SMS Meer GmbH - Metall-web.de

Simulation ermittelte Druckverlauf der
Kunststoffschmelze in der Kavität dargestellt.
Hierbei wird der Druck an der Stelle
ausgewertet, wo sich im realen Versuchsstand
der Drucksensor befindet. Bei dem
berechneten Polhöhenverlauf des Blechs ist
zu erkennen, dass der sprunghafte Anstieg
am Anfang der Einspritzphase aufgrund
der kleinen Kontaktfläche und dem
dadurch hohen Druck zustande kommt.
Infolge der Blechdeformation eröffnet sich
eine Kavität oberhalb des Blechs, die von
der Schmelze primär gefüllt wird. Daraus
resultiert, dass der Polhöhenanstieg nicht
mehr so stark ansteigt. Als weiteres Simulationsergebnis
wird die nach 28 Sekunden
berechnete Blechdickenverteilung
(Bild 3, unten rechts) abgebildet. Hierbei
ist zu erkennen, dass die Blechdicke bis
zum Blechpol stetig abnimmt.
In Bild 4 (oben) wird der gemessene und
berechnete Temperaturverlauf am Blechpol
dargestellt. Um den Wärmeübergang
zwischen der Kunststoffschmelze und
dem temperierten Blech zu realisieren,
wird auf das Blech in Abhängigkeit des
Wärmeübergangskoeffizienten und dem
Temperaturausgleichswert T ∞ eine Randbedingung
aufgebracht, die den gemessenen
Temperaturverlauf von AlMg3 widerspiegelt.
In Abhängigkeit der anfänglichen
Schmelztemperatur von 260 °C und der
Ausgangsblechtemperatur von 60 °C wird
hinsichtlich des oben genannten Wärmeübergangskoeffizienten
in der Simulation
ein T ∞ = 100 °C gewählt.
Zum Vergleich zwischen Simulations-
und Versuchsergebnissen werden darüber
hi naus der Druck in der Kavität und die
Polhöhe des Blechs herangezogen. Dazu
ist in Bild 4 (Mitte) der Kavitätsdruck
über die Polhöhe aufgetragen. Im Versuchsergebnis
wird dabei eine Druckbelastung
von 1 MPa herausgerechnet, die
bis zur Umformung durch die Schmelze
im Drucksensor aufgenommen wird.
Der berechnete Verlauf zeigt demzufolge
eine relativ gute Übereinstimmung
zum Versuchsergebnis. Die Ursache für
die minimale Abweichung kann an den
anisotropen Eigenschaften und am Entfestigungsverhalten
der Aluminiumlegierung
liegen.
In Bild 4 (unten) ist neben der optisch
vermessenen Realbauteilkontur die
berechnete Bauteilkontur nach einem
Einspritzvolumen von 28 cm3 dargestellt.
Unter Berücksichtigung der thermomechanischen
Modellierung von AlMg3
bei isotropem Materialverhalten wird eine
METALL | 65. Jahrgang | X-X/2011 1-2/2011
maximale Abweichung am Blechpol von
1,8 mm festgestellt.
Zusammenfassung und Ausblick
In diesem Beitrag wurde der gekoppelte
wirkmedienbasierte Blechumformprozess
mit Hilfe der FEM berechnet. Die
dreidimensionale Simulation des gekoppelten
Spritzgieß-Blechumformprozesses
erfolgte mittels des FE-Systems LS-DYNA.
Hierbei wurde das scherraten- und temperaturabhängige
Werkstoffverhalten der
Kunststoffschmelze PPH3060 sowie das
reale Umformverhalten des Blechmaterials
AlMg3 berücksichtigt. Die gute Übereinstimmung
zwischen der berechneten
und gemessenen Bauteilhöhe sowie dem
Kavitätsdruck und der Temperaturentwicklung
im Blechmaterial weist auf eine
realitätsnahe und genaue Modellierung
des betrachteten PIF-Prozesses hin.
In einem weiteren Schritt wird die für verschiedene
Temperaturen ermittelte Anisotropie
bei der plastischen Umformung des
Blechmaterials berücksichtigt. Hierzu soll
die Implementierung der Anisotropiewerte
über User-Subroutinen in das verwendete
FE-System LS-DYNA erfolgen.
Danksagung
Die vorgestellten Arbeiten wurden im
Rahmen des Teilprojektes 4 des Graduiertenkollegs
1378 „Herstellung, Bearbeitung
und Qualifizierung hybrider Werkstoffsysteme“
durchgeführt. Die Autoren danken
der Deutschen Forschungsgemeinschaft
(DFG) für die finanzielle Unterstützung
dieses Projektes.
Literatur
[1] CORUS America Inc.: “Steel/Polymer products
made via polymer injection forming”.
Advanced Materials & Processes, Band 162,
Heft 6, S. 21, 2004
[2] H. Reinartz, R. Mäsing, G. Hirt: „Hochdruckblechumformung
durch Kunststoffhinterspritzen“.
25. Aachener Stahlkolloquium,
Aachen, Deutschland, 11./12. März,
S. 165-174, 2010
[3] P. F. Bariani, S. Bruschi, A. Ghiotti, G. Lucchetta:
“An Approach to Modelling the
Forming Process of Sheet Metal-Polymer
Composites”. CIRP Annals - Manufacturing
Technology, Vol.56, S. 261-264, 2007
[4] R. Baesso: “Numericial and Experimental
Investigation of the Polymer Injection
Forming Process”. Dissertation, Universität
Padua, 2008
[5] M. M. Hussain, B. Rauscher, A.E. Tekkaya:
„Wirkmedienbasierte Herstellung hybrider
Metall-Kunststoff-Verbundbauteile mit
Kunststoffschmelzen als Druckmedium“.
Materialwissenschaft und Werkstofftechnik,
Vol. 39, S. 627-632, 2008
METALL-FORSCHUNG
METALL-RUBRIK
Bild 4: Vergleich zwischen Simulations- und
Versuchsergebnissen
[6] E. Voce: “A Practical Strain-Rate-Hardening
Function”, Metallurgia, Vol. 51, S. 219-226,
1955
[7] M. M. Hussain, A.E. Tekkaya: “Investigation
on the use of polymer melt as a pressure
medium in sheet metal forming“. Kolloquium
Graduiertenkolleg 1378/1 „Herstellung,
Bearbeitung und Qualifizierung
hybrider Werkstoffsysteme“, S. 68-76, ISBN
978-3-941416-59-8, 2010
(1) Prof. Dr.-Ing. B.-A. Behrens, Leiter
des Instituts für Umformtechnik und
Umformmaschinen (IFUM) der Leibniz
Universität Hannover,
(2) Dr.-Ing. A. Bouguecha, wissenschaftlicher
Mitarbeiter am IFUM,
(3) M. Sc. Tobias Götze, wissenschaftlicher
Mitarbeiter am IFUM,
31