Intelligente Werkzeuge für das Trocken-Scherschneiden von Verbundwerkstoffen
Final Report Abstract
Im Rahmen zunehmender Ressourcenschonung und der damit verbundenen Anforderung an den Leichtbau wird der Einsatz von Verbundmaterialien begünstigt. Die Anwendungsgebiete derartiger Materialverbünde sind dabei immer vielfältiger. Beispiele finden sich in der Luft- und Raumfahrttechnik, der Automobilindustri, bei Verbrauchsgütern oder in multifunktionalen Produkten. Sandwichbleche, bestehend aus zwei zugfesten Deckblechen und einem leichten Polymerkern, der das Flächenträgheitsmoment maßgeblich vergrößert, sind ein auf biegende Beanspruchung optimierter Verbundwerkstoff. Die Verfügbarkeit angepasster Fertigungsverfahren für die Umformung von Sandwichblechen bildet aktuell eine Grenze die Erschließung neuer Einsatzgebiete dieser Verbünde. Aus diesem Grund ist die Umformung von Sandwichblechen im Fokus aktueller Forschungsarbeiten. Mohr ermittelte die Kernschubfestigkeit als einen maßgeblichen Versagensmechanismus beim Gleitziehbiegen von Sandwichbauteilen. Das Ziehverhalten von Sandwichblechen und daraus resultierende Konstruktionsrichtlinien, wie das Vermeiden von scharfkantigen Übergängen und kleine Biegeradien beschrieb Nutzmann im Rahmen seiner Dissertation. Liewald stellte in seinen Untersuchungen fest, dass beim konventionellen Scherschneiden die Verwendung kleiner Schneidspalte essentiell für das Erreichen guter Schnittflächen ist. Zum Projektbeginn existierten allerdings keine tiefergehenden Untersuchungen zum Scherschneiden von Sandwichblechen. Dieses Forschungsvorhaben hat daher zum Ziel, das Schneidverhalten und das Konterschneiden von Sandwichblechen zu untersuchen. Dazu soll zunächst ein Werkzeugkonzept entwickelt werden, mit dem das Konterschneiden so erweitert werden kann, dass eine gezielte Überlagerung mit Druckspannungen im Scherspalt ermöglicht wird. Basierend auf den gesammelten Erkenntnissen soll zusätzlich eine parametrisierte Modellvorstellung mit analytischen Formeln als Grundlage entwickelt werden, mit der sich das Scherschneiden von Sandwichblechen beschreiben lässt. Die erarbeiteten Ergebnisse lassen sich im Wesentlichen in die folgenden drei Themen unterteilen: 1. Durch die durchgeführte Parameterstudie konnte das Prozessverständis umfangreich erweitert werden. Zunächst wurden charakteristische Schnittflächenkenngrößen erarbeitet und Einflussfaktoren auf diese untersucht. So konnte beispielsweise gezeigt werden, dass die Halbzeugtemperatur und der Schneidspalt den größten Einfluss auf die Kanteneinzugshöhe besitzen. 2. Basierend auf den grundlegenden Untersuchungen zum Scherschneiden wurde eine Modellvorstellung entwickelt, die den Schneidprozess von Sandwichblechen in einzelne Phasen unterteilt. Durch weitergehende Untersuchungen zum Kraftverlauf konnten Zusammenhänge zwischen Schnittflächenkenngrößen und Kraftverläufen hergeleitet werden. Außerdem erfolgte eine Klassifizierung für Sandwichbleche anhand ihrer charakteristischen Schneidkraftverläufe. Weiterhin wurde ein parametrisiertes analytisches Modell entwickelt, mit dem sich Kraftverläufe beim Scherschneiden von Sandwichblechen vorhersagen lassen. Die entwickelte Modellvorstellung kann genutzt werden, um Materialkombinationen auf ihre Schneidbarkeit zu untersuchen. 3. Im Rahmen der Untersuchungen wurden das Konterschneiden und das erweiterte Konterschneiden umfassend untersucht. Dabei wurde durch das konventionelle Konterschneiden ohne zusätzliche Überlagerung mit Druckspannungen keine positive Beeinflussung der Schnittflächenkenngrößen erreicht. Durch einen gezielten Einsatz des Gegenstempels zur Überlagerung des Werkstücks mit Druckspannungen im Scherspalt konnte der Kanteneinzug signifikant reduziert werden. Gleichzeitig wurde festgestellt, dass die Zusammenhänge der verschiedenen Prozessgrößen über eine Regressionsgleichung beschrieben werden können. Insgesamt kann gesagt werden, dass eine Überlagerung des Werkstücks mit Druckspannungen durch eine Vorstauchung mit einem Gegenstempel einen positiven Einfluss auf die Schnittfläche besitzt. Allerdings ist die Umsetzung mit einem erheblichen Mehraufwand verbunden.
Publications
- Force requirements in shear cutting of metal-polymer-metal composites. In: Advanced Materials Research, 1018 pp. 137-144. (2014)
Übelacker, David; Hohmann, Johannes Groche, Peter
(See online at https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMR.1018.137) - Experimental Investigation of the Shear Cutting Behaviour of Sandwich Panels. In: Materials Science Forum. 20th Symposium on Composites pp. 443-440. (2015)
Stein, Philipp; Übelacker, David; Groche, Peter
- Trockenscherschneiden von Verbundblechen. In: wt Werkstatt , Werkstatttechnik online, 105 (10) pp. 733-737. (2015)
Groche, Peter; Stein, Philipp; Übelacker, David; Neumayer, Ferdinand; Steinbach, Frank
- Numerical investigation of blanking for metal polymer sandwich sheets. In proceedings of Numiform 2016
Gutknecht, Florian; Übelacker, David; Clausmeyer, Till; Tekkaya, A. Erman
(See online at https://doi.org/10.1051/matecconf/20168016002) - Experimental and Analytical Investigation of the Force Requirements in Shear Cutting of Metal-Polymer-Metal Composites. In: International Journal of Material Forming, March 2018, Volume 11, Issue 2, pp 213–224
Groche, Peter; Übelacker, David; Steinbach, Frank; Stein, Philipp, A. Erman Tekkaya
(See online at https://doi.org/10.1007/s12289-017-1343-x)
