Für eine realgetreue Abbildung von Prozess- und Werkzeugsimulationen sind korrekte Modellparameter essenziell. Neben den Materialkennwerten sind in temperaturunterstützten Umformprozessen außerdem Kenntnisse über das Reibverhalten und den Wärmeübergang entscheidend. Ziel des Vorhabens ist die Optimierung thermomechanisch gekoppelter Simulationen durch die Verbesserung der Güte des Modellparameters Wärmeübergangskoeffizient (WÜK) sowie die Analyse der Wechselwirkungen zwischen Wärmeübergang und Reibphänomenen und deren Einfluss auf den Reibwert. Die Optimierung erfolgt durch den Einsatz eines eigens entwickelten WÜK-Prüfstands, mit dem der Wärmeübergangskoeffizient unter industrienahen Prozessbedingungen bestimmt wird, sowie durch die experimentelle Untersuchung der Wechselwirkungen mittels temperierter Streifenziehversuche.

Motivation

Um komplexe Bauteile mit hoher Prozessrobustheit wirtschaftlich zu fertigen, sind Werkzeug- und Prozesssimulationen essenziell. Besonders bei Prozessen mit hohen Temperaturgradienten ist eine präzise Temperaturabbildung erforderlich, da nahezu alle physikalischen Materialeigenschaften temperaturabhängig sind. Dies erfordert thermomechanisch gekoppelte Simulationen, in denen Wärmeleitung und Wärmeübergänge an den Kontaktflächen berücksichtigt werden müssen. Ein zentraler Modellierungsparameter, der für viele produzierende Unternehmen von großer Relevanz ist, ist der WÜK. Standardisierte Prüfverfahren zu dessen Ermittlung existieren bislang nicht, weshalb der Wärmeübergang in Simulationen oft unzureichend oder vereinfacht modelliert wird. Neue Forschungsergebnisse der Projektpartner zeigen vielversprechende Ansätze zur experimentellen Bestimmung von WÜK-Werten, die im Projekt weiterentwickelt, validiert und für industrielle Anwendungen optimiert werden. Ziele sind die Entwicklung einer Prozesskette zur experimentellen Bestimmung validierter WÜK für nicht-isotherme Simulationsprozesse. Die Einbindung der ermittelten WÜK in ein Simulationsmodell ermöglicht eine Verbesserung der Modellbildung, wodurch reale Prozessbedingungen genauer abgebildet werden können. Dies führt zu einer präziseren Auslegung und Steuerung von Umformprozessen, wodurch die Entwicklungszeiten verkürzt, die Kosten für Trial-and-Error-Ansätze reduziert und die Prozessstabilität in der industriellen Anwendung gesteigert werden.

Lösungsweg

Im Rahmen des Projekts wird ein WÜK-Prüfstand zur experimentellen Ermittlung von Wärmeübergangskoeffizienten entwickelt und die ermittelten Werte mit Hilfe von Validierungsversuchen validiert. Ausgangspunkt ist ein Modellprüfstand zur Ermittlung der WÜK. Nach erfolgreicher Erweiterung der am Modellprüfstand nachstellbaren Prozessparameter wird eine Sensitivitätsanalyse unterschiedlicher Einflussfaktoren auf den WÜK durchgeführt. Die Prozessparameter werden durch eine ausführliche Recherche und industrielle Studien ermittelt und systematisch ausgewählt. Parallel werden zwei voneinander unabhängige Validierungsversuche entwickelt, die es erstmals ermöglichen, die ermittelten WÜK sowohl unabhängig vom Prüfstand als auch vom Realversuch redundant zu validieren. Mithilfe dieser Validierungsversuche erfolgt in einem nächsten Schritt eine iterative Optimierung des WÜK-Prüfstands. So werden potenzielle Fehlerquellen identifiziert und systematisch eliminiert. Die Ergebnisse der Sensitivitätsanalyse dienen dazu, besonders relevante Parameter zu bestimmen und darauf aufbauend einen strukturierten Versuchsplan zu entwickeln, um deren Einfluss auf die WÜK quantitativ zu bewerten.

Parallel dazu erfolgen experimentelle Untersuchungen an der institutseigenen Reibversuchsanlage , wodurch die Wechselwirkung zwischen WÜK und Reibkoeffizient gezielt analysiert wird. Dadurch erfolgt eine ganzheitliche Betrachtung des Bauteilkontakts unter realitätsnahen, nicht-isothermen Bedingungen. Die Kombination thermischer und mechanisch-tribologischer Kenngrößen ermöglicht ein vertieftes Verständnis des komplexen Verhaltens tribologischer Systeme bei temperaturabhängigen Reibphänomenen. Auf Basis der gewonnenen Erkenntnisse werden fundierte Handlungsempfehlungen für industrielle Anwendungen abgeleitet.

Abschließend fließen die gewonnenen Erkenntnisse und ermittelten Modellparameter in Simulationsmodelle zweier industrienaher Umformprozesse ein. Durch den Abgleich der Simulationsergebnisse mit experimentell ermittelten Daten dieser zwei Prozesse wird die resultierende Steigerung der Simulationsgenauigkeit durch den Einsatz optimierter Modellparameter quantifiziert.

Danksagung

Das Projekt ValiWIn wird im Rahmen des Zentralen Innovationsprogramm Mittelstand (ZIM) durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWE) gefördert. Zusätzlich gilt der Dank dem Projektpartner FILZEKTRIBOtech.

Gefördert durch

Projektpartner