Umformung mittels vaporisierender Aktuatoren: Experimente und Modellierung
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Date
2023
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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.
Description
Table of contents
Keywords
Blechumformung, Dynamik, Charakterisierung, Simulation