Umformung mittels vaporisierender Aktuatoren: Experimente und Modellierung

Abstract

Bei der dynamischen Blechumformung mittels vaporisierender Aktuatoren wird versucht die gewaltvolle Expansion einer metallischen Folie zu nutzen, die entsteht, wenn ein hoher Kondensatorentladestrom diese binnen kürzester Zeit bis in die Gasphase erhitzt. Zwar sind für diesen durchaus flexiblen Prozess einige Anwendungen und experimentelle Grundlagenuntersuchungen bekannt, einen allgemeinen makroskopischen Modellierungsansatz gab es bisher jedoch noch nicht. Deshalb werden in dieser Arbeit derartige Ansätze erarbeitet, die sowohl das physikalische Prozessverständnis erhöhen als auch eine vollständige Prozessauslegung ermöglichen. Dazu werden zwei aufeinanderfolgende Teilprozesse getrennt betrachtet; zuerst die elektrische Energieeinbringung in den Folienaktuator bis zum sogenannten Berstpunkt, dann die eigentliche mechanische Werkstückumformung. Um letztlich eine rein prediktive Berechnung zu gewährleisten, werden zunächst Experimente durchgeführt, die v. a. die Etablierung eines Aktuatorwerkstoffgesetzes ermöglichen, das jegliche Prozessparametereinflüsse auf die erreichbare Energieeinbringung widerspiegeln kann. Nach einer diesbezüglichen numerischen Analyse wird schließlich ein analytisches Modell für die Vorhersage der Energieeinbringung entwickelt. Jene Energieeinbringung bestimmt als Anfangsbedingung für die Simulation des zweiten Teilprozesses den Berst- bzw. Vaporisationsdruck. Dieser wird impulsartig auf das Blech übertragen, wodurch die u. a. dehnratenabhängige und aufgrund der Trägheit inhomogene Umformung voranschreitet. Der gasförmig expandierende Aktuator wird dabei mit einer netzfreien Partikelmethode modelliert, während die damit interagierenden Festkörper der Finite-Elemente-Methode genügen. Zuvor mittels speziellem Laser bei freier Umformung gemessene Geschwindigkeits- bzw. Verschiebungsverläufe von Stahlblechen validieren den gewählten Modellierungsansatz, womit nun ein durchgängiges Prozessmodell zur Verfügung steht. Zudem werden räumlich flexible Vaporisationsdruckverteilungen mithilfe eines weiter vereinfachten Umformmodells evaluiert und bauteilbezogen optimiert. Im Rahmen einer beispielhaften, experimentellen Umsetzung werden unter Zuhilfenahme der Analytik erstmals zwei unterschiedliche Vaporisationsbereiche - d. h. Aluminiumfolien - für die Ausformung unterschiedlicher, verbundener Bauteilhöhen parallel geschaltet. Abschließend werden noch Konzepte aufgezeigt, die zum einen die Flexibilität und zum anderen die Berechnungseffektivität des noch jungen Fertigungsverfahrens weiter steigern könnten.