Charakterisierung und Modellierung des Umform- und Versagensverhaltens für Folien (FoliForm)

Motivation

Die Energiewende bildet das Fundament für eine sichere, umweltfreundliche und wirtschaftlich erfolgreiche Zukunft. In Deutschland liegt ein Schwerpunkt auf klimafreundlicher Elektromobilität und Wasserstofftechnologien. Für deren Entwicklung müssen dünne metallische Folien (20 – 200 µm) mechanisch charakterisiert und die Kennwerte in FE-Software integriert werden, um Prozesssicherheit und Bauteilqualität zu gewährleisten.

Konventionelle Prüfmethoden wie Zug- und Scherversuche stoßen bei dünnen Folien an Grenzen. Mikrostrukturelle Effekte (z. B. Korngrößenverhältnis zur Blechdicke, Lüdersbänder) und prozessbedingte Einflüsse (Reibung, Faltenbildung, ungenaue Kraft-/Wegmessung, zu hohe Klemmkräfte) führen zu ungenauen und streuenden Kennwerten. Dies erschwert die numerische Auslegung erheblich und erhöht die Ausfallraten.

Ein wesentlicher Einflussfaktor ist die Korngröße: Kleinere Körner erhöhen die Festigkeit (Hall-Petch-Beziehung). Sinkt jedoch das Verhältnis von Blechdicke zu Korngröße, nimmt die Umformbarkeit ab. Diese Größeneffekte verfälschen auch klassische Prüfmethoden: Zug-, Scher- und Biegeversuche überschätzen die Festigkeit und unterschätzen aufgrund lokaler Spannungsspitzen die maximale Dehnung. Mehrachsige Verfahren wie Bulge- oder Tiefungsversuche bieten eine Alternative, sind aber in ihrer Umsetzung technisch herausfordernd: Probleme bei Klemmung, optischer Zugänglichkeit, Kraft- und Wegmessung sowie der Abbildung variabler Spannungszustände erschweren präzise Kennwertermittlungen. In der Verpackungsindustrie tritt bei Weißblech z. B. Lüdersbandbildung auf, die abhängig vom Spannungszustand ist – einachsige Zugversuche liefern andere Ergebnisse als mehrachsige, die aber den realen Umformprozessen näherkommen. Generell existieren aktuell keine hinreichend präzisen Kennwerte für die Simulation für Elektroblech (<200 µm), Edelstahl für Bipolarplatten (<100 µm), Weißblech, amorphe Metalle und Spezialwerkstoffe für die Halbleiterindustrie (<50 µm). Neue Prüfmethoden und Materialmodelle sind daher zwingend erforderlich.

Projektziel

Projektziel ist die erstmalige Bereitstellung präziser mechanischer Kennwerte und neuartiger Materialmodelle für die FE-Simulation des Umform- und Versagensverhaltens dünner Folien (≤200 µm). Dafür sollen folgende Teilziele erreicht werden:

• Entwicklung und Bau eines Prüfwerkzeugs mit optischer Zugänglichkeit, Dehnratensteuerung, hochauflösender Kraft- und Wegmessung, reibbehaftet und reibfreie mehrachsige Prüfung mit variablen Spannungszuständen zur Abbildung der kompletten Grenzformänderungskurve dünner Folien
• Methode zur Qualifizierung und Quantifizierung von Größeneffekten und Ableitung von semi-empirischen Werkstoffmodellen
• Vorhersage von Dehnungslokalisierungen (z. B. Orangenhaut), Rissen und Faltenbildung in der FE-Simulation
• Berechnung der Versagenswahrscheinlichkeit und eines Zuverlässigkeitsindex bei der Umformung