Modellierung von lasergestützten, inkrementellen Formgebungsprozessen an großen Blechformteilen
Final Report Abstract
Das Laserstrahlumformen ist ein flexibles thermisches Verfahren zur Erzeugung von Blechumformungen. Auf Grund bedingter Vorhersagbarkeit des Umformergebnisses bieten sich Prozesssimulationen an, um kosten- und zeitintensives Trial and Error zu vermeiden. Jedoch können auch diese für große oder komplexe Geometrien bzw. Bestrahlungsbahnen enorme Berechnungszeit erfordern. So benötigte zu Beginn des Projektes die Simulation einer Geometrie mit den Abmessungen 80 mm x 40 mm x 2 mm 80 CPU-Stunden an Berechnungszeit. Ziel des Projekts war es daher, Ansätze zu erschließen, die eine deutliche Beschleunigung der Simulation des Laserstrahlumformens realisieren. In den ersten Projektphasen lag die Priorität hierbei auf der Beschleunigung der Temperaturfeldsimulation. Mit Methoden wie einer rein analytischen Temperaturfeldberechnung oder entsprechenden Modifikationen der Parameter bei Mehrfachbestrahlung konnten Senkungen der Berechnungsdauer um bis zu 70 % gegenüber den Referenzmodellen erzielt werden. Inzwischen stellt jedoch entwicklungsbedingt die Berechung des Temperaturfelds den deutlich geringeren Aufwand im Vergleich zu stmkturmechanisehen Berechnungen. Folglich wurde der Schwerpunkt in der letzten Projektphase auf die Beschleunigung der Simulation des gesamten Prozesses gelegt. Die Wahl der entsprechenden FE-Software fiel auf Comsol Multiphysics, da diese einige Vorteile gegenüber den bisher verwendeten Softwares bot, wie z.B. die Vorimplementiemng der Arbitrary Lagrangian Eulerian (ALE)-Methode zur Verschiebung des FE-Netzes. Zur Bestätigung der Anwendbarkeit der Software und der Wahl korrekter Eingangsparameter wurde zunächst ein Referenzmodell mit adaptierter Standarddiskretisierung generiert, welches anhand dreier verschiedener Parametersätze experimentell verifiziert wurde. Die Verwendung virtueller Prozessparameter zur Senkung der Berechnungszeiten erwies sich als nicht zielführend und wurde daher nicht weiter verfolgt. Stattdessen wurde die ALE-Methode herangezogen, bei der sich beispielsweise große Geometriedeformationen durch ein Moving Mesh adäquat berechnen lassen, indem sich das FE-Netz mit der Geometrie mitbewegt. Um zunächst die prinzipielle Anwendbarkeit der Methode zur Simulation des Laserstrahlumformens zu gewährleisten, wurden drei Modelle unterschiedlicher Abmessungen unter Einsatz der Methode diskretisiert und berechnet. Die jeweiligen Simulationsergebnisse wurden mit denen einer adaptierten Standarddiskretisierung verglichen und zeigten hohe Übereinstimmung mit diesen, jedoch bei deutlich reduzierten Berechnungszeiten. Im Anschluss wurde die Moving Mesh Methode für den Laserstrahlumformprozess modifiziert und auf das ReferenzmodeJl unter drei verschiedenen Parametersätzen angewandt, wo sie zu Abweichungen von unter 10 % bei Redukfion der Berechnungszeiten um mindestens 94 % führte. Daher wurde die Methode im Folgenden auf komplexere Geometrien bzw. Bestrahlungsbahnen erweitert. Durch die Kombination der Netzbewegung in zwei Richtungen bei gleicher Geschwindigkeit wurde die beschleunigte Simulation diagonaler Bestrahlungsbahnen realisiert. Unter Einsatz zweier Moving Meshes konnte die Laserstrahlumformung eines Tailored Blank simuliert werden. Des Weiteren wurde eine deutliche Beschleunigung der Simulation von Mehrfachbestrahlung erreicht. Seine größte Effizienz erzielt der Einsatz der Moving Mesh Methode jedoch bei der Simulation großer Bauteile, wo eine Senkung um 88 %, also von 31 auf unter vier Stunden für die modellierte Geometrie, erreicht wurde. Abschließend wurde die Laserstrahlumformung zur Generierung einer Sattelfläche aus AA6016 erfolgreich modelliert und mit einer geschätzten Reduktion der Berechnungszeit von 92 % umgesetzt. Damit wurde die Anwendbarkeit des Moving Meshes zur Simulation beliebiger Bestrahlungsbahnen und weiterer Werkstoffe demonstriert. Die angeführten Modelle wurden weitestgehend experimentell verifiziert. Sehr komplexe Modelle bzw. Bestrahlungsbahnen bedingen jedoch langfristig die Erweiterung um Eigenspannungen, um aussagekräftige Prozesssimulationen umsetzen zu können. Sowohl das entwickelte Basismodell als auch die herangezogene ALE-Methode beinhalten diese Option. Somit konnte das Vorhaben, eine flexible Methode zur deutlichen Beschleunigung der Simulation des Laserstrahlumformens, auch für komplexe Geometrien und Bestrahlungsbahnen, zu generieren, erfolgreich umgesetzt werden.
