Institut für Angewandte Materialien – Werkstoffkunde

Werkstoffmodellierung und Prozesssimulation

Simulationsmodelle Wärmebehandlung

Im Kontext der stetigen Weitentwicklung von Wärmebehandlungsprozessen müssen die sich einstellenden Mechanismen immer präziser abgebildet werden. Hierzu dienen am IAM entwickelte Simulationsroutinen die in wechselseitiger Abhängigkeit die mechanischen, thermischen und metallurgischen Modelle in Abhängigkeit der Zeit und Temperatur berechnen. Besonderer Fokus wird hierbei auf die Beschreibung der sich ergebenden Gefügebestandteile und der daraus resultierenden Bauteileigenschaften gelegt. Um konturgetreue Eigenschaften einstellen zu können, dienen Simulationsmodelle als Basis der Prozessauslegung. Hierzu stehen am Institut Modelle der thermochemischen Diffusionssimulation, der metallurgischen Phasenumwandlung beim Aufheizen und Abschrecken sowie der sich einstellenden Härte- und Eigenspannungsprofile zur Verfügung.

Die Simulation von möglichen Problemstellungen reicht dabei von der klassischen Ofenwärmebehandlung mit anschließender Abschreckung, über das Induktionshärten von Zahnrädern bis hin zur simulativen Abbildung von Sonderapplikationen wie beispielsweise der Internal Quenching-Anlage zur Härtung von schwerzugänglichen Bauteilregionen.

Im diesem Bereich arbeiten wir an den Themen:

Mechanische Oberflächenbehandlung

Zur Prozesssimulation der mechanischen Oberflächenbehandlungen wurde in der Abteilung Fertigung und Bauteilverhalten eine Reihe dynamischer Finite-Elemente-Modelle (FE) entwickelt, die kontinuierlich gepflegt und erweitert wird. Dabei konnten in verschiedenen Projekten die Prozesse Kugelstrahlen, Ultraschallkugelstrahlen und maschinelles Oberflächenhämmern abgebildet werden. Generelles Ziel der FE-Simulation mechanischer Oberflächenbehandlungen ist die Vorhersage verschiedener Randschichtcharakteristika, wie dem Eigenspannungszustand und der Oberflächenrauheit, um darauf basierend Aussagen über das erwartete Bauteilverhalten treffen zu können. Speziellere Ziele der Simulation mechanischer Oberflächenbehandlungen können jedoch auch die Vorhersage lokaler Schädigung (etwa durch zu intensive Bearbeitung) oder von Trennvorgängen (etwa beim Zunderstrahlen) betreffen. Dabei wird stets auch die Modelltauglichkeit und die Vorhersagegüte durch kombinierte Parameter- und Sensitivitätsanalysen geprüft.

Aufgrund der hohen Dynamik der Prozesse werden die Simulationen mit explizitem Gleichungslöser (Solver) durchgeführt. Die Eingangsdaten werden mit Hilfe von Python-Skripten erstellt und erlauben die schnelle Anpassung von Prozess- und Modellparametern. Für die eigentliche Simulation wird die kommerziell erhältliche FE-Software Abaqus verwendet. Aufgrund der prozessinhärent teils hohen Dehnraten (etwa beim Kugelstrahlen) muss für eine adäquate Modellierung des Werkstoffverhaltens auf spezielle Werkstoffmodelle zurückgegriffen werden. Hierfür verwenden wir viskoplastische Materialmodelle mit kombinierter isotrop-kinematischer Verfestigung unter Berücksichtigung adiabater Erwärmung, wie etwa das konsistent-viskoplastische Werkstoffmodell von Abed & Voyadjis. Die Kalibrierung dieser Modelle erfolgt mit einer Reihe verschiedener Experimente wie etwa Hochgeschwindigkeitszugversuchen, Hoch- und Tieftemperaturzugversuchen sowie zyklischen Versuchen.

Im diesem Bereich arbeiten wir an dem Thema:

Additive Fertigung

In der Abteilung Fertigung und Bauteilverhalten werden zur Simulation der laserbasierten additiven Fertigung mehrere Finite-Elemente-Modelle auf verschiedenen Größenskalen entwickelt und miteinander gekoppelt. Übergeordnetes Ziel ist hierbei die Vorhersage der in additiv gefertigten Bauteilen herrschenden Eigenspannungen sowie der daraus resultierende Bauteilverzüge.

Weiterführend werden Modelle zur Abbildung der sich infolge der Temperaturhistorie ausbildenden Gefügebestandteile entwickelt, um somit die daraus resultierenden Bauteileigenschaften beschreiben zu können.

Im diesem Bereich arbeiten wir an dem Thema: