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Numerische Berechnung der
Umformung von Aluminiumblechen
mittels Kunststoffschmelzedruck
Behrens, B.-A. (1); Bouguecha, A. (2); Götze, T. (3)
Im Rahmen dieser Arbeit wird die numerische Simulation eines wirkmedienbasierten
Blechumformprozesses vorgestellt. Hierbei wird das scherraten- und temperaturabhängige
Fließverhalten der Kunststoffschmelze berücksichtigt, die das aktive
Umformelement im Herstellungsprozess darstellt. Infolge des Wirkmediendrucks
wird das Umformformverhalten der als Blechwerkstoff eingesetzten Aluminiumlegierung
AlMg3 numerisch abgebildet. Die Berechnungsergebnisse zeigen insbesondere
für die Blechdeformation eine gute Übereinstimmung mit der Realität.
Ein Verfahren zur Herstellung
hybrider Kunststoff-Blech-Bauteile
ist das so genannte ‚Polymer
Injection Forming’ (PIF). Dieses
Herstellungsverfahren zeichnet sich
dadurch aus, dass die Kunststoffschmelze
während der Blechumformung als aktives
Umformelement dient. Nach der Umformung
des Blechs härtet der schmelzflüssige
Kunststoff aus und bildet mit dem Blech
über einen geometrischen Hinterschnitt,
einer Perforation oder durch einen thermisch
aktivierten Haftvermittler einen
hybriden Bauteilverbund. Mit dem von
der Firma CORUS entwickelten Verfahren
[1] lassen sich die zuvor getrennten
Herstellungsstufen der Blechumformung
und dem anschließendem Hinterspritzen
der Kunststoffschmelze kombinieren und
somit effektiv Kosten einsparen.
Neben der Auswahl der Verbundpartner
ermöglicht die unbegrenzte Formgebungsvielfalt
der Kunststoffschmelze
eine individuelle Gestaltungsfreiheit
METALL | 65. Jahrgang | X-X/2011 1-2/2011
und hinsichtlich des späteren Anforderungsprofils
optimierte Werkstoffeigenschaften
des Bauteils. Mit dem Einsatz
von Leichtmetallen, wie z.B. Aluminium,
wird der Leichtbaucharakter der Hybridbauteilverbunde
unterstützt.
Aufgrund der zunehmenden Kosten- und
Gewichtseinsparungen wird diese Art
von Hybridbauteilen vermehrt im Fahrzeuginnenraum,
in Haushaltsgeräten und
in der Unterhaltungselektronik eingesetzt
[2, 3]. Dabei wird häufig der Kunststoff als
Trägermaterial und das Metall als Oberfläche
(Haptik und Optik) eingesetzt. An
die Herstellung dieser Bauteilverbunde
werden allerdings hohe Anforderungen
gestellt.
Wie bereits erwähnt, ermöglicht das
PIF-Verfahren die wirkmedienbasierte
Blechumformung mittels der Kunststoffschmelze.
Hierbei interagieren zwei
Materialien mit unterschiedlichen temperaturabhängigenWerkstoffeigenschaften.
Unter diesen Gesichtspunkten ist eine
Bild 1: Temperaturabhängiges Materialverhalten der betrachteten Werkstofffehler
METALL-FORSCHUNG
METALL-RUBRIK
Produktentwicklung nur durch ein hohes
Maß an Wissen hinsichtlich der Werkstoffauswahl
und der Prozessparameter
zu gewährleisten, die ohne moderne technische
Hilfsmittel schwer zu bestimmen
sind und daher zu hohen Entwicklungszeiten
führen.
Mit Hilfe der Finite-Element Methode
(FEM) lässt sich während der Entwicklungsphase
eine zielsichere Bauteilgestaltung
erreichen. Damit wird eine
Reduzierung der Entwicklungszeiten
gewährleistet und die freigesetzten Ressourcen
können anderweitig eingesetzt
werden. Bei der FE-Simulation des wirkmedienbasierten
Blechumformprozesses
muss das temperaturabhängige Fließverhalten
der Kunststoffschmelze sowie
die Metallkomponente, welche ebenfalls
ein temperaturabhängiges Materialverhalten
aufzeigt, berücksichtigt werden.
Sowohl experimentelle als auch numerische
Untersuchungen auf dem Gebiet der
gekoppelten Spritzgieß-Blechumformung
werden in [2, 4, 5] durchgeführt. Im Rahmen
dieser Arbeit wird das Umformverhalten
von Aluminiumblechen unter dem
schmelzflüssigen Wirkmediendruck mittels
der FEM numerisch abgebildet. Das
gekoppelte Schmelz- und Strukturverhalten
in Abhängigkeit der Temperatur wird
Tabelle 1: Thermische Materialkennwerte
der betrachteten Werkstoffe
mit dem FE-System LS-DYNA berechnet.
Für die Validierung der Berechnungen
werden zum Vergleich experimentelle
Daten aus der Literatur herangezogen
und den Simulationsergebnissen
gegenübergestellt.
Werkstoffcharakterisierung
Das Fließverhalten der Kunststoffschmelze
ist eine wichtige Randbedingung in
der numerischen Abbildung des PIF-
Verfahrens. Das strukturviskose Materialverhalten
zeichnet sich dahingehend
aus, dass mit zunehmender Scherrate die
Viskosität bzw. der Fließwiderstand der
Schmelzflüssigkeit abnimmt. Darüber
hinaus nimmt die Viskosität mit steigender
Temperatur ab. In Bild 1 (links) sind
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