Projektstatus: abgeschlossen
Letztes Update: 09.10.2020
Ziel des Projekts ist eine Modellierung von Verschleiß der Werkzeugoberflächen in der Blechmassivumformung. Diese Werkzeugflächen sind teilweise für eine Optimierung des Reibverhaltens durch Mikrostrukturierung behandelt. Somit ist die Simulation des Verschleißes dieser Mikrostrukturen ein Simulationsproblem auf der Mesoskala. Die Gestalt der Mikrostrukturierung wird dabei im Modell geometrisch aufgelöst, wogegen die Oberflächenrauheit durch ein geeignetes Reibmodell repräsentiert wird.
Im Projekt werden zwei Modellierungsansätze verfolgt. Der erste Ansatz besteht aus der Nutzung des kommerziellen Finite-Elemente-Programms Abaqus zur Simulation des Kontakt- und Umformproblems. Die lokalen Oberflächentraktionen und Relativgeschwindigkeiten werden anschließend in einem Python-basierten Postprozessor ausgewertet und nach dem Archard-Modell zur Bestimmung lokaler Verschleißvolumina verwendet. Die Verschleißvolumina werden durch ein Anpassung des Oberflächen-Netzes aufgebracht und es findet eine Neuvernetzung statt. Die Simulation eines Werkzeugüberlaufs sowie die schematische Darstellung der Oberflächenanpassung sind in den nachfolgenden Abbildungen gezeigt
Der zweite Ansatz dient der mechanismenbasierten Verschleißmodellierung. Die Partikel-Finite-Elemente-Methode ist dazu geeignet, ein Abtragen von Oberflächenpartikeln oder Mikrospänen zu simulieren. Dazu werden die betrachteten Werkzeuge und Werkstücke als Partikelwolken materieller Punkte aufgefasst. Es findet eine wiederholte Neuvernetzung und Formerkennung des Körpers statt. Die Finite-Elemente-Netze stellen dabei ein Mittel zur Berechnung des von der Partikelwolke repräsentierten Kontinuums dar. Geschichtsvariablen sowie die Verformungsgeschichte werden aber auf den Partikeln gespeichert. Die Formerkennung lässt zu, dass sich durch hohe lokale Verformungen neue Oberflächen bilden und Späne oder Partikel abgetrennt werden. Aufgrund des grundlegenden Eingriffs in die Finite-Elemente-Gleichungen ist eine vollständig zugängliche Implementierung notwendig und die Verwendung von kommerzieller Finite-Elemente Software ist nicht sinnvoll. Damit rückt die adäquate Kontaktsimulation in den Fokus der Modellierung, da diese die Grundlage einer robusten und genauen Simulation der Abtragvorgänge bildet. Hierbei beinhaltet die Partikel-Finite-Elemente-Methode Algorithmen, die sich auch für die Diskretisierung der Kontakt-Flächen anbieten. Der Materialabtrag selbst ist von den Parametern der Formerkennungs-Algorithmen, aber auch im Wesentlichen von den lokalen Reib- und Materialeigenschaften abhängig. Somit kann am beschriebenen Simulationsmodell der Einfluss der lokalen Mechanismen, die zu Materialabtrag führen, untersucht werden. Die folgende Abbildung zeigt die Kontaktsimulation eines über einen weichen Block gezogenen Werkzeug-Körpers sowie eine gekerbte Zugprobe, bei der die Materialtrennung durch den Formerkennungsalgorithmus initiiert wird.
Abbildung entnommen aus Schewe, Menzel, 2019, DOI: 10.1002/pamm.201900403, CC-BY 4.0.