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Untersuchung und Erweiterung bestehender Ansätze zur verbesserten Beschreibung von Reibung und Wärmeübergang in der FEM-Simulation von Warmmassivumformprozessen

Status abgeschlossen
Ziele

1. Reduktion der Produktionskosten durch eine Verminderung von Entwicklungszeiten mittels Implementierung neuer Modelle für Reibung und Wärmeübergang in FEM-Systeme
Durch eine genauere Beschreibung der Reibung und des Wärmeübergangs in der FEM-Simulation lassen sich bereits während der simulationsgestützten Prozessauslegung präzisere Aussagen bezüglich des Stoffflusses und der Temperaturverteilung treffen als mit den standardmäßig implementierten Modellen. Somit können die sich einstellende Bauteilgeometrie bzw. Fertigungsfehler bereits vor einer Realisierung des Prozesses mit einer hohen Genauigkeit in der Simulation wiedergegeben werden. Darüber hinaus werden durch diese Modelle die mechanischen und thermischen Beanspruchungen der Werkzeuge genauer wiedergegeben, so dass sich Aussagen über die zu erwartenden Werkzeugstandzeiten treffen lassen, bevor die Werkzeuge eingesetzt werden.

Wirtschaftlich bedeutet dieses neben einer Erhöhung der Bauteilgüte, eine Verringerung der Produktionskosten und Steigerung der Wettbewerbsfähigkeit. Die nicht mehr ausschließlich auf Erfahrungswerten beruhende Modellierung der Reibung und des Wärmeübergangs stellen in erheblichen Maß für kleine und mittelständische Unternehmen eine Erhöhung der Wettbewerbsfähigkeit dar, die sich durch eine Verkürzung der Mitarbeitereinarbeitung und nicht zuletzt durch eine Reduzierung kostenintensiver Versuche auszeichnet. Zudem liegt ein großer Vorteil in der Vorhersage der thermischen und mechanischen Beanspruchung der Werkzeuge, um somit den unerwarteten Ausfall von Maschinen rechtzeitig entgegenwirken zu können.

2. Weiterentwicklung einer vorhandenen Versuchsmethodik zur Abbildung der für den Warmmassivumformprozess typischen Prozessbedingungen
Anhand von experimentellen Untersuchungen im Kegelrohrstauchversuch und Druckversuch erfolgt die Analyse von Reib- und Wärmeübergangsverhältnissen unter schmiedeprozessähnlichen Bedingungen. Dazu sind beide Versuche weiterzuentwickeln, so dass sich typische Schmiedeprozess-Bedingungen für Einflussgrößen, wie z. B. Temperatur, Kontaktdruck und Schmierung, gezielt einstellen lassen. Die experimentellen Daten dienen zur Ermittlung wesentlicher Einflussgrößen auf Reibung und Wärmeübergang und zur Erweiterung bestehender Modellierungsansätze der beiden Phänomene.

3. Erarbeitung erweiterter Berechnungsansätze zur Beschreibung von Reibung und Wärmeübergang bei Warmmassivumformprozessen
Neben den Ergebnissen aus den Modellversuchen werden Daten aus drei repräsentativen Praxisprozessen zur Erweiterung bestehender Berechnungsansätze zur Beschreibung von Reibung und Wärmeübergang herangezogen. Zunächst werden jeweils drei bestehende Ansätze für beide Phänome ausgewählt und unter Betrachtung der Modellversuche und der Praxisprozesse einer systematischen Nutzwertanalyse unterzogen. Mit ihrer Hilfe wird sich schließlich auf je einen Ansatz festgelegt. Beide Ansätze werden dann einer detaillierteren Untersuchung unterzogen, so dass für alle drei betrachteten Praxisprozesse eine hohe Simulationsgenauigkeit erreicht wird.

4. Validierung an Modellversuchen und Praxisprozessen
Für die Modellvalidierung werden nicht nur Modellversuche sondern auch Praxisprozesse herangezogen. Ziel ist hierbei die Berechnungsansätze für Reibung und Wärmeübergang so zu formulieren, dass für die drei betrachteten Praxisprozesse eine hohe Simulationsgenauigkeit erreicht wird. Mit drei Prozessen ist es möglich sicherzustellen, dass die erarbeiteten Ansätze einen großen Anwendungsbereich besitzen und nicht nur für Kontaktverhältnisse gelten, die in einer kleinen Gruppe von Prozessen vorliegen. Somit sind die Ansätze auf ein breites Prozessspektrum von Schmiedeprozessen anwendbar.


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