenden Verständnisses über die Mechanismen der ES-Entstehung und -Stabilität. Demzufolge ist das Vorgehen zur Bearbeitung des Forschungsvorhabens in die Phasen der Bauteilherstellung (Eigenspannungsentstehung), des Bauteilbetriebs (Eigenspannungsstabilität) und der Prozessauslegung (Nutzung der Eigenspannungen) gegliedert. Als Referenzprozess wird das Voll-Vorwärts-Fließpressen genutzt, welches im industriellen Einsatz als Standardverfahren etabliert ist. Aufgrund des Trends hin zu Bauteilwerkstoffen mit höherer Festigkeit werden im Projekt zwei nichtrostende Stähle verwendet. Die Untersuchungen umfassen parallel ablaufende experimentelle und numerische Analysen des Prozesses sowie deren Synthese.

Während der ersten Phase wurden auf experimenteller Seite notwendige Versuchsapparaturen zur Bauteilherstellung und -prüfung aufgebaut, Material- und Reibparameter identifiziert, Bauteile unter Berücksichtigung verschiedener Parametervarianten umgeformt und deren Eigenspannungen röntgendiffraktometrisch bestimmt. Parallel dazu wurden auf Seiten der Simulation makroskopische Finite-Elemente-Modelle mit Subroutinen für ein erweitertes Postprocessing von Eigenspannungen entwickelt und diese im Rahmen numerischer Parametervariationen eingesetzt. Zudem wurden differentialgeometrische und kontinuumsmechanische Zusammenhänge von Eigenspannungen ergründet und die Materialmodellierung auf Kristallplastizität erweitert. Die Prädiktivität der numerischen Ergebnisse wurde an Hand der experimentellen Ergebnisse quantifiziert.

Die zweite Phase konzentriert sich auf die Eigenspannungsstabilität im Bauteileinsatz und die Prozessrobustheit bei der Bauteilherstellung. Die gewonnenen Erkenntnisse werden zu Ende der zweiten und in der dritten Phase zur gezielten Beeinflussung des Betriebsverhaltens und zur Steuerung der zyklischen Festigkeit genutzt, siehe Abbildung.

Ziel in der zweiten Phase ist die experimentelle und numerische Ermittlung der mechanischen, zeitlichen und thermischenEigenspannungsstabilität. Als Voraussetzung für die gezielte Beeinflussung werden relevante Einflussgrößen identifiziert. Diese Wirkzusammenhänge sind durch grundlegende physikalische Effekte zu plausibilisieren, wobei ein Rückgriff auf in der Literatur beschriebene Effekte und numerische Methoden zur Ableitung grundlegender Modellvorstellungen erfolgt. Aufgrund der bisherigen Erfahrungen sind bei sämtlichen Untersuchungen Schwankungen von Eingangsgrößen und bisher bekannten Störgrößen zu berücksichtigen. Voraussetzung für eine systematische Untersuchung der grundlegenden eigenspannungsrelevanten Mechanismen bildet zudem die Erhöhung der numerischen Abbildungs- und Vorhersagegenauigkeit der umforminduzierten Eigenspannungen. Analog zur Entstehungsphase erfolgt daher auch in der Betriebsphase ein steter Abgleich von Simulation und Experiment im Sinne einer Beurteilung der Prognosequalität der numerischen Ansätze und der Plausibilität der experimentellen Laborergebnisse.

Das Projekt ist Teil des DFG Schwerpunktprogramms SPP2013 "Gezielte Nutzung umformtechnisch induzierter Eigenspannungen in metallischen Bauteilen". Innerhalb des Schwerpunktprogramms ist das Teilprojekt in den Fachkreisen Produktionstechnik (dickwandig) und Mechanik und Simulation vertreten.