Simulative Abbildung der Fluid-Struktur-Kontakt-Interaktion in der Umformtechnik am Beispiel des Nachwalzens

• Antragsteller: Dr.-Ing. Norbert Hosters; Dr.-Ing. Emad Scharifi, seit 7/2024
• Fachliche Zuordnung: Ur- und Umformtechnik, Additive Fertigungsverfahren ; Beschichtungs- und Oberflächentechnik
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 523163077

Um der weltweiten Forderung nach Energieeffizienz und dem daraus resultierenden Leichtbau-Trend gerecht zu werden, setzt der Automobilsektor vermehrt flachgewalzte Aluminiumhalbzeuge im Außenhautbereich ein. Dabei liegen die Herausforderungen in der Produktion gegenüber Stahl in der Gewährleistung hoher Qualitätseigenschaften der Oberflächenbeschaffenheit. Beispiele sind die Aufbringung von Schmiertaschen für nachfolgende Umformprozesse sowie die Beeinflussung optischer Eigenschaften, insbesondere nach der Lackierung. Das Verständnis aller Einflussgrößen auf die Oberflächenbeschaffenheit sowie der damit verbundenen Produktionsmechanismen hat deshalb höchste Relevanz. Eine definierte Oberfläche wird im sogenannten Nachwalzen durch die Abprägung texturierter Walzen auf das Band eingestellt. Aufgrund der folgenden drei wesentlichen Unterschiede können Erkenntnisse aus dem Nachwalzen von Stahl jedoch nur im geringen Umfang auf das Nachwalzen von Aluminium übertragen werden: (1) Der weichere Grundwerkstoff, (2) der Einsatz von Schmierstoff und (3) die höheren Stichabnahmen. Aus diesen Unterschieden resultiert, dass Schmiermitteleinschlüsse in den Kavitäten beider Oberflächen aktiv an der Umformung teilnehmen. Hydrostatische und -dynamische Effekte des eingeschlossenen Fluids beeinflussen damit wesentlich, welches Rauheitsprofil final auf dem Band erzeugt wird. Eine vollumfängliche Prozessauslegung und die Vorhersage der finalen Oberflächeneigenschaften mit experimentellen Verfahren ist nur unter großem Aufwand (Laborversuche und Fertigungsversuche im Walzwerk) möglich. Numerische Verfahren stehen dagegen vor der Herausforderung, die unterschiedlichen Skalen (Prozessbetrachtung auf der Millimeterskala und Rauheiten auf der Mikrometerskala) effizient zu verknüpfen. Dabei ist insbesondere die Abbildung der resultierenden Topologieänderung im Strömungsproblem des Schmierstoffes eine immense Herausforderung. Eine simulative Prozessauslegung des Nachwalzens von Aluminium ist derzeit nicht Stand der Forschung. Diese Lücke kann allerdings nur auf Basis eines tiefgreifenden Prozessverständnisses und eines vielschichtigen Grundlagenwissens im Bereich numerischer Methoden geschlossen werden. Die interdisziplinäre Gruppe der Antragsteller will dazu ihre Expertise im vorgeschlagenen Projekt bündeln. Dazu gehören die bereits erreichte Skalenverknüpfung im Nachwalzen und Erfahrungen bei den experimentellen Untersuchungen von Umformprozessen und der Oberflächenabprägung (IBF) sowie die Erfahrung in der Methodenentwicklung zur Abbildung von Fluid-Struktur-Kontakt-Interaktionen (CATS). Die beabsichtigte Methodik hat das Potential über eine gezielte Auslegung des Nachwalzprozesses Stillstandzeiten bei Prozessänderungen zu verringern und Ausschuss durch mangelnde Oberflächengüte zu reduzieren. Damit können Produktionskosten gesenkt und die Attraktivität des Einsatzes von Aluminium im Außenhautbereich gesteigert werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Ehemaliger Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Gerhard Hirt, bis 6/2024