Materialprüfung wird virtuell

Umformsimulationen sparen Zeit und Kosten – die zugrunde liegenden Kennwerte der Werkstoffe müssen allerdings in langwierigen Versuchsreihen ermittelt werden. Ein Fraunhofer-Institut ersetzt nun Prüfstandsversuche wiederum durch Simulationen.

23. August 2017

Mit einem "Virtuellen Labor" will das Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM in Freiburg die Datenbasis für Umformsimulationen erweitern. Tools wie Simufact Forming, AutoForm und FTI Fast werden heute häufig für die Konstruktion von Umformwerkzeugen und die Absicherung der Fertigung verwendet. Damit Effekte wie Blechstärkenverteilung und Rückfederungsverhalten per Simulation prognostizierbar und die Blechwerkstoffe nicht überlastet werden werden, braucht die Software korrekte Werkstoffkennwerte. Diese mechanischen Eigenschaften sind richtungsabhängig: Ihr Verformungsverhalten und ihre Festigkeit unterscheiden sich stark je nach der Betrachtungsrichtung, zum Beispiel in Walzrichtung oder quer dazu. Daher sind zahlreiche Belastungsversuche mit immer neuen Versuchsaufbauten und Materialproben notwendig, um die benötigten Materialdaten zu erhalten.

Zudem lassen sich bei Blechwerkstoffen nicht alle Belastungszustände untersuchen, obwohl sie für die Computersimulation des Herstellungsprozesses von Bauteilen wichtig wären. Zum Beispiel lässt sich das Verhalten von Blechwerkstoffen in Richtung ihrer Dicke praktisch nicht bestimmen. Denn die ein bis zwei Millimeter Blechdicke sind zu wenig, um in dieser Richtung Proben für einen Zugversuch präparieren zu können.

"In unserem virtuellen Labor sind zum Beispiel Zugversuche in Blechdickenrichtung problemlos möglich", sagt Dr. Alexander Butz, Projektleiter in der Gruppe Umformprozesse am Fraunhofer IWM. "Auch alle anderen Belastungszustände lassen sich schnell und flexibel testen. So erhalten Bauteilhersteller aus der Blechumformung viel detailliertere Materialdaten."

Dafür erstellen Butz und sein Team zunächst mit Hilfe von wenigen realen Experimenten ein Simulationsmodell der Mikrostruktur des Werkstoffes, mit dem die physikalischen Mechanismen bei einer Verformung bis in die Kristallstruktur beschrieben werden. Damit können alle gewünschten Versuche im Computer generiert und zuverlässige Rückschlüsse auf die makroskopischen mechanischen Eigenschaften des Werkstoffs gezogen werden. "Die Methode ist bekannt. Neu ist jedoch, dass wir einen automatisierten Workflow entwickelt haben, der die Versuche zeitsparend virtuell ablaufen lässt", erklärt Butz.

Weil sehr viele virtuelle Versuche in kurzer Zeit durchgeführt werden und das zugrundeliegende Mikrostrukturmodell sehr präzise ist, kann mit den Ergebnissen aus dem virtuellen Labor die sogenannte Materialkarte eines Werkstoffs laut IWM deutlich genauer beschrieben werden als mit klassischen Versuchen. Bauteilhersteller können die virtuell ermittelten Daten in gleicher Weise weiterverarbeiten wie experimentell gewonnene Daten. Neben den Simulationen für die Bauteilproduktion lassen sich auch Simulationen durchführen zur Vorhersage des Bauteilverhaltens und der Lebensdauer während seiner Benutzung.

Damit sollen sich Probleme bei der Umformung lösen lassen: "Kritische Stellen, an denen das Bauteil in der Produktion häufig beschädigt wird, können herausgegriffen und die Mikrostruktur wie mit einem virtuellen Mikroskop gezielt untersucht werden. So erhalten wir Hinweise darauf, wie sich der Bearbeitungsprozess verbessern lässt", sagt Butz. Als Anwender sieht Butz Bauteilhersteller der Automobil- oder Luftfahrtindustrie, der additiven Fertigung sowie Unternehmen der Leichtbauindustrie, die möglichst materialsparend arbeiten wollen.