{"id":236,"date":"2017-11-02T13:47:16","date_gmt":"2017-11-02T12:47:16","guid":{"rendered":"https:\/\/www.hsu-hh.de\/tet\/?page_id=236"},"modified":"2017-11-02T14:48:34","modified_gmt":"2017-11-02T13:48:34","slug":"elektromagnetische-blechumformung-pak-343","status":"publish","type":"page","link":"https:\/\/www.hsu-hh.de\/tet\/elektromagnetische-blechumformung-pak-343","title":{"rendered":"Elektromagnetische Blechumformung PAK-343"},"content":{"rendered":"

Bei der elektromagnetischen Blechumformung (EMU) handelt es sich um einen kontaktfreien Hochgeschwindigkeits-Prozess. Dabei werden durch pulsf\u00f6rmige Magnetfelder Wirbelstr\u00f6me in metallischen Werkst\u00fccken induziert. Die resultierende Lorentz-Kraft bewirkt die Umformung des Werkst\u00fccks. Die erforderlichen Magnetfelder mit Scheitelwerten von einigen Tesla werden durch die Entladung einer Kondensatorbank in eine Werkzeugspule erzeugt, wobei der Spulenstrom typischerweise innerhalb einer Zeit von 10 \u00b5s auf Werte um 30000 A steigt. Die gesamte Prozessdauer liegt in der Gr\u00f6\u00dfenordnung von 100 \u00b5s. Nur in wenigen F\u00e4llen ist elektromagnetische Umformung als Einzelprozess effizient,\u00a0z.B.<\/abbr>\u00a0beim F\u00fcgen rohrf\u00f6rmiger Werkst\u00fccke. Hingegen eignet sich elektromagnetische Umformung hervorragend zur Erweiterung klassischer Formgebungsgrenzen im Rahmen einer Kombination mit anderen quasistatischen Prozessen, wie dem klassischen Tiefziehen. Gemeinsam mit Partnern aus der Fertigung (IUL Dortmund\u00a0 ), den Materialwissenschaften (IW Hannover\u00a0 ) und der Mechanik (IFAM Aachen\u00a0 ) arbeiten wir, im Rahmen des DFG PAK-343, an der Beschreibung und Optimierung solcher gekoppelter Prozesse. Dabei sind wir an drei Schwerpunkten interessiert:<\/p>\n

\"lorentz\"\"start_configuration\"\"von_Mises_Stress\"<\/p>\n

Optimierung von Prozessparametern:<\/p>\n

Es hat sich herausgestellt, dass die Formgebung bei gekoppelten Prozessen empfindlich von den Prozessparametern abh\u00e4ngt. Da eine kurze Entwicklungszeit („Time to Market“) heutzutage entscheidend f\u00fcr den wirtschaftlichen Erfolg eines neuen technischen Konzepts ist, besteht ein gro\u00dfes Interesse daran, die Anzahl der durchzuf\u00fchrenden Experimente m\u00f6glichst klein zu halten und statt dessen so weit wie m\u00f6glich durch eine rechnergest\u00fctzte Prozess-Identifikation (Virtual Design) zu ersetzen. Ein virtuelles Produktdesign kann in vielen F\u00e4llen mathematisch als ein Optimierungsproblem mit Nebenbedingungen (Constraints) modelliert werden. Im Falle des virtuellen Designs von kombinierten Prozessen mit elektromagnetischer Umformung kann als Zielfunktion die Abweichung des Werkst\u00fccks von einer vorgegebenen idealen Form im Sinne gemittelter Fehlerquadrate betrachtet werden. Als Nebenbedingung sind zun\u00e4chst die Intervalle, in denen die Parameter einstellbar sind, zu ber\u00fccksichtigen. Hinzu kommen weitere Nebenbedingungen, die erzwingen, dass nur Parameter zul\u00e4ssig sind, die nicht zu Materialversagen f\u00fchren,\u00a0d.h.<\/abbr>, die sicherstellen, dass die auftretenden Umformpfade im Rahmen des Form\u00e4nderungsverm\u00f6gens des Werkst\u00fccks bleiben. Als einzustellende Parameter werden Parameter des Spulenstroms, Geometrieparameter des formgebenden Werkzeugs und tribologische Randbedingungen betrachtet. Die zu minimierende Zielfunktion wird \u00fcber eine Finite-Elemente-Simulation von Tiefziehen und anschlie\u00dfender elektromagnetischer Umformung berechnet. Letzteres erfordert eine voll gekoppelte Finite-Elemente-Simulation der mechanischen und transienten elektromagnetischen Felder. Auf der elektrotechnischen Seite ist die magnetoquasistatische N\u00e4herung relevant. Das raten- und vordehnungsabh\u00e4ngige Form\u00e4nderungsverm\u00f6gen des Werkstoffs wird mittels von unseren Partnern ma\u00dfgeschneiderter Materialmodelle beschrieben.<\/p>\n

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\"chart\"\"003_Kraft-Weg\"<\/p>\n

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Bestimmung von Materialparametern:<\/p>\n

Die Simulation von komplexen Belastungssituationen, wie sie bei der gekoppelten Umformung auftreten, erfordert Materialmodelle, welche das vielschichtige Materialverhalten m\u00f6glichst genau wiedergeben. Solche Materialmodelle h\u00e4ngen in der Regel von vielen Modellparametern ab, die im allgemeinen keinen direkte physikalische Bedeutung haben oder nicht direkt messbar sind. Stattdessen m\u00fcssen die Parameter durch mathematische Optimierung eingestellt werden. Wir verwenden von unseren Partnern durchgef\u00fchrte Sch\u00e4digungsversuche (Nakajima Tests) und entsprechende Simulationen um die Parameter der zugrundeliegenden Modelle so einzustellen, dass die Simulation m\u00f6glichst genau mit den Experimenten \u00fcbereinstimmt. Die so eingestellten Modelle werden dann an komplexeren Situationen, wie der gekoppelten Blechumformung, validiert. Durch die geschickte Kopplung von Simulationen und mathematischer Optimierung ist es unser Ziel eine Methode zu entwickeln, die bei einer gro\u00dfen Klasse von Modellen einen zuverl\u00e4ssigen Satz an Parametern liefert.<\/p>\n

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\"times_mod\"<\/p>\n

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Alternative und effiziente Optimierungsmethoden:<\/p>\n

Bei der oben beschriebenen simulationsgetriebenen Optimierung wird f\u00fcr alle Funktions- und Ableitungsauswertungen eine Simulation des zugrundeliegenden Problems durchgef\u00fchrt. Diese Simulationen k\u00f6nnen gerade bei gekoppelten Problemen, wie der elektromechanischen Situation, sehr aufw\u00e4ndig und rechenintensiv sein. Es liegt daher nahe nach alternativen Ans\u00e4tzen zur Optimierung von Prozessparametern zu suchen. Die SAND (simultaneous analysis and design) Formulierung bietet dabei einen Zugang, der bei bekannten Systemmatrizen auf die direkte Simulation des Prozesses verzichtet. Da allerdings die Steifigkeitsmatrizen (im Falle von FEM Simulationen) bekannt sein m\u00fcssen, k\u00f6nnen keine kommerziellen Programme verwendet werden. Wir versuchen daher eigene L\u00f6sungsverfahren zum L\u00f6sen von gekoppelten Problemen zu entwickeln, um diese dann f\u00fcr die Formulierung geeigneter Optimierungsprobleme zu nutzen.<\/p>\n

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Kontakt :\u00a0Marco Rozgic<\/p>\n

Die Bilder wurden uns zum Teil von Herrn\u00a0Dipl.-Ing.<\/abbr>\u00a0Yalin Kiliclar\u00a0 \u00a0zur Verf\u00fcgung gestellt.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

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