Verbesserte Prozessstabilität bei der dreidimensionalen Papierumformung durch numerische Abbildung der Materialinhomogenität

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Peter Groche; Dr.-Ing. Marek Hauptmann
• Fachliche Zuordnung: Ur- und Umformtechnik, Additive Fertigungsverfahren
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 415796511

Ziel des Forschungsvorhabens ist die Verbesserung der Auslegung und Gestaltung von Prozessen der Papierumformung durch die Berücksichtigung der vorhandenen Materialinhomogenität. Hierzu soll der Einfluss der lokal unterschiedlichen Eigenschaften auf das makroskopische mechanische Verhalten des Materials erforscht und numerisch abgebildet werden. Zur Durchführung dieses Vorhabens kooperieren die Antragsteller der TU Dresden (VM/VT) und der TU Darmstadt (PtU). Diese profitieren von den komplementären Expertisen, wobei sie sich bislang auf konventionelle (VM/VT) und wirkmedienbasierte (PtU) Verfahren der Papierumformung fokussierten. Ansätze der Antragsteller für die numerische Prozessabbildung basieren auf mikromechanischen Modellen (VM/VT) und der Übertragung von etablierten Modellen der Metallumformung auf die Papierumformung (PtU). Im Stand der Technik sind widersprüchliche Aussagen über den Einfluss lokal inhomogen verteilter Materialeigenschaften wie der Dichte auf die globalen mechanischen Eigenschaften zu finden. Durch die Arbeiten im beantragten Vorhaben soll daher geklärt werden, welche Materialeigenschaftsschwankungen das makroskopische Verhalten signifikant beeinflussen. Dazu ist die Anwendung von unterschiedlichen Messmethoden wie der Formationsmessung, Digital Image Correlation und Thermographie vorgesehen. Diese werden zur Observation des lokalen, mechanischen Verhaltens in klassische Materialcharakterisierungsverfahren wie dem Zugversuch integriert. Bei der Aufprägung unterschiedlicher Belastungsszenarien lassen sich damit zusätzlich auch elastische und plastische Dehnungsanteile voneinander separieren.Die numerische Abbildung und Parametrierung der inhomogenen Materialeigenschaften auf Elementebene stellt den zweiten Kernteil des Forschungsvorhabens dar. Hierbei werden die zuvor ermittelten Daten genutzt und ein numerisches Modell in drei Ebenen entwickelt. Zusätzlich zum Teil, der den global ermittelten Kennwerten eine inhomogene Materialeigenschaftsstreuung auf Elementebene überlagert, werden Modelle zur Abbildung der Delamination als auch der Schädigung (Rissbeginn) entwickelt. Die drei Modellebenen werden durch den Abgleich mit Modellversuchen wie dem Zugversuch und dem Tiefungsversuch validiert. Abschließend wird das Modell in dreidimensionale, vollwertige Umformsimulationen integriert, um den Einfluss der Material- und Prozessparameter auf das Umformergebnis zu untersuchen. Die komplementären Erfahrungen der Antragsteller aus den Bereichen Papierumformung werden hier genutzt. Damit können Vorgaben für die umformgerechte Papierherstellung, die robuste Prozessauslegung sowie die Prozessregelung abgeleitet werden. Im Rahmen dieses Projektes wird die Frage geklärt, welche Eigenschaftsschwankungen im Material für die Streuung der makroskopischen Kennwerte verantwortlich sind. Die Ergebnisse ermöglichen die Entwicklung von Gestaltungsrichtlinien von Halbzeugen und Prozessen der Papierumformung.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen