3D finite element micro drilling simulation multiphase materials
Final Report Abstract
Im ersten Förderzeitraum dieses Forschungsvorhabens wurde ein mikrostrukturbasiertes 3D FE-Zerspanmodell für die perlitisch-ferritischen C-Stähle entwickelt und mittels der numerischen Simulation von Mikrobohren in C05, C45 und C75 erfolgreich validiert. Dieses zweiphasige FE-Berechnungsmodell basiert auf der Modellierung des Gefüges mit dem Konzept des repräsentativen Volumen-Elements und der konstitutiven Beschreibung des thermo-mechanischen Materialverhaltens der einzelnen Phasen Ferrit und Perlit. Einige Vorteile dieses Modellierungsansatzes sind seine Einfachheit, Zuverlässigkeit und Effizienz für die rechnerunterstützte Optimierung der Mikrozerspanung aller C-Stähle. Im zweiten Antragszeitraum wurde das entwickelte mikrostrukturbasierte 3D FE-Berechnungsmodell durch weitere Zerspanungsprozesse wie Mikrofräsen und Schlichträumen verifiziert, für die Stoffgesetz-Parameterermittlung eines Makrozerspanmodells verwendet, auf besonders anspruchsvolle Werkstoffgefüge (mehrphasiges Gefüge mit Mikrodefekten) erweitert und hinsichtlich Rechenzeitreduktion und Stabilitätsverbesserung weiterentwickelt. Dabei konnten die folgenden Ziele erreicht werden: Basierend auf dem Konzept des repräsentativen Volumen-Elements (RVE) und der konstitutiven Materialmodellierung wurde ein mikrostrukturbasiertes dreidimensionales Materialmodell für die zweiphasigen C-Stähle entwickelt und verifiziert. - Ein Softwaremodul zur automatischen 3D CAD-Modell-Erstellung von zweischneidigen Spiralwendelmikrobohrern mit 4-Facettenanschliff wurde mittels des 3D-CAD-Programms SolidWorks aufgebaut. - Ein Berechnungsansatz zur mehrphasigen Mikrozerspanungssimulation wurde mithilfe des impliziten FE-Codes DEFORM-3D, eines am WZL entwickelten 3D-Gefüge-Generators sowie der entwickelten Mikrostruktur-, Material- und Werkzeuggeometriemodelle aufgestellt und optimiert. - Zur experimentellen Untersuchung der Wirkzusammenhänge und Größeneffekte bei der mechanischen Mikrobearbeitung sowie zur Validierung der entwickelten mikrostrukturbasierten Zerspansimulation wurden drei speziell für Mikrobohren, Mikrofräsen und Schlichträumen geeignete Versuchs- und Messvorrichtungen aufgebaut. - Diese Messverrichtung hat es ermöglicht, zum ersten Mal das Drehmoment beim Mikrobohren mit einem Bohrerdurchmesser von d = 50 µm aufzunehmen. - Fünf Größeneffekte (Querschneideneinfluss, Ploughing, Mikrostruktureinfluss, Aufbauschneidenbildung, Gratbildung) konnten mittels Mikrobohrversuchen mit gezielter Schnittparametervariation identifiziert werden. Diese Skalierungseffekte beeinflussen entscheidend die Performance der Mikrobearbeitung. - Mithilfe des mehrphasigen 3D FE-Berechnungsmodells konnten Größeneffekte realitätsnah abgebildet und die berechneten Prozesskräfte um bis zum 60% verbessert werde. - Basierend auf den Fließkurven der einzelnen Phasen Ferrit und Perlit können mit Hilfe einer Homogenisierung (lineare Mischungsregel als Mittelungsprozess) die Stoffgesetz- Parameter für die Makrozerspanungssimulation berechnet werden. - Mikrodefekte wurden in dem erweiterten 3D FE-Mikrostrukturmodell eingebettet und deren Einfluss auf die Zerspanprozessreaktion bei Mikrobohren experimentell und simulativ erfolgreich abgebildet. - Das entwickelte mikrostrukturbasierte 3D FE-Berechnungsmodell für die Zerspanung von C-Stählen wurde hinsichtlich Rechenstabilität, -genauigkeit und -zeit optimiert. Mit diesem mehrphasigen 3D FE Zerspanmodell können neue maßgeschneiderte Lösungen für ein anwendungsorientiertes Gefüge- und Zerspanprozess-Design entwickelt werden, wobei völlig neue Forschungsfelder erschlossen werden.
Publications
- A new 3D multiphase FE model for micro cutting ferritic-pearlitic carbon steels, In: CIRP Annals - Manufacturing Technology 61 (2012) pp. 71-74
Abouridouane, M.; Klocke, F.; Lung, D.; Adams, O.
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Abouridouane, M.; Klocke, F.; Lung, D.; Adams, O.
(See online at https://doi.org/10.1016/j.procir.2012.07.017) - 3D multiphase FE model for micro cutting, MEFORM 2013 - Simulation von Umformprozessen - March 20-22, 2013, Altenberg, Germany, ISBN 978-3-86012-449-9, pp. 235-246
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- Discrete multi-phase material modeling for micro-machining simulations, DEFORM News, 11, 2013, 1, pp. 1-2
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Abouridouane, M.; Klocke, F.; Lung, D.; Veselovac, D.
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(See online at https://doi.org/10.1016/j.procir.2013.06.071) - The mechanics of cutting: In-situ measurement and modelling, Procedia CIRP, 31, 2015, pp. 246-251
Abouridouane, M.; Klocke, F.; Lung, D.; Veselovac, D.
(See online at https://doi.org/10.1016/j.procir.2015.03.048) - Microstructure-based 3D FE metal cutting simulation, 16th CIRP Conference on Modelling of Machining Operations 15.-16. June 2017, Cluny France
Abouridouane, M.; Klocke, F.; Oktafiani, A.; Döbbeler, B.
(See online at https://doi.org/10.1016/j.procir.2017.03.336)
