Master-/Bachelor-/Studien-/Projektarbeiten

Simulation zum elektrohydraulischen Umformen

Bachelor-/Master-/Projektarbeit

Ausgangssituation

Elektrohydraulisches Umformen (EHF) ist ein Hochgeschwindigkeitsumformverfahren. In der bei uns angewendeten Variante wird durch einen Hochspannungsstrompuls ein Aluminiumdraht innerhalb eines Fluides zur Explosion gebracht. In dem Fluid wird dadurch eine Überschalldruckwelle erzeugt, welche für die Blech- oder Rohrumformung eingesetzt wird.

Problemstellung

Um das Verständnis für den Prozess zu vergrößern, sollen Teilsysteme durch Simulationen in Abaqus erstellt werden.

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Beeinflussung des Werkstoffverhaltens bei der elektromagnetischen Umformung

Studentische Arbeit

Ausgangssituation

Die elektromagnetische Umformung bietet durch die positive Beeinflussung von Größen wie der Fließspannung und Bruchdehnung Vorteile gegenüber konventionellen Verfahren. Die Gründe für die positive Beeinflussung sind auf verschiedene Wirkmechanismen zurückzuführen. Bekannte Mechanismen, welche die Umformung beeinflussen, sind beispielsweise die Temperatur, der mechanische Spannungszustand oder die Dehnrate. Grundsätzlich beeinflussen sich die Mechanismen untereinander, sodass das Werkstoffverhalten bei der Umformung nur unter Beachtung aller Mechanismen hinreichend genau beschrieben werden kann.

Ausgehend vom Ziel das Werkstoffverhalten bei der elektromagnetischen Umformung besser zu verstehen, müssen die Einflüsse der Wirkmechanismen und ihre Wechselwirkungen untereinander bekannt sein. Neben den bekannten „klassischen“ Mechanismen tritt jedoch bei der elektromagnetischen Umformung zusätzlich, bedingt durch das Wirkprinzip der Umformung, ein Strom innerhalb des Werkstücks auf. Dieser stellt -wie die bereits genannten Mechanismen- eine Einflussgröße dar. Ebenso liegt eine Beeinflussung der anderen Mechanismen vor, da beispielsweise der fließende Strom durch die ohmsche Erwärmung einen Einfluss auf die Temperatur im Werkstück nimmt. Somit muss der Strom bei der Betrachtung des Werkstoffverhaltens beim elektromagnetischen Umformen einbezogen werden.

Bei der Beschreibung des Werkstoffverhaltens sollen die Wirkmechanismen zunächst getrennt voneinander betrachtet werden. Durch die Kopplung der Mechanismen ist jedoch keine vollständige Separation möglich, wobei Ersatzversuche und andere Maßnahmen vielversprechende Ansätze zur separierten Betrachtung liefern.

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Designstudie von Rundknetwerkzeugen

Studentische Arbeit

Ausgangssituation

Rundkneten ist ein Massivumformverfahren, welches seit 50 Jahren erforscht wird. Das Vorschubverfahren wird industriell eingesetzt, um stangen- oder rohrförmige Bauteile im Durchmesser zu reduzieren. Dabei werden in der Industrie und auch in der Forschung konventionelle Werkzeuge eingesetzt, welche einen Einlaufwinkel zwischen 5° und 15° im Reduzierbereich haben. In den nachfolgenden Kalibrierbereich wird über einen Übergangsradius in einen ebenen Bereich übergeleitet. Dieser Bereich bestimmt die finale Geometrie und ist standardmäßig poliert. Am Ende des Kalibrierbereichs wird dann auch über einen Radius in den Auslaufbereich übergeleitet, welcher mit 3° abgewinkelt ist. Diese Geometrie wird üblicherweise für verschiedene Werkzeuge für unterschiedliche Zieldurchmesser genutzt. Eine Betrachtung der Werkzeuge zur gezielten Beeinflussung des Werkstoffflusses wurde bisher nur bedingt durchgeführt.

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Bestimmung der Geschwindigkeit bei der Hochgeschwindigkeitsumformung von Blechen

Studentische Arbeit

Ausgangssituation

Die Verfahren der Hochgeschwindigkeitsumformung sind durch eine Energieumsetzung in einem sehr kurzen Zeitraum charakterisiert. Dabei können hohe Beschleunigungen und hohe Werkstückgeschwindigkeiten auftreten, welche sich auf das Ergebnis der Umformung auswirken können. Ausgehend von dem Ziel, die Geschwindigkeit des Bleches bei elektromagnetischen Umformung zu ermitteln, müssen verschiedene Herausforderungen gelöst werden.

Zunächst läuft der Vorgang der Blechbewegung bzw. Umformung des Bleches in einem kurzen Zeitraum ab, wobei keine lineare Bewegung des Blechs vorliegt. Ausgehend vom Ziel, die Nichtlinearität der Bewegung möglichst umfassend zu erfassen, muss eine hohe Abtastfrequenz vorliegen. In Kombination mit dem geringen Weg, den das Werkstück bei der Umformung zurücklegt, ergeben sich weitere Anforderungen in Bezug auf die Bestimmung der Blechposition. So muss die Blechposition in sehr geringen zeitlichen und räumlichen Abständen bestimmt werden, wobei eine Bestimmung der Blechposition bei zwei aufeinander folgenden Zeitpunkten vorhanden sein muss.

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Untersuchung der Anisotropie des Werkstoffes nach dem Rundkneten mithilfe der FE-Simulation und DAMASK-Software

Master-/Projektarbeit

Ausgangssituation

Rundkneten ist ein inkrementelles Kaltmassivumformverfahren zur Verarbeitung von stangen- oder rohrförmigen Halbzeugen. Rundgeknetete Bauteile werden als Großserienprodukte in unterschiedlichen Anwendungen eingesetzt, z.B. in Lenkgetrieben von Kraftfahrzeugen.

Das Rundkneten verändert das ursprüngliche Werkstoffgefüge und damit die Festigkeit und Duktilität des Bauteils. Es wurde festgstellt, dass sich die Körner in radialer Richtung verkleinern und in axialer Richtung verlängern, wodurch ein anisotropes Gefüge entsteht. Durch den Einsatz der Finite Elemente Methode kann der Prozess simuliert werden. Die Methode liefert allerdings keine Daten über das anisotrope Verhalten bzw. die Textur des Werkstoffes.

Zielsetzung

Ziel dieser Arbeit ist es, auf Basis einer 2D-axialsymmetrischen FEM-Simulation einen Programmcode von DAMASK zu implementieren, um die Kristallplastizität und die Anisotropie bzw. Gefügeumwandlungen des durch Rundkneten umgeformten Werkstückes zu analysieren.

 

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Beurteilung der Qualität von Oberflächen mit Hilfe eines virtuellen Auges

Studentische Arbeit

Die optische Qualität von Oberflächen lässt sich bisher mit dem menschlichen Auge sehr viel schneller und zuverlässiger Beurteilen als durch messtechnische Methoden. Dabei besteht der Vorteil des Auges darin, Interferenzeffekte (Stichwort Regenbogen) die bei verschiedenen Wellenlängen auftreten gut zu erkennen. Die Abwesenheit von Interferenzeffekten ist ein guter Indikator für die Nutzbarkeit der erzeugten Oberfläche in optischen Anwendungen.

Im Rahmen dieser Arbeit soll eine Simulation aufgebaut werden, welche Lichtquelle, Oberfläche und Auge nachbildet. Aufgrund des zu erwartenden Rechenaufwands soll ein Großteil der Berechnungen auf Grafikkarten erfolgen. Anschließend werden reale Oberflächendaten mit Hilfe des Simulators bewertet.

 

 

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Exzentrisches Rundkneten mit Relativdrehzahl

Studentische Arbeit

Ausgangssituation

Das Rundkneten im Vorschubverfahren erweist sich als geeignet, neben der Zielgeometrie auch Halbzeugeigenschaften einzustellen. Durch experimentelle Untersuchungen wurde festgestellt, dass außer einer Formänderung durch den Rundknetprozess auch die Werkstoffeigenschaften, wie z.B. die Kaltverfestigung und die Mikrostruktur des umgeformten Drahtes, verändert werden. Eine Verkleinerung der Korngrößen bewirkt allgemein eine Verbesserung der Bauteilenschaften und insbesondere der Umformbarkeit.

Eine angepasste Prozessgestaltung, vor allem eine neuartige Werkzeuggeometrie, ermöglicht eine extreme Gefügeänderung durch das Einbringen massiver Scherdehnungen. Dieser Werkzeugsatz ist derart gestaltet, dass die Werkzeuge beim Schließen im Reduzierbereich kein zentriertes gleichseitiges Dreieck mehr bilden, Bild 1a). Ein Beispiel für ein durch exzentrisches Rundkneten erzielbares Gefüge ist in Bild 1 b) dargestellt. Eine weitere Methode, die Gefügestruktur zu beeinflussen, ist das Rundkneten mit kontrolliertem Schladfolgewinkel ∆φ (Winkeländerung zwischen Werkstück und Knetwelle bei zwei aufeinander folgenden Schlägen), siehe Bild 1 c). Gleichzeitig ist es eine Technik, um besondere Werkstückgeometrien und Werkstoffeigenschaften zu gewinnen. Ebenso beeinflusst die Variation des Schlagfolgewinkels die Oberfläche und Geometrie (Querschnitt) des Halbzeuges.

Hierbei ist von besonderem Interesse, wie weit sich das Gefüge, die Werkstoffeigenschaften und die Oberflächentopographie bei der Kombination von dem exzentrischen Rundkneten und Rundkneten mit variiertem Schlagfolgewinkel ändert.

Zielsetzung

Ziel dieser Arbeit ist es, einen Zusammenhang der Wechselwirkungen zwischen den zwei oben beschriebenen Varianten zu finden.

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Experimentelle Ermittlung von Werkstoffkennwerten

Studentische Arbeit

Ausgangssituation

Im Hinblick auf eine Effizienzsteigerung und Kostensenkung bei Versuchsdurchführungen wird parallel zu experimentellen Untersuchungen eine Modellierung und Simulation des Rundknetprozesses mit Hilfe der Finiten Elemente Methode durchgeführt. Für eine möglichst naturgetreue Abbildung und Analyse des Materialverhaltens werden Simulationsparameter, wie z.B. Fließkurven und Reibungswerte, benötigt. Die zugängliche Literatur liefert hier nur allgemeine Daten. Um die Simulation jedoch näher an die Realität heranzuführen, bedarf es weiterer Untersuchungen bezogen auf die eingesetzten Legierungen.

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Exzentrisches Rundkneten von Rohren

Studentische Arbeit

Ausgangssituation

Das Rundkneten im Vorschubverfahren erweist sich als besonders geeignet, die Halbzeugeigenschaften zur Erzeugung der Zielgeometrie zu variieren. Durch experimentelle Untersuchungen wurde festgestellt, dass außer der Formänderung ein Rundknetprozess die Werkstoffeigenschaften, wie z.B. Spannung und Dehnung, beeinflusst und die Mikrostruktur des umgeformten Drahtes verändert. Eine Verkleinerung der Korngrößen bewirkt allgemein eine Verbesserung der Bauteileigenschaften und insbesondere der Umformbarkeit.

Eine angepasste Prozessgestaltung, vor allem eine neuartige Werkzeuggeometrie, ermöglicht eine extreme Gefügeänderung durch das Einbringen massiver Scherdehnungen. Dieser Werkzeugsatz ist derart gestaltet, dass die Werkzeuge beim Schließen im Reduzierbereich kein zentriertes gleichseitiges Dreieck mehr bilden. Ein Beispiel für durch exzentrisches Rundkneten erzielbare typische Gefüge ist in Bild 1 dargestellt.

Hierbei ist von besonderem Interesse, wieweit ein feinkörniges Gefüge beim Rundkneten durch Rohre erreichbar ist und wie sich die Werkstoffeigenschaften des Hohlmaterials nach dem exzentrischen Rundkneten ändern.

Zielsetzung

Ziel dieser Arbeit ist die Fertigung von feinkörnigen Hohlprofilen durch exzentrisches Rundkneten.

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Untersuchung der plastischen Vergleichsdehnung beim Mikrorundkneten

Studentische Arbeit

Ausgangssituation

Rundkneten ist ein inkrementelles Kaltmassivumformverfahren zur Verarbeitung von stangen- oder rohrförmigen Halbzeugen. Rundgeknetete Bauteile werden als Großserienprodukte in unterschiedlichen Anwendungen eingesetzt, z.B. in Lenkgetrieben von Kraftfahrzeugen.

Das Rundkneten verändert das ursprüngliche Werkstoffgefüge und damit die Festigkeit und Duktilität des Bauteils. Es wurde festgstellt, dass sich die Körner in radialer Richtung verkleinern und in axialer Richtung verlängern, wodurch ein anisotropes Gefüge entsteht. Durch den Einsatz von neu entwickelten Werkzeugen mit flachem Kalibrierbereich und einer Anpassung der Prozesskinematik konnten Scherebenen in den Umformprozess eingebracht werden, die zu einer Verkürzung der Körner auch in axialer Richtung führen.

Eine planare 2D-Simulation mithilfe der Finite Elemente Methode bestätigte, dass die Scherebenen im Querschnitt der untersuchten Proben durch die tangentiale Komponente der plastischen Vergleichsdehnung abgebildet werden und stark von der Geometrie der Werkzeuge und der Prozesskinematik abhängen. Der axiale Werkstofffluss konnte allerdings aufgrund der fehlenden Dimension weder berücksichtigt noch untersucht werden.

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Charakterisierung von Oberflächen mit Hilfe der Ortsfrequenzanalyse

Studentische Arbeit

Die Ultrapräzisionsdiamantbearbeitung wird eingesetzt um Oberflächen mit sehr geringen Rauheiten (<10 nm) zu erzeugen. Analytisch ist es aktuell nicht ausreichend gut möglich die Qualität erzeugter Oberflächen zu bewerten. Im Rahmen dieser Arbeit sollen reale und simulierte Oberflächen mit Hilfe der Ortsfrequenzanalyse untersucht werden. Dabei steht im Vordergrund den Einfluss einzelner Prozessparameter, wie beispielsweise die Unwucht des Spindelrotors, zu isolieren. Der Hauptanteil dieser Arbeit beschäftigt sich mit der Auswertung der von der Ortsfrequenztransformation erzeugten Daten mit Hilfe von Methoden der Bildverarbeitung. 

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Einfluss der Hubhöhe beim Rundkneten

Studentische Arbeit

Rundkneten ist ein inkrementelles Massivumformverfahren und eignet sich in erster Linie zur Herstellung von stangen- oder rohrförmigen Bauteilen. Rundgeknetete Teile werden als Großserienprodukte in unterschiedlichen Anwendungen eingesetzt. Außer der Formänderung beeinflusst ein Rundknetprozess die Werkstoffeigenschaften, wie z.B. Fließspannung und Bruchdehnung, und verändert die Mikrostruktur des umgeformten Bauteils.

Bei Umformversuchen wurde festgestellt, dass die Prozessgestaltung sowie die Nockenhöhe der Grundbacke, die die Hubhöhe hT festlegt, einen starken Einfluss auf den Prozessverlauf und die Eigenschaften des Bauteils hat.

Zielsetzung

Ziel dieser Arbeit ist es, die Auswirkungen der Hubhöhenänderung systematisch zu untersuchen und die beobachteten Phänomene anhand der Prozessparameter zu erklären.

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Simulation des Werkstoffverhaltens bei der Hochgeschwindigkeitsumformung

Studentische Arbeit

Ausgangssituation

Die Verfahren der Hochgeschwindigkeitsumformung bieten durch ihre spezielle Charakteristik eine Möglichkeit, die Umformbarkeit von Werkstoffen zu verbessern. Dabei ist bekannt, dass durch die auftretende hohe Dehnrate die Fließspannung sinkt und die Bruchdehnung steigt. Dieser Zusammenhang kann bereits über verschiedene Werkstoffmodelle beschrieben werden. Es gibt jedoch speziell bei der elektromagnetischen Umformung weitere Größen (Temperatur, mech. Spannungszustand, etc.), die als Mechanismen die Umformbarkeit eines Werkstoffs beeinflussen. Der Einfluss dieser Größen lässt sich bisher nicht bzw. nicht umfassend in einem Werkstoffmodell zusammenfassen, sodass kein Werkstoffmodell für die Simulation von Hochgeschwindigkeitsumformprozessen vorliegt. Bei der Simulation von Hochgeschwindigkeitsumformverfahren wird bisher maßgeblich die aus der konventionellen Umformung bekannte Fließkurve auf verschiedene Arten angenähert, wobei verschiedene Herangehensweisen bekannt sind. Ausgehend vom Ziel das Werkstoffverhalten besser zu verstehen, soll daher in dieser Arbeit eine Möglichkeit erarbeitet werden, den Einfluss der Wirkmechanismen während der Umformung einzubeziehen.

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Überwachung von Bohrprozessen in Schichtverbunden

Studentische Arbeit

Das Bohren von Verbundwerkstoffen stellt hohe Anforderungen an die eingesetzten Werkzeuge. Werden insbesondere Schichtverbunde aus Werkstoffen mit stark unterschiedlichen Zerspanungseigenschaften betrachtet, wie z. B. Titan und CFK, einer typischen Verbundstruktur in der Luftfahrttechnik, stellt sich die Forderung nach einer prozessgeführten Nachstellung der Prozessparameter wie Vorschubgeschwindigkeit und Drehzahl. Eine rein von der Position gesteuerte Umschaltung ist bei solchen Anwendungen aufgrund von Schichtdickenschwankungen und der meist relativ großen Nachgiebigkeit gegenüber Kräften normal zur Bauteiloberfläche nicht zielführend.

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Innovative Schaltkonzepte für die Hochgeschwindigkeitsumformnung

Studentische Arbeit

Ausgangssituation

Die Hochgeschwindigkeitsumformung basiert in vielen Fällen auf gespeicherter elektrischer Energie, welche in kurzer Zeit umgesetzt wird. Für die Speicherung und Freisetzung der elektrischen Energie werden Impulsstromanlagen benötigt. Diese bestehen aus den Grundelementen Kondensatoren (Energiespeicher), Ladeeinheit und einem Schalter. Dieser besitzt die Funktion, eine kontrollierte schnelle Entladung der Kondensatoren zu ermöglicht, wobei hohe Ströme und Spannungen geschaltet werden müssen. Ausgehend von dieser Belastung kommt es bei vielen konventionellen Schaltkonzepten zu einem Versagen, welches sich in Verschleiß und/oder nicht reproduzierbaren Schaltverhalten zeigt.

Weitere Anforderungen an den Schalter für die Nutzung in der Hochgeschwindigkeitsumformung sind kurze Schaltzeiten, ein geringer elektrischer Widerstand und eine geringe Selbstinduktion. Bisher wird das Schalten durch ein Ignitron ermöglicht, welches auf der Verdampfung von Quecksilber zur Kontaktierung basiert. Aufgrund der hohen Kosten und weiterer funktionaler Nachteile stellt das Ignitron keine zufriedenstellende Lösung für die Hochgeschwindigkeitsumformung dar.

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