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Effiziente Modellierung der Spanbildung im orthogonalen Schnitt durch Verwendung isogeometrischer Analyse und moderner Methoden der Material­charakteri­sierung

Im Rah­men dieses von der Deut­schen Forschungs­gemein­schaft (DFG) geför­derten Projektes wird das The­ma der Spanbildungssimulation und die damit erreichbare Vorhersagbarkeit von Prozessgrößen bei spanenden Fertigungs­verfahren betrachtet. Die finite-elemente-basierte Spanbildungssimulation stellt heute eine häufig eingesetzte und auch in kommerziellen Simulations­umgebungen verfügbare Methode zur detaillierten Abbildung der thermo­mechanisch komplexen Vorgänge in der unmittelbaren Um­ge­bung der Werk­zeugschneide bei Zerspanprozessen dar. Zurzeit existieren allerdings Limitie­rungen für diese Methode, die es zum einen lediglich er­lau­ben, sehr kurze Ausschnitte aus realen Zerspanprozessen abzubilden und die zum anderen zu einer stark reduzierten Validität der ver­wen­de­ten Modelle vor allem in Bezug auf die quantitative Vorhersage von Prozessgrößen führen. Ein Teil dieser Limitierungen resultiert aus den zurzeit ver­wen­de­ten Material- und Reibungs­formulierungen. Darüber hinaus existieren klare Indizien dafür, dass die Vernetzung einen großen Einfluss auf die Ergebnisgenauigkeit und auch auf die generelle Abbildbarkeit einzelner Phänomene, wie z. B. der Bildung von Scherbändern, ausübt. Diese Abhängigkeiten sollen durch den Ein­satz neuartiger numerischer Methoden, wie der isogeometrischen Analyse (IGA) und der Raumzeit-Finite-Elemente-Methode, aufgelöst bzw. stark reduziert wer­den.

Konkret besteht das über­geord­nete wis­sen­schaft­liche Ziel des Projekts darin, eine moderne Spansimulationsumgebung basierend auf der isogeometrischen Analyse (IGA) in Verknüpfung mit der aus der Fluiddynamik bekannten Deforming-Spatial-Domain / Stabilized-Space-Time-(DSD/SST)-Methode be­reitzustellen und deren Effizienz und Genauigkeit, ins­be­son­de­re bezüglich der Abläufe in der primären und sekundären Scherzone, aber auch in der unmittel­baren Bauteilrandzone, zu charakterisieren. Besonderes Augenmerk soll dabei auf die Verwendung moderner Methoden zur Charak­teri­sierung der konstitu­tiven Materialmodelle gelegt wer­den, um von dieser Seite eine gute Validität der erzielten Resultate zu gewährleisten. Dazu wurden Fließspannungscharakteri­sierungen für die zu untersuchenden Werkstoffe C45 und Ti6Al4V mit­hil­fe eines am ISF verfügbaren Split-Hopkinson-Pressure-Bar (SHPB) durch­ge­führt. Auf Basis der Er­geb­nisse konn­ten dann phänomenologische Materialmodelle parametriert wer­den, welche die Ab­hän­gig­keit von der Dehnung, der Dehnrate und der Temperatur be­schrei­ben. Außerdem ist es ge­lungen, durch die Verwen­dung eines speziell für die Zerspanung entwickelten Versuchsstands zur Reibungscharakterisierung von der Relativgeschwindigkeit abhängige Modelle für den Reibungskoeffizienten nach Coulomb zu ent­wi­ckeln. Im Vergleich zur Verwendung konstanter Werte ermöglichen diese erweiterten Formulierungen eine bessere Beschreibung der Reibung in den sekundären Scherzonen.

Auf der methodischen Seite steht die Erlangung eines grundlegenden Verständnisses des Verhaltens der IGA bei der Modellierung dynamischer Kontaktprobleme unter Verwendung thermodynamisch gekoppelter Materialfor­mulierungen im Vordergrund. Insbesondere die weitgehende Vermeidung numerisch induzierter Fehler, die bei der kontinuierlichen Neuvernetzung entstehen, bedeuten einen erheblichen wis­sen­schaft­lichen Fortschritt. Zur Validierung der Er­geb­nisse fanden ex­peri­men­telle Zerspanungsversuche statt.

Als erster Anwendungsfall für die Modellierung mit der neuartigen Methode diente eine mit dem Split-Hokinson-Pressure-Bar-Versuchsprinzip vergleich­bare dynamische Zylinderstauchung. Das Materialverhalten wurde dabei aus der experimentellen Fließspannungscharakterisierung ab­ge­lei­tet. Ein Vergleich mit Finite-Elemente-Simulationen in ei­nem kommerziellen System zeigte eine gute Übereinstimmung des vorhergesagten Deformationsverhaltens.

© ISF
Split-Hopkinson-Pressure-Bar-Versuchsstand zur Gewinnung von Fließspannungsdaten unter hohen Verformungsgeschwindigkeiten

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Die Ein­rich­tun­gen der Technischen Uni­ver­si­tät Dort­mund verteilen sich auf den größeren Campus Nord und den kleineren Campus Süd. Zudem befinden sich einige Bereiche der Hoch­schu­le im angrenzenden Technologiepark. Genauere In­for­ma­ti­onen kön­nen Sie den Lageplänen entnehmen.

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