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Prozessauslegung in der (Warm)Umformung
durch thermomechanisch gekoppelte Simulation
David Lorenz
DYNAmore GmbH
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Gliederung
1. Einleitung
2. Machbarkeitsuntersuchung beim Presshärten
3. Thermische Werkzeugauslegung
4. Vorhersage von Gefügestruktur und Bauteileigenschaften
5. Wärmeunterstütztes Umformen von Leichtmetallen
6. Ausblick
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Einleitung
aktuelle Leichtbautrends erfordern neuartige Fertigungsverfahren und Werkstoffe
zunehmende Anzahl an pressgehärteten Bauteilen insgesamt komplexere Geometrie
Bauteile mit maßgeschneiderten Eigenschaften deutlich komplexere Prozesse
Erweiterung des Umformvermögens von
Aluminium durch 2-stufige Kaltumformung mit Zwischenwärmebehandlung
Magnesium durch Halbwarmumformung
Quelle: Magna Cosma, A. Zak, TTP 2011 Graz
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Machbarkeitsuntersuchung beim Presshärten
Hohe Vorhersagegüte erfordert detaillierte Abbildung wesentlicher Effekte
Was sind wesentliche Effekte, die die Genauigkeit bestimmen ?
Wie werden diese Effekte in der Simulation berücksichtigt ?
Simulation als Hilfsmittel des Prozessplaners erfordert effiziente Modellansätze
Einfache Werkzeugmodellierung ohne Genauigkeitsverlust ?
Numerische Maßnahmen zur Verkürzung der Rechenzeit ?
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Machbarkeitsuntersuchung beim Presshärten
*DEFINE_TABLE_3D
...
20.0 101
...
500.0 104
...
800.0 108
...
tem
pe
ratu
re *DEFINE_TABLE
*DEFINE_TABLE
Für jede Temperatur
dehnratenabhängige Fließkurven
Alternativ nur quasistatische Kurven & analytisches Modell
Cowper-Symonds Modell für die Viskoplastizität
Genaue Umformsimulationen sind nur mit temperaturabhängiger
Viskoplastizität möglich.
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Machbarkeitsuntersuchung beim Presshärten
Temperaturabhängiges Materialverhalten erfordert eine genaue
Berechnung der inhomogenen Platinentemperatur im Werkzeug.
Wärmeabgabe an die Werkzeuge
Kontakt, druckabhängig
Spaltwärmeübergang
Wärmeabgabe an die Umgebung
Wärmestrahlung
Konvektion
T = 141°C
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Machbarkeitsuntersuchung beim Presshärten
Die Wirkflächentemperatur beeinflusst den Wärmestrom vom Blech ins
Werkzeug in den Kontaktzonen.
cont cont blank toolq h T T Beispiel Werkzeugtemperatur
vor und nach der Umformung
thermal thick shell
Kalibrierung Schalendicke
error +/- 10 °C
max. contact time ~5s
Rovalma HTCS -117
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Machbarkeitsuntersuchung beim Presshärten
Validierung Prozesssimulation: Tunnel Volkswagen Passat
Blechdickenverteilung Messung vs. Simulation
Quelle: Volkswagen AG, H. Verhoeven
Messung
Simulation
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Machbarkeitsuntersuchung beim Presshärten
Genaue Vorhersage von Bildung und Einebnung von Falten
erfolgreiche Einebnung prozesssicher
Materialdopplung nicht prozesssicher
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Machbarkeitsuntersuchung beim Presshärten
Lokale Deformation im Bereich von Zentrierstiften
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Thermische Werkzeugauslegung
Heating up Transfer Gravity Forming Quenching Opening Removing
Waiting
Repeating the cycle
In reality one process step at one machine
courtesy of M. Medricky
Volkswagen AG
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Thermische Werkzeugauslegung
Modellbildung Wasserkühlung
Hohe Massenströme durch Kühlkanäle
Änderung der Wassertemperatur Eingang zu Ausgang < 10°C
Konvektionsrandbedingung con Wand Wasserq h T T
?
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Thermische Werkzeugauslegung
Konvektionsrandbedingung auf den Kanalwänden
Wärmeübergangskoeffizient mit analytischen Modellen für Rohrströmung
1Pr87.121
Pr1000Re8
PrRe023.0
PrRe023.0
3221
14.0
3.08.0
3.08.0
f
f
D
kh
D
kh
D
kh
wall
bulk
Dittus-Boelter (conservative)
Sieder-Tate (temperature correction)
Gnielinski (wall friction effect)
Mittlere Strömungsgeschwindigkeit wird benötigt (Reynolds Zahl Re)
1. aus Massenstrom per Kühlkanal
2. Berechnung mit pipe network calculator
3. Berechnung durch CFD Analyse
Modellbildung Wasserkühlung
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Thermische Werkzeugauslegung
Modellbildung Wasserkühlung
Beispiel für Dittus-Boelter Gleichung
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000
10000
0 50 100 150 200 250 300
8
11,313
Mittelwert
hconv [ W
/m2K
]
wall temperature[ °C ]
diameter
3.08.0 PrRe023.0D
kh
water properties
using *BOUDARY_CONVECTION and giving h as load curve vs. film temperature
increasing wall temperature causes higher cooling effect
waterwallfi lm TTT2
1
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Thermische Werkzeugauslegung
Bauteilentnahme
Beispiel Werkzeugauslegung A-Säule
Modellgröße: 284.602 shells, 2.946.238 tet4, 634.193 nodes
total CPU time ~20 min per stroke @ 1node with 8CPUs
Anfangstemperatur
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Gefügestruktur und Bauteileigenschaften
Parameteranpassung MAT_UHS_STEEL (MAT_244)
Relativer Fehler HV10 Modell
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Gefügestruktur und Bauteileigenschaften
450 °C 100 °C
Tailored Tempering einer B-Säule
Gefügestruktur nach 14 s Zuhaltezeit
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Wärmeunterstütztes Umformen von Leichtmetallen
Steigerung des Kaltumformvermögens von Aluminium durch WBH
1-stufige Kaltumformung 2-stufige Kaltumformung mit Zwischenwärmebehandlung
induktive WBH an
lokalen Zonen
Gesteigertes Umformvermögen durch Veränderung des Materialverhaltens
systematische Untersuchung mit Zugversuchen (Vordehnung, WBH-Temperatur)
Integration in bestehendes Materialmodell (MAT_36 MAT_133) ?
Quelle: Prof. Roll Daimler AG, Automotive Grand Challenges 2011
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Wärmeunterstütztes Umformen von Leichtmetallen
Steigerung des Kaltumformvermögens von Aluminium durch WBH
Reduktion der Fließspannung durch WBH Material wird weicher
Höhere Steigung der Fließkurven in Vgl. zum Basismaterial höhere Umformbarkeit
Fließkurve muss über Vordehnung und WBH-Temperatur parametrisiert werden
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Wärmeunterstütztes Umformen von Leichtmetallen
0 0, ,p p p p p
y eff y eff eff
Vorformen
Rückfederung
Wärmebehandlung
Nachformen
Steigerung des Kaltumformvermögens von Aluminium durch WBH
verfügbar für MAT_36 & MAT_133
Rückfederungsrechnung Entlastung, Gleichgewicht, Spannungen sind elastisch
Wärmebehandlung reale Temperaturverteilung im Bauteil WBH-Temperatur
TWBH = max{T(t)} Bestimmung des Korrekturterms Δσ speichern in dynain
Basis bei RT Korrektur
dynain
dynain
dynain
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Wärmeunterstütztes Umformen von Leichtmetallen
Halbwarmumformung von Magnesium
Anisotropie (r-Werte) abhängig von Temperatur
Temperaturabhängige Fließkurven
Viskoplastizität
bis auf Anisotropie analog Presshärten
Benchmark 2 Numisheet 2011
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Wärmeunterstütztes Umformen von Leichtmetallen
Halbwarmumformung von Magnesium
Blechdicke
Temperatur
+20%
-20%
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Ausblick
Kontinuierliche Verbesserung der Prognosegüte für tailored tempering
Erweiterung MAT_UHS_STEEL für Aufheizphase (Kornwachstum, Schweißen)
Gefügeabhängige Versagensmodelle für Crashlastfälle (GISSMO)
CFD-Analyse gekoppelt mit Struktur und Temperaturberechnung
Validierung Wärmebehandlung Aluminium für mehrstufige Prozesse (Rollfalzen)