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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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Anfahrt & Lageplan

Von der A1

Vom Autobahnkreuz Dort­mund/Unna auf die A44 Rich­tung Dort­mund, diese geht in die B1 über. Ausfahrt Dort­mund-Dorstfeld, Rich­tung Uni­ver­si­tät (weiter siehe Karte).

Von der A 45

Ausfahrt Dort­mund-Eichlinghofen, Rich­tung Uni­ver­si­tät (weiter siehe Karte).

Alternativ kön­nen Sie sich die Anfahrt auch berechnen lassen: Google Maps.

Anreise mit der Bundesbahn bis Dort­mund oder Bochum Hbf.

Ab Dort­mund Hbf mit der S1 Rich­tung Düsseldorf bis zur Haltestelle Dort­mund Uni­ver­si­tät (7 Minuten Fahrzeit).

Ab Bochum Hbf mit der S1 Rich­tung Dort­mund bis zur Haltestelle Dort­mund Uni­ver­si­tät (14 Minuten Fahrzeit).

Die S-Bahn fährt in beide Richtungen regelmäßig alle 20 Minuten. Von der S-Bahn Haltestelle aus mit der H-Bahn (Haltestelle S-Uni­ver­si­tät) bis zur Haltestelle Cam­pus Süd (1 Station, fährt im 10 Minuten-Takt).

Zu den Wahrzeichen der TU Dort­mund gehört die H-Bahn. Linie 1 verkehrt im 10-Minuten-Takt zwischen Dort­mund Eichlinghofen und dem Technologiezentrum über Cam­pus Süd und Dort­mund Uni­ver­si­tät S, Linie 2 pendelt im 5-Minuten-Takt zwischen Cam­pus Nord und Cam­pus Süd. Diese Strecke legt sie in zwei Minuten zu­rück.

Vom Flughafen Dort­mund

Mit dem Taxi zur TU Dort­mund, Cam­pus Süd (min. 20 Min und 30,- EUR) (siehe Karte)

Vom Flughafen Düsseldorf

Mit der S-Bahn Linie S1 Rich­tung Dort­mund bis Haltestelle Dort­mund-Uni­ver­si­tät (ca. 90 Min). Von hier mit der H-Bahn Rich­tung Cam­pus Süd oder Eichlinghofen (fährt alle 10 Min) bis Cam­pus Süd (ca. 3 Min)

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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