Die additiven Fertigungstechnologien erleben seit einigen Jahren einen enormen Zuspruch bei der Herstellung von Einzelteilserien mit komplexen, endkonturnahen Geometrien und der Verarbeitung von Sonder- oder hybriden Werkstoffen. Prinzipiell lassen sich die Verfahren gemäß VDI- Richtlinie 3404 in drahtbasierte und pulverbasierte unterteilen. Eine weitere Unterteilung erfolgt hinsichtlich der Ausschmelztechnologie. Allen Verfahren ist gleich, dass schichtweise der Grundwerkstoff an den Stellen aufgetragen wird, wo er gemäß Endkontur benötigt wird. Damit ist ein immer wiederkehrender Wärmeeintrag verbunden, der somit Einfluss auf die Mikrostruktur der Bauteile und gleichzeitig auch auf die mechanischen Endeigenschaften ausübt. Die so erzeugten Komponenten sollten wenig Verzug oder Eigenspannungen als auch keine Porosität aufweisen, um die Gebrauchseigenschaften nicht negativ zu beeinflussen. Das Ziel ist es mittlerweile, diese verschiedenen Technologien numerisch abzubilden, um die Bauteileigenschaften vorherzusagen und ggf. Optimierungspotenziale zu eruieren. Der untersuchte Prozess ist das drahtbasierte Mehrlagenschweißen mittels des Metallschutzgasschweißens, bei dem neben der Simulation auch die Validierung im Fokus hinsichtlich Geometrie und Gefügeausbildung in den Schweißlagen stand. Diesbezüglich wurden im vorliegenden Fall zum einen alle, für die numerische Simulation notwendigen Materialparameter (mechanische und thermophysikalische Kenngrößen) des Schweißzusatzwerkstoffes G4Si1 bestimmt und in ein kommerzielles FEM-Programm (MSC Marc Mentat) implementiert. Zum anderen erfolgt zukünftig die wissenschaftliche Analyse der Verbesserung der Bauteileigenschaft, in dem die Schweißnaht unter Ausnutzung der Schweißhitze warmumgeformt wird. Erste Ergebnisse numerischer Simulationsergebnisse zeigen positive Effekte. Diese zeigen mikrostrukturelle Veränderungen (Kornfeinung durch Rekristallisation) und führten letztendlich zur Steigerung der mechanischen Eigenschaften. Der Vorteil dieser Verfahrenskombination ist außerdem die Kompensation des Verzuges durch die gezielte Umformung und einem gleichzeitigen „Richten“.

Numerische Prozessanalysen werden heute standardmäßig zur virtuellen Prozessabsicherung der Herstellung umgeformter Blechformteile eingesetzt. Die dabei notwendige hohe Prognosegüte kann nur mit einer hinreichend präzisen Materialmodellierung realisiert werden. Ein wesentlicher Aspekt ist dabei die Modellierung des Fließverhaltens und der Werkstoffanisotropie. Zur Charakterisierung des Werkstoffverhaltens existieren zahlreiche Versuchs- und Auswertestrategien; diese werden aufgrund des hohen Versuchs- und Rechenaufwands in der industriellen Anwendung jedoch nur vereinzelt eingesetzt. Im Rahmen dieser Arbeit wird eine neuentwickelte halbanalytische Methode zur Charakterisierung von Fließortkurven sowie der Folgefließortkurven vorgestellt. Dazu wurde eine Spannungsanalyse auf Messdaten einer digitalen Bildkorrelation sowie ein Schnittlinienansatz zur Berechnung innerer Kräfte entwickelt. Durch Bilanzierung dieser inneren Schnittkräfte mit gemessenen äußeren Prüfkräften werden Parameter eines gewählten Materialmodells in einer inversen Analyse identifiziert. Die Methode zur Parameteridentifikation wurde zunächst an synthetischen und anschließend an realen Experimenten untersucht. Es wurde eine sequentielle Identifikationsstrategie aufgestellt, die an den Blechwerkstoffen DX54, DP600 sowie AA5182 untersucht wurde. Abschließend wurde die Methode mithilfe von Validierungsversuchen hinsichtlich der identifizierten Materialantworten überprüft.:Inhaltsverzeichnis I Symbolverzeichnis IV Abkürzungen und Begriffe VIII 1 Einleitung 1 2 Stand der Technik 3 2.1 Grundlagen zur Umformung von Blechwerkstoffen 3 2.1.1 Umformprozesse zur Herstellung von Blechformteilen 3 2.1.2 Anforderungen bei der Herstellung von Blechbauteilen 4 2.2 Numerische Prozessauslegung von Blechumformoperationen 5 2.2.1 Anwendung der FEM als Hilfsmittel in der Prozessauslegung 5 2.2.2 Kritische Punkte der numerischen Prozessauslegung 7 2.3 Werkstoffverhalten und Materialmodellierung 8 2.3.1 Kenngrößen zur Beschreibung großer Deformation 8 2.3.2 Grundlagen zur Beschreibung elastoplastischen Materialverhaltens 9 2.3.3 Beschreibung der Verfestigungsregel in Materialmodellen 11 2.3.4 Modellierung anisotroper Fließortkurven 12 2.3.5 Modellierung der Fließortkurvenentwicklung 18 2.3.6 Zusammenfassende Hinweise zu den Fließkriterien 25 2.4 Kennwertermittlung und Werkstoffcharakterisierung 26 2.4.1 Experimentelle Methoden und analytische Verfahren zur Fließortkurvenermittlung 26 2.4.2 Erweiterte Messtechnik zur Identifikation von Fließortkurven 33 2.4.3 Inverse Strategien zur Identifikation von Fließortkurven 36 2.5 Zusammenfassung zum Stand der Technik 43 3 Zielsetzung und Vorgehensweise 45 3.1 Zielsetzung 45 3.2 Vorgehensweise 45 4 Experimentelle Versuchsdurchführung 47 4.1 Versuchsaufbau und Messtechnik 47 4.2 Prüfverfahren zur Werkstoffprüfung 48 4.2.1 Zugversuch 49 4.2.2 Kerbzugversuch 49 4.2.3 Scherzugversuch 49 4.2.4 Biaxialer Zugversuch 50 4.3 Wahl der Versuchswerkstoffe 51 4.3.1 Kaltgewalzter Tiefziehstahl DX54 51 4.3.2 Kaltgewalzter Dualphasenstahl DP600 52 4.3.3 Aluminiumknetlegierung AA5182 52 4.4 Messergebnisse aus den Werkstoffprüfungen 53 4.5 Zusammenfassung zur Versuchsdurchführung 55 5 Entwicklung einer halbanalytischen Methode zur Parameteridentifikation 56 5.1 Spannungsanalyse 56 5.1.1 Spannungsrichtung 57 5.1.2 Spannungszuwachs 58 5.1.3 Elastische Kompensation 59 5.2 Schnittkraftermittlung 60 5.3 Inverse Analyse 62 5.4 Zusammenfassende Darstellung der Entwicklung 64 6 Validierung der Methode an virtuellen Experimenten 67 6.1 Virtuelle Versuche 67 6.2 Validierung der Spannungsanalyse 68 6.2.1 Vorgehensweise zur Prüfung der Spannungsanalyse 69 6.2.2 Ergebnisse der Überprüfung der Spannungsanalyse 70 6.3 Validierung der Schnittkraftermittlung 76 6.4 Sensitivität der Materialantwort gegenüber den Materialparametern 80 6.4.1 Einfluss variierender Fließkurvenapproximationen 80 6.4.2 Einfluss variierender Fließortkurven 82 6.5 Diskussion zur Wahl geeigneter Schnittlinien 88 6.6 Fehlerbetrachtung 89 / Numerical process analysis is widely used today for the virtual process validation of the production of formed sheet metal parts. In this context, sufficiently precise material modeling is essential, especially for the flow behavior and the material anisotropy. Numerous test and evaluation strategies are known for the material characterization. However, these strategies are only used occasionally in industrial applications due to high experimental and computational costs. In the context of this work, a newly developed semi-analytical method for the characterization of yield locus curves and subsequent yield locus curves is presented. For this purpose, a stress analysis based on digital image correlation data and a cutting-line approach for internal forces computation was developed. By balancing these internal cutting forces with measured external test forces, parameters of a material model are identified in an inverse analysis. The method for parameter identification was first examined on synthetic and subsequently on real experiments. A sequential identification strategy was set up and examined on the sheet metal materials DX54, DP600 and AA5182. Finally, the method was checked using validation tests with regard to the identified material responses.:Inhaltsverzeichnis I Symbolverzeichnis IV Abkürzungen und Begriffe VIII 1 Einleitung 1 2 Stand der Technik 3 2.1 Grundlagen zur Umformung von Blechwerkstoffen 3 2.1.1 Umformprozesse zur Herstellung von Blechformteilen 3 2.1.2 Anforderungen bei der Herstellung von Blechbauteilen 4 2.2 Numerische Prozessauslegung von Blechumformoperationen 5 2.2.1 Anwendung der FEM als Hilfsmittel in der Prozessauslegung 5 2.2.2 Kritische Punkte der numerischen Prozessauslegung 7 2.3 Werkstoffverhalten und Materialmodellierung 8 2.3.1 Kenngrößen zur Beschreibung großer Deformation 8 2.3.2 Grundlagen zur Beschreibung elastoplastischen Materialverhaltens 9 2.3.3 Beschreibung der Verfestigungsregel in Materialmodellen 11 2.3.4 Modellierung anisotroper Fließortkurven 12 2.3.5 Modellierung der Fließortkurvenentwicklung 18 2.3.6 Zusammenfassende Hinweise zu den Fließkriterien 25 2.4 Kennwertermittlung und Werkstoffcharakterisierung 26 2.4.1 Experimentelle Methoden und analytische Verfahren zur Fließortkurvenermittlung 26 2.4.2 Erweiterte Messtechnik zur Identifikation von Fließortkurven 33 2.4.3 Inverse Strategien zur Identifikation von Fließortkurven 36 2.5 Zusammenfassung zum Stand der Technik 43 3 Zielsetzung und Vorgehensweise 45 3.1 Zielsetzung 45 3.2 Vorgehensweise 45 4 Experimentelle Versuchsdurchführung 47 4.1 Versuchsaufbau und Messtechnik 47 4.2 Prüfverfahren zur Werkstoffprüfung 48 4.2.1 Zugversuch 49 4.2.2 Kerbzugversuch 49 4.2.3 Scherzugversuch 49 4.2.4 Biaxialer Zugversuch 50 4.3 Wahl der Versuchswerkstoffe 51 4.3.1 Kaltgewalzter Tiefziehstahl DX54 51 4.3.2 Kaltgewalzter Dualphasenstahl DP600 52 4.3.3 Aluminiumknetlegierung AA5182 52 4.4 Messergebnisse aus den Werkstoffprüfungen 53 4.5 Zusammenfassung zur Versuchsdurchführung 55 5 Entwicklung einer halbanalytischen Methode zur Parameteridentifikation 56 5.1 Spannungsanalyse 56 5.1.1 Spannungsrichtung 57 5.1.2 Spannungszuwachs 58 5.1.3 Elastische Kompensation 59 5.2 Schnittkraftermittlung 60 5.3 Inverse Analyse 62 5.4 Zusammenfassende Darstellung der Entwicklung 64 6 Validierung der Methode an virtuellen Experimenten 67 6.1 Virtuelle Versuche 67 6.2 Validierung der Spannungsanalyse 68 6.2.1 Vorgehensweise zur Prüfung der Spannungsanalyse 69 6.2.2 Ergebnisse der Überprüfung der Spannungsanalyse 70 6.3 Validierung der Schnittkraftermittlung 76 6.4 Sensitivität der Materialantwort gegenüber den Materialparametern 80 6.4.1 Einfluss variierender Fließkurvenapproximationen 80 6.4.2 Einfluss variierender Fließortkurven 82 6.5 Diskussion zur Wahl geeigneter Schnittlinien 88 6.6 Fehlerbetrachtung 89

Die additiven Fertigungstechnologien erleben seit einigen Jahren einen enormen Zuspruch bei der Herstellung von Einzelteilserien mit komplexen, endkonturnahen Geometrien und der Verarbeitung von Sonder- oder hybriden Werkstoffen. Prinzipiell lassen sich die Verfahren gemäß VDI- Richtlinie 3404 in drahtbasierte und pulverbasierte unterteilen. Eine weitere Unterteilung erfolgt hinsichtlich der Ausschmelztechnologie. Allen Verfahren ist gleich, dass schichtweise der Grundwerkstoff an den Stellen aufgetragen wird, wo er gemäß Endkontur benötigt wird. Damit ist ein immer wiederkehrender Wärmeeintrag verbunden, der somit Einfluss auf die Mikrostruktur der Bauteile und gleichzeitig auch auf die mechanischen Endeigenschaften ausübt. Die so erzeugten Komponenten sollten wenig Verzug oder Eigenspannungen als auch keine Porosität aufweisen, um die Gebrauchseigenschaften nicht negativ zu beeinflussen. Das Ziel ist es mittlerweile, diese verschiedenen Technologien numerisch abzubilden, um die Bauteileigenschaften vorherzusagen und ggf. Optimierungspotenziale zu eruieren. Der untersuchte Prozess ist das drahtbasierte Mehrlagenschweißen mittels des Metallschutzgasschweißens, bei dem neben der Simulation auch die Validierung im Fokus hinsichtlich Geometrie und Gefügeausbildung in den Schweißlagen stand. Diesbezüglich wurden im vorliegenden Fall zum einen alle, für die numerische Simulation notwendigen Materialparameter (mechanische und thermophysikalische Kenngrößen) des Schweißzusatzwerkstoffes G4Si1 bestimmt und in ein kommerzielles FEM-Programm (MSC Marc Mentat) implementiert. Zum anderen erfolgt zukünftig die wissenschaftliche Analyse der Verbesserung der Bauteileigenschaft, in dem die Schweißnaht unter Ausnutzung der Schweißhitze warmumgeformt wird. Erste Ergebnisse numerischer Simulationsergebnisse zeigen positive Effekte. Diese zeigen mikrostrukturelle Veränderungen (Kornfeinung durch Rekristallisation) und führten letztendlich zur Steigerung der mechanischen Eigenschaften. Der Vorteil dieser Verfahrenskombination ist außerdem die Kompensation des Verzuges durch die gezielte Umformung und einem gleichzeitigen „Richten“.