Forschungsgesellschaft Umformtechnik mbH - graepel.de · FORSCHUNGSGESELLSCHAFT UMFORMTECHNIK M.B.H. RESEARCH IN INNOVATIVE ENGINEERING Angebote der FGU OffersFGU Simulation von Blech-und

FORSCHUNGSGESELLSCHAFT UMFORMTECHNIK M.B.H.RESEARCH IN INNOVATIVE ENGINEERING

Forschungsgesellschaft Umformtechnik mbH

www.fgu-mbh.de

Prof. Dr.-Ing. M. Liewald MBADipl. Kfm. techn. A. Gehle


Agenda

� Kurzvorstellung


� Aktueller Stand und Tendenzen in der Prozesssimulation

von Blechumformvorgängen



� Gegründet 1980 von Prof. Dr.-Ing. Kurt Lange

Founded 1980 by Prof. Dr.-Ing. Kurt Lange

� Enge Zusammenarbeit mit dem Institut für Umformtechnik

Cooperation with the Institute for Metal Forming Technology

� Wissenschaftlicher Leiter Prof. Dr.-Ing. Mathias Liewald MBA

Scientific board Prof. Dr.-Ing. Mathias Liewald MBA

� Geschäftsführer Dipl.-Kfm. techn. Andreas Gehle

General Manager Dipl.-Kfm. techn. Andreas Gehle




� 25% der Anteile liegen beim wissenschaftlichen Leiter

25% Shares owned by scientific director

� 75% bei einem Industriekonsortium von ca. 50 Firmen

75% Shares owned by an industrial consortium


Fördererkreis Umformtechnik e. V.



� 25% der Anteile liegen beim wissenschaftlichen Leiter

25% Shares owned by scientific director

� 75% bei einem Industriekonsortium von ca. 55 Firmen

75% Shares owned by an industrial consortium

Überführung der wissenschaftlichen Forschung in dieindustrielle Praxis

Ziel/ Aim:

Transfer of scientific research into industrial practice


Dilemma: Forschung & Entwicklung Dilemma: Research and Development

Gute Auftragslage/ Increase of incoming orders

Steigender Umsatz/ Increasing Turnover

Schlechte Auftragslage/ Decreasing orders

Sinkender Umsatz/ Decreasing Turnover

Keine Zeit für Forschung & EntwicklungNo time for Research and Development

Mögliche Lösungen/ Solutions:

Kein Geld für Forschung & EntwicklungNo Money for Research and Development

Flexibilisierung der Forschung und EntwicklungFlexibility in Research and Development

Forschung und Entwicklung in KooperationenResearch and Development in Cooperation


Aufgabengebiete der FGUMain Activities

� Durchführung von Forschungs- und Entwicklungsarbeiten

in (bilateralen) Kooperationen

Bi-/ multilateral Projects

� Organisation der internationalen Konferenzen

Organisation of International Conferences

� Neuere Entwicklungen in der Blechumformung

New Developments in Sheet Metal Technology

� Neuere Entwicklungen in der Massivumformung

New Developments in Forging Technology

� Koordination der Forschungsarbeit in

� Forschungskooperationen Research Cooperations

� Arbeitskreisen Research Groups


Neuere Entwicklungen in der BlechumformungNew Developments in Sheet Metal Forming03.-04.06.2008Neuere Entwicklungen in der HydroumformungNew Developments in Hydroforming

05.06.2008

Internationale Konferenzen

International Conferences


Angebote der FGUOffers FGU

� Simulation von Blech- und MassivumformvorgängenSimulation Sheet Metal Forming and Forging Technology

� Konstruktion / Werkzeugentwicklung / MassivumformvorgängeDevelopment / Tool design / Forging Technology

� InbetriebnahmeCommissioning

� BauteilanalysePart Analysis

� Beratung

� Projekte: Umformtechnik/ Projects: Forming Technology

� Patentrecherchen/ Patent Research

� Technik- /Literaturrecherchen/ Technology Scanning / Literature Research

� Konstruktion / Werkzeugentwicklung / BlechumformvorgängeDevelopment / Tool design / Sheet Metal Forming

� WerkstoffprüfungMaterial Tests

� Forschungskooperationen / ArbeitskreiseResearch Cooperations / Research Groups


Agenda

� Kurzvorstellung


� Aktueller Stand und Tendenzen in der Prozesssimulation

von Blechumformvorgängen


Einflussparameter aus die FEM-Simulation

Tribologie

Oberflächen

Auswertung

Simulations-ergebnis

?????

Material


Entwicklung Hoch- und Höchstfester Stahlblechgüten

1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005

Mikrolegierte StMikrolegierte Stäähle (hle (ZStEZStE))

Phosphorlegierte StPhosphorlegierte Stäähle (hle (ZStEZStE P)P)

Dualphasen StDualphasen Stäähle (DP)hle (DP)

Bake Bake HardeningHardening StStäählehle

HHööherfeste herfeste IFIF--StStäählehle

TRIP StTRIP Stäählehle

MSMS--StStäählehle

ComplexphasenComplexphasen--StStäählehle

TWIPTWIP--StStäählehle

Quelle: ThyssenKrupp Steel


Hochfeste Stahlbleche

Quelle: ThyssenKrupp Steel


Probengeometrien

Tensile Specimens

VersuchsanlageTensile Test Equipment

ZugversuchTensile Test


Zugversuch 1.4301Tensile Test

T in °C


Logarithmische Formänderung

ϕl = ln (l1/lo)Logarithmische Formänderung


Material Property Determination and Characterisation

Forming Limit CurveBulge Test Nakazima Test Erichsen Test

- 0 +Minor Strain ϕ2

Majo

r str

ain

ϕ1

Deep

Drawing

Unia

xial T

ensi le

Test

Pla

ne

Stra

in

Biaxial

Compe

nsate

dStre

tchin

g

ϕ1 = −ϕ2

Failure

No Failure

(Forming Limit Curve FLC)

ϕ1 = −2ϕ2 ϕ2 = 0 ϕ1 = ϕ2


RückfederungsverhaltenSpring back

DP 600DP 600ZStEZStE 340340

Quelle: Tower Automotive



Tribologie

Oberflächen

Auswertung


?????

Material


Das Tribologische System nach DIN 50320

1: Grundkörper

2: Gegenkörper

3: Zwischenstoff

4: Umgebungsmedium

Oberflächenveränderungen(Verschleißerscheinungsform)

Materialverlust(Verschleiß-Meßgröße)

Verschleißkenngrößen

Beanspruchungskollektiv

Struktur des Tribosystems

2

1

3

4

Quelle: DIN EN 50 320


Der VerschleiDer Verschleißß ist nach DIN 50320 definiert als fortschreitender Materialverluist nach DIN 50320 definiert als fortschreitender Materialverlust st aus der Oberflaus der Oberflääche eines festen Kche eines festen Köörpers, hervorgerufen durch mechanische rpers, hervorgerufen durch mechanische Ursachen, d.h. Kontakt mit einem festen, flUrsachen, d.h. Kontakt mit einem festen, flüüssigen oder gasfssigen oder gasföörmigen Krmigen Köörper rper

und Relativbewegung. Ursache des Verschleiund Relativbewegung. Ursache des Verschleißßes ist die Reibkraft.es ist die Reibkraft.

Verschleißmechanismen

AdhäsionAdhAdhääsionsionAusbildung und Trennung von Grenzflächen-haftbedingungen

Ausbildung und Trennung von GrenzflAusbildung und Trennung von Grenzfläächenchen--haftbedingungenhaftbedingungen

Fresser, Löcher, Kuppen,Materialübertrag

Fresser, LFresser, Lööcher, Kuppen,cher, Kuppen,MaterialMaterialüübertragbertrag

AbrasionAbrasionAbrasionMaterialabtrag durch ritzende Beanspruchung

(Mikrozerspanung)Materialabtrag durch ritzende BeanspruchungMaterialabtrag durch ritzende Beanspruchung

((MikrozerspanungMikrozerspanung))

Kratzer, Riefen, Mulden,Wellen

Kratzer, Riefen, Mulden,Kratzer, Riefen, Mulden,WellenWellen

Oberflächen-

zerrüttungOberflOberfläächenchen--

zerrzerrüüttungttung

Ermüdung und Rissbildung im Oberflächenbereich

durch tribologische WechselbeanspruchungenErmErmüüdung und Rissbildung im Oberfldung und Rissbildung im Oberfläächenbereich chenbereich

durch tribologische Wechselbeanspruchungendurch tribologische WechselbeanspruchungenRisse, GrübchenRisse, GrRisse, Grüübchenbchen

Tribochem.

ReaktionTribochemTribochem..

ReaktionReaktion

Entstehen von Reaktionsprodukten durch tribologische

Beanspruchung von Grund-, Gegenkörper & MedienEntstehen von Reaktionsprodukten durch tribologischeEntstehen von Reaktionsprodukten durch tribologische

Beanspruchung von GrundBeanspruchung von Grund--, Gegenk, Gegenköörper & Medienrper & Medien

Reaktionsprodukte

(Schichten, Partikel)ReaktionsprodukteReaktionsprodukte

(Schichten, Partikel)(Schichten, Partikel)


Blechhalter/Schmierstoff/BlechBlechhalter/Schmierstoff/Blech

Ziehring/Schmierstoff/BlechZiehring/Schmierstoff/Blech

Ziehringradius/Schmierstoff/BlechZiehringradius/Schmierstoff/Blech

Stempel/Schmierstoff/BlechStempel/Schmierstoff/Blech

Stempelradius/Schmierstoff/BlechStempelradius/Schmierstoff/Blech

1a1a

1b1b

22

33

44

FBH FBH

Ziehstempel

Blechhalter

BlechZiehring

FSt

1a1a

1b1b

22

33

44

Quelle: K. Siegert, V. Thoms

Tribologische Systeme beim Tiefziehen


Quelle: R. Balbach, IFU

Hydrodynamischer

Druckaufbau(Flüssigkeitsreibung)

Werkzeug

ττττ

ττττ

vrel

pHS

PHS

pHD

v

kf

Abrasionspartikel

Einebnungsvorgänge

(elastisch, plastischeVerformungen)

Hydrostatischer

Druckaufbau

Schmierfilm aus tribochemischen

Reaktionsprodukten und Wirkstoffen

ppNN

Blech

Adhäsion(Brückenbildung durch

Kaltverschweißung)

Reibmechanismen


Definition Rauheitswerte Ra; Rt

Rt: Gesamthöhe des Rauheitsprofils

Ra: Arithmetischer Mittenrauwert


Surface:EBT

WerkzeugoberflächeTool Surfaces

BauteiloberflächeSurfaces of

Stamped Parts Stationärer SensorStationary Sensor

Source: IFU

3D Oberflächenmessung Blech/ Werkzeug mit tragbarem Sensor 3D Measurement of sheet and tool surfaces with a portable sensor


Quelle: LFT

Darstellung der 3D-Oberflächenkenngrößen


Schnittebenen

Beispiel:AlMg5Mn-T0, LasertexMessfeld: 920 µm x 920 µm

Lage

der

Schnitt-

ebene

MaterialLeer

Horizontal-schnitte

Horizontalschnitte durch die Blechoberfläche


Gemessene 3D-Oberflächenkennwerte

2D-/ 3D- Oberflächenansicht

Sa - Arithmetischer 3D-MittenrauhwertSt - 3D- RautiefeVcl - Geschlossenes LeervolumenVop - Offenes LeervolumenVma - Material Volumenαcl - Geschlossener Leerflächenanteil

Auswertung der Blechoberfläche mit Topmess-3D


Topmess-3D: Messfeld 1,75 x 2,3 mm

2D-Ansicht

Topmess-3D: Messfeld 1,75 x 2,3 mm

3D-Ansicht

Optisches Mikroskop: Vergrößerung A Optisches Mikroskop: Vergrößerung B

Quelle: Becker, IFU

0 100 µm 0 10 µm

AA 5182 Mill-Finish Oberfläche


Geschlossener Leerflächenanteil

Materialflächenanteil

OffenerLeerflächenanteil

[µm] [µm] [mm³/m²] [mm³/m² ] [mm³/m²] [%]

0,40 3,8 82,7 1985,9 1742,3 10,03

aS tS clV opV maV clmα

0 100 µm

3D-Oberflächenkennwerte AA 5182 Mill-Finsh


Optisches Mikroskop: Vergrößerung A Optisches Mikroskop: Vergrößerung B

Topmess-3D: Messfeld 1,75 x 2,3 mm 2D-Ansicht

Topmess-3D: Messfeld 1,75 x 2,3 mm3D-Ansicht

0 100 µm 0 10 µm

AA 5182 EDT- OberflächeQuelle: Becker, IFU


Geschlossener Leerflächenanteil

Materialflächenanteil

OffenerLeerflächenanteil

0 10 µm

[µm] [µm] [mm³/m²] [mm³/m² ] [mm³/m²] [%]

1,19 7,37 440,69 2960,01 3980,33 23,85

aS tS clV opV maV clmα

Quelle: Becker, IFU 3D-Oberflächenkennwerte AA 5182 EDT


Werkstoff: AA 5182,Oberfläche: MF; Werkzeugwerkstoff: 1.2379Schmierstoff: ca. 0,5g/m² M 75

FN = 5 N/mm²

FN = 10 N/mm²

FN = 20 N/mm²

Flächenpressung:

Quelle: Becker, IFU

°- Winkel zur Walzrichtung

Abhängigkeit der Reibungszahl von der Ziehrichtung


Streifenziehversuch unter erhöhten TemperaturenStrip-Draw-Test at Elevated Temperatures

Reibkraft -messung

Normalkraft-messung

HydraulikzylinderHydraulic Cylinder

MessrechnerComputer

SchlittenCarriage

AntriebDrive

ZiehbackeDrawing jaw

BeheizbarHeatable

Friction force

Normal force


mit Schmierstoffresten

AA 5182 Mill-Finish-Oberfläche nach dem Streifenziehversuch, Ziehrichtung: 30°zur Walzrichtung, Flächenpressung: 10 N/mm²

mit Schmierstoffresten

Quelle: Becker, IFU

offene unbedeckteStellen

µ= 0,09(der höchste Wert !)

0 100 µm 0 10 µm

0 100 µm 0 10 µm

gereinigt, ohne Schmierstoff gereinigt, ohne Schmierstoff

Schmierstofftransport und Oberflächenänderung


AA 5182 Mill-Finish-Oberfläche nach dem Streifenziehversuch, Ziehrichtung : 90°zur Walzrichtung, Flächenpressung: 10 N/mm²

Quelle: Becker, IFU

mit Schmierstoffresten mit Schmierstoffresten

Schmierstoff-verteilung

µ= 0,038(der kleinste Wert!)

0 100 µm 0 10 µm

0 100 µm 0 10 µm

gereinigt, ohne Schmierstoff gereinigt, ohne Schmierstoff

Schmierstofftransport und Oberflächenänderung



Tribologie

Oberflächen

Auswertung


?????

Material


Was wird simuliert?

� Simulation

� Werkzeuge

� Bauteile

� Fertigungsverfahren


Box-

Profil

C-

Profil

Quelle: M. Häussermann, IFU

Aufbau konventioneller Ziehwerkzeuge


Num m er A1 A2 A3 A4 A 5 A6 A 7 A8 A9 A10

N iederha l te r

M atrize

p m ax [% ] 431 374 739 528 437 329 329 451 166 128

p m in [% ] 0 0 0 0 0 0 0 0 19 63

∆ p [% ] 431 374 739 528 437 329 329 451 147 65

G ewicht [% ] 53,3 56,5 36,0 39,8 45,4 49,2 61,5 46,0 80,8 100

A1 A2 A 3 A 4 A5

A6 A 7 A 8 A9 A10

Quelle: M. Häussermann, IFU

Symmetrische Verrippung

Verteilung Flächenpressung


Quelle: IFU

Konventioneller Blechhalter

Segmentelastischer Blechhalter

Matrize

BlechhalterPlatine

FPin FPin FPin

Örtlich erhöhte Flächenpressung

Fpin, erhöht

Der am IFU entwickelte segmentelastische Blechhalter ermöglicht es,

bestimmte Blechhalterflächensegmente

partiell mit zugehörigen Blechhalterkräften zu beaufschlagen,

dass über dem Ziehweg vorgebbare Flächenpressungen pro Segment erzielbar sind,

ohne dass hierdurch die Nachbarsegmente

wesentlich beeinflusst werden

Segmentelastischer Blechhalter


4.5 N/mm2

0 N/mm2

Flä

ch

enp

ressun

g

Quelle: IFU

Verteilung Flächenpressung


Quelle: IFU / D. Vlahovic

Beulprüfstand

Statische und dynamische Beulprüfung


Definition der Beulsteifigkeit und Beulfestigkeit

Beulsteifigkeit =

Beulfestigkeit =Aufgebrachte Kraft, Druck oder Energie

plastische Beultiefe

Aufgebrachte Kraft, Druck oder Energie

elastische Beultiefe

plastische Beultiefemaximale Beultiefe

Querschnitt Bauteiloberfläche

FD [N] bzw. Wkin [J]Prüfkörper

elastische Beultiefe

Quelle: IUL Dortmund


Spannungszustände im Blech States of Stress in Sheet

Scherschneiden/ Shear Cutting

TRIP700Stempelkantenradius 30µm

Die Edge Radius 30µmSchneidspalt 18%Cutting clearance 18%

CP1000Stempelkantenradius 30µmDie Edge Radius 30µmSchneidspalt 18%Cutting clearance 18%

TRIP700Stempelkantenradius 30µmDie Edge Radius 30µmSchneidspalt 10%Cutting clearance 10%

StempelPunch

Blech

Blank


Matrizensegmente

Blechwerkstoff

Blechhaltersegmente

Stempel

Variante 1: Konstante Reibungszahl in alle Blechhalter- sowie Matrizensegmenteµkonst = 0,10

Variante 2: Unterschiedliche Reibungszahl in den einzelnen Blechhaltersegmente.Die Reibungszahl in den dazugehörigen Matrizensegmente ist gleich.

µM,0-30° = µBH,0-30° = 0,075 µM,30-45° = µBH,30-45° = 0,09µM,45-60° = µBH,45-60° = 0,0875 µM,60-90° = µBH,60-90° = 0,07

Blechwerkstoff: AA5182 MF, s0 = 1 mm

Blechgröße: 140 x 120 mm

Quelle: Khandeparkar, IFU

Werkzeug

FE-Simulation mit richtungsabhängigen Reibungszahlen


Blechausdünnung [%]

Mit unterschiedlichenReibungszahlen

Mit konstanterReibungszahl

AA5182, s0 = 1 mm

µ = 0,10 µ0-30° = 0,075; µ30-45° = 0,09µ45-60° = 0,0875; µ60-90° = 0,07

15,15 %17,55 %

Quelle: Khandeparkar, IFU

FE-Simulation mit richtungsabhängigen Reibungszahlen


Reales Bauteil

Riss

Crack



Tribologie

Oberflächen

Auswertung


?????

Material


Hydromechanical Deep Drawing – Cup Wall Thickness

Cup wall thickness

Blank thinning [%] LSDYNA®


Coordinate Measurement machine (CMM)

Contour Definition Strain Measurement

Strain Measurement


Optisches Messsystem zur Formänderungsanalyse

Laborversuch zur

Erstellung von FLC‘sEinsatz der FLC in der laufenden

Qualitätssicherung

FLD

Ursachenfindung im VersagensfallMaterialchargeWerkzeugProzessfehler

Quelle: VIALUX, IFU


VR: Virtual Reality

Quelle: IFU / S. Huhn


Simuliertes Bauteil

Augmented Reality Visualisierung(Blechdickenverteilung)

Realbauteil mit AR-Marker Quelle: IFU / H. Meyer, Th. Keesser

AR: Augmented Reality


Virtual Reality in der Cave

Quelle: IFU / H. Meyer, Th. Keesser


Stempelseite/ Punch side: Ansicht SchneidkanteCutting Edge View

Nach 1.000 Schnitten/ After 1000 cuts Nach 310.000 Schnitten/ After 310,000 cuts

Schneidkantenbeschädigung am Stempel/ Cutting edge deterioration on punch

Quelle/ Source: FGU

Schneidkantenbeschädigung / Cutting Edge deterioration


Ausschnitt der Schnittfläche am StreifenCut edge sectional view

Glattschnittfläche der Schnittfläche am StreifenSmooth Cut Area on Strip

Nach 7.000 Schnitten/ After 7000 cuts Nach 270.000 Schnitten/ After 270,000 cuts

Quelle/ Source: FGU

Glattschnittanteil/ Smooth Cut Area


0,00

0,04

0,08

0,12

0,16

0 80.000 160 .000 240.000 320 .000

Anzahl Schnitte

Max

imal

e S

chn

ittg

rath

öh

e h

G m

ax i

n m

m

Verschleißgrenze0 ,12

Lochbi ld

16 30

8

T0 8 CP 1 000 , 1,2 m m, Elo-ve rzinkt , BSTA 18, Sc hne ids palt 10% , 6 2 HRC T0 9 TRIP 70 0, 1 ,2 m m , fe uerverzinkt, BSTA 1 8, S chneidspa lt 1 0% , 62 HRC T1 6 CP 1 000 , 1,2 m m, Elo-ve rzinkt , BSTA 500 , S chneidspalt 11 %, 61 HRC T2 1 TRIP 70 0, 1 ,2 m m , fe uerverzinkt, BSTA 3 00, Sc hne ids palt 10% , 6 1 HRC

Stem pel aus Werkzeug stah l1.2379 , unb eschichtetButzenh G

S treifen

Maximale Schnittgrathöhe über Anzahl der Schnitte/Maximum Burr Height over Number of Cuts

Quelle/ Source: FGU Number of Cuts

Ma

xim

um

Bu

rr H

eig

ht h

G,m

ax

[mm

]

Grathöhe/ Burr height



Tribologie

Oberflächen

Auswertung


?????

Material


www.fgu-mbh.de


Andreas [email protected]

Tel.: +49 (711) 226 – 4125

www.fgu-mbh.de

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