Intelligente Werkzeuge für das Trocken-Scherschneiden von Verbundwerkstoffen

Intelligente Werkzeuge für das Trocken-Scherschneiden von Verbundwerkstoffen

 

Motivation

Die zunehmende Forderung nach Leichtbau in allen Gebieten der Technik macht die Anwendung von innovativen Werkstoffen erforderlich. Verbundwerkstoffe bieten die Möglichkeit die positiven Eigenschaften von verschiedenen Werkstoffen gezielt zu kombinieren. Sogenannte Sandwichbleche, die aus zwei starren Blechhäuten und einem Polymerkern bestehen, liefern einen Kompromiss für biegesteife Strukturen, die gleichzeitig hohe Leichtbauanforderungen erfüllen. Zur wirtschaftlichen Verarbeitung dieser Werkstoffe sind neue Fertigungsverfahren erforderlich, zu denen neben den üblichen Umformverfahren auch das Scherschneiden zählt. Das Trocken-Scherschneiden von Sandwichwerkblechen ist aktuell nicht Stand der Technik. Bei der Anwendung herkömmlicher Schneidverfahren kann es zu einem starken Deckblecheinzug, einer Stauchung des Kerns sowie zu einer Delamination des Verbundes kommen [Abbildung 1].

Abbildung 1: Versagensarten beim Scherschneiden von Sandwichblechen
Abbildung 1: Versagensarten beim Scherschneiden von Sandwichblechen

Zielsetzung

Das Ziel des Forschungsvorhabens ist die Entwicklung eines parametrisierten Verbundwerkstoffmodells. Mit Hilfe des Modells sollen unterschiedliche Materialkombinationen hinsichtlich ihrer Schneidbarkeit beurteilt werden können.

Abbildung 2: Prinzipskizze des Konterschneidverfahrens
Abbildung 2: Prinzipskizze des Konterschneidverfahrens

Lösungsweg

Zunächst wird ein intelligentes Versuchswerkzeug entwickelt und gebaut. Durch das dreifachwirkende Konterschneidwerkzeug ist es möglich das Konterschneidverfahren und dessen Grenzen zu erweitern [Abbildung 2]. Parallel dazu wird ein parametrisches Verbundwerkstoffmodel entwickelt. Insbesondere stehen dabei die Materialkennwerte und die Geometrie der einzelnen Werkstoffe im Fokus. Die entwickelte Analytik wird anhand einer Parameterstudie experimentell validiert und angepasst.

Wesentliche Erkenntnisse

Die wesentlichen Erkenntnisse lassen sich in die folgenden drei Themen unterteilen:

1. Durch die durchgeführte Parameterstudie konnte das Prozessverständis umfangreich erweitert werden. Zunächst wurden charakteristische Schnittflächenkenngrößen erarbeitet und Einflussfaktoren auf diese untersucht. So konnte beispielsweise gezeigt werden, dass die Halbzeugtemperatur und der Schneidspalt den größten Einfluss auf die Kanteneinzugshöhe besitzen.

2. Basierend auf den grundlegenden Untersuchungen zum Scherschneiden wurde eine Modellvorstellung entwickelt, die den Schneidprozess von Sandwichblechen in einzelne Phasen unterteilt. Durch weitergehende Untersuchungen zum Kraftverlauf konnten Zusammenhänge zwischen Schnittflächenkenngrößen und Kraftverläufen hergeleitet werden. Außerdem erfolgte eine Klassifizierung für Sandwichbleche anhand ihrer charakteristischen Schneidkraftverläufe. Weiterhin wurde ein parametrisiertes analytisches Modell entwickelt, mit dem sich Kraftverläufe beim Scherschneiden von Sandwichblechen vorhersagen lassen. Die entwickelte Modellvorstellung kann genutzt werden, um Materialkombinationen auf ihre Schneidbarkeit zu untersuchen.

3. Im Rahmen der Untersuchungen wurden das Konterschneiden und das erweiterte Konterschneiden umfassend untersucht. Dabei wurde durch das konventionelle Konterschneiden ohne zusätzliche Überlagerung mit Druckspannungen keine positive Beeinflussung der Schnittflächenkenngrößen erreicht. Durch einen gezielten Einsatz des Gegenstempels zur Überlagerung des Werkstücks mit Druckspannungen im Scherspalt konnte der Kanteneinzug signifikant reduziert werden. Gleichzeitig wurde festgestellt, dass die Zusammenhänge der verschiedenen Prozessgrößen über eine Regressionsgleichung beschrieben werden können.

Analytisch berechnete Kraftkomponenten beim Scherschneiden von Sandwichblechen
Abbildung 3: Analytisch berechnete Kraftkomponenten beim Scherschneiden von Sandwichblechen

Danksagung

Das Forschungsprojekt wird gefördert durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG).