Simulation von Schneidprozessen

Bei der industriellen Serienfertigung komplexer Blechbauteile wird nahezu immer eine Kombination aus Schneid- und Umformverfahren eingesetzt. Dies hat zur Folge, dass jedes Blechteil im Laufe des Produktionsprozesses ein- oder mehrmals beschnitten werden muss. Der Einsatz der numerischen Simulation in diesen Schneidprozessen ermöglicht eine signifikante Erweiterung des Prozessverständnisses. Die Untersuchung des Einflusses verschiedener relevanter Prozessparameter ist ein wesentliches Element bei der Konzipierung neuer Prozesse und Schneidwerkzeuge. So können z. B. der Verschleiß der Werkzeugaktivelemente und die Bauteilqualität mit hoher Genauigkeit prognostiziert werden.  

Die Simulation von Schneidprozessen dient speziell der Visualisierung und Analyse von Prozessdaten, die im Experiment nicht oder nur mit großem Aufwand bestimmt werden können. Eine wichtige Rolle spielen hierbei u. a. die detaillierte lokale Verteilung und der zeitliche Verlauf der Dehnungen und Dehnraten im Werkstück. Ebenfalls relevant sind die Spannungsverteilung und die Anteile von Druck- und Zugspannungen in der Scherzone. 

Ein besonderer Einsatzfall für die numerische Simulation ist das Hochgeschwindigkeitsscherschneiden (HGSS). Hierbei wird unter lokalisierter Scherbelastung das Material zunächst stark deformiert und dann getrennt. Dabei kommt es für viele Werkstoffe infolge der hohen lokalen Dehnungen in Verbindung mit der kurzen Prozesszeit zu einer signifikanten Erwärmung in der Scherzone und zur Ausbildung eines sogenannten adiabatischen Scherbandes. Dieser hohe Temperaturanstieg macht es unerlässlich, dass spezielle dehnratenabhängige und thermomechanisch gekoppelte Modelle mit hoher Ortsauflösung genutzt werden.  

Die Auswahl des richtigen Materialmodells und -parameter ist von hoher Relevanz. Bei Schneidprozessen ist neben einem dehnraten- und temperaturabhängigen plastischen Modell des Materialverhaltens auch die Wahl eines geeigneten Schädigungsmodells entscheidend. Abhängig von der Prozessgeometrie und dem Zweck der Analyse können axialsymmetrische 2D-Modelle mit Schalenelementen oder ein 3D-Modell mit Volumenelementen für z. B. spezielle asymmetrische Stempelgeometrien verwendet werden. 

Unabhängig von der Art des gewählten Modells ist es wichtig, dass die Elemente in der Scherzone ausreichend fein sind. Dies trägt zu einer hohen Ortsauflösung der Temperaturverteilung und einer korrekten Darstellung der resultierenden Schnittfläche bei. Die Materialtrennung ist abhängig von den im jeweiligen Schädigungsmodell hinterlegten Bruchkriterien. Die am häufigsten verwendeten Modelle sind GISSMO und Johnson-Cook. Für diese Schädigungsmodelle werden am Fraunhofer IWU auch experimentelle Werkstoffuntersuchungen zur Ermittlung der erforderlichen Parameter in einem großen Bereich an Dehnraten und Temperaturen durchgeführt.