Numerische Abbildung der Formgebung von Aluminium im teilflüssigen Zustand

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1 Numerishe Abbildug der Formgebug vo Alumiium im teilflüssige Zustad Berd-Aro Behres Thorste Matthias Istitut für Umformtehik ud Umformmashie Leibiz Uiversität Haover Mit der zuehmede Forderug ah Leihtbau ud des Ziels der Herstellug vo komplexe Geometrie mit gute mehaishe Eigeshafte i der Automobilidustrie ka vor allem das Thixoverfahre i der Metallverarbeitug a Bedeutug gewie. Eie gute umerishe Abbildug des Fließverhaltes ka uterstützed bei der Werkzeugauslegug eigesetzt ud somit dabei helfe das hohe Potetial des Thixofomigs auszushöpfe. Shlüsselwörter: FE-Simulatio Thixoformig Alumiium Eileitug Thixoformig ist ei iovatives Formgebugsverfahre uter Thixotropiebedigug das die Vorteile des Shmiedes mit dee des Gießes i eiem Verfahre verbidet. Die Formgebug des Materials fidet beim Thixoformig im teilflüssige Zustad statt. Dieses Verfahre ermögliht es Bauteile mit eier hohe Komplexität herzustelle. Die erreihbare Vielshihtigkeit ist dabei größer als beim Shmiede ud die Festigkeit höher als beim Gieße. Zur Erreihug des thixotrope Zustads wird das Material meist iduktiv erwärmt so dass seie Temperatur zwishe der Liquidus- ud der Solidus-Liie liegt. Wird das erwärmte Material eier Sherbelastug uterzoge verhält es sih thixotrop. Thixotropie ist eie Eigeshaft der iht-newtoshe Flüssigkeite mit zeitabhägigem Fließverhalte. Dies bedeutet dass dere Viskosität währed eies Umformvorgags uter der Sherbelastug abimmt ud ah Aussetze der Beaspruhug dere Ausgagsviskosität wieder aufgebaut wird (Bild ) [ 2 3]. Bild : Darstellug des thixotrope Phäomes [4] IV/29 Behres et al. : Num. Abb. der Formgebug vo Alumiium im teil.... S./9 Verlag Meisebah GmbH Fraz-Ludwig-Str. 7a 9647 Bamberg

2 Der mathematishe Asatz zur Beshreibug des thixotrope Fließverhaltes vo teilflüssigem Alumiium ist abhägig vom Feststoffgehalt. Es werde hierbei zwei grudleged vershiedee Asätze zur Modellierug des Materialverhaltes utershiede. Für eie Feststoffgehalt vo 4 6% ist wege des hohe Flüssigkeitsateil ei Asatz aus der Strömugsmehaik zu wähle. Bei eiem höhere Feststoffgehalt wird zur umerishe Abbildug des Materialverhaltes ei Asatz aus der Festkörpermehaik bevorzugt [ 2 3]. FE-Modellierug des Prozesses Als Simulatis-Software wird Asys Polyflow verwedet. Hierbei hadelt es sih um eie auf Fiite-Elemet basierede Strömugssimulatios-Software zur Aalyse vo Polymerprozesse wodurh sie besoders gut geeiget ist für die Abbildug vo iht-newtoshem Fließverhalte [5]. Der dargestellte Prozess (Bild 2) ist das Thixoshmiede eies Napfes. Das Modell besteht aus dem Werkzeug (Ober- ud Utergesek) ud dem Werkstük (Rohteil). Es sollte eie dreidimesioaler Modellierug erfolge. Aufgrud der Symmetrie ist hierbei die Betrahtug eies 9 Segmetes ausreihed. Das Obergesek fährt eie Weg vo mm mit eier Geshwidigkeit vo 5 mm/s. Damit beträgt die Umformzeit 2 s. Bild 2: FE-Modellaufbau des Prozesses Das Werkzeug besteht aus dem Stahl X37CrMoV5. Dieser Werkstoff ist wege seier hohe Wärmevershleißfestigkeit besoders für Werkzeuge geeiget die eier hohe thermishe ud mehaishe Beaspruhug ausgesetzt sid. Oberud Utergesek habe eie Grudtemperatur vo 5 C um das thixotrope Materialverhalte des Werkstüks bei der Umformug vo komplexe Geometrie möglihst lage aufreht zu halte. Die Werkzeuge sid starr modelliert. IV/29 Behres et al. : Num. Abb. der Formgebug vo Alumiium im teil.... S.2/9 Verlag Meisebah GmbH Fraz-Ludwig-Str. 7a 9647 Bamberg

3 Das Werkstük hat eie Ausgagstemperatur vo 585 C damit befidet sih das Material im teilflüssige Zustad. Das Werkstük bekommt das thixotrope Materialverhalte des Alumiium AlSi7Mg zugewiese. Währed der Umformsimulatio wird alle füf Reheshritte ei adaptives Remeshig durhgeführt a dee ei Kotakt a de Stelle des Werkstüks mit dem Werkzeug auftritt. Die i Tabelle dargestellte physikalishe Größe der Werkstoffe wurde als kostat ageomme. Tabelle : Mehaishe ud thermishe Eigeshafte der verwedete Werkstoffe Eigeshaft AlSi7Mg X37CrMoV5 E-Modul 7 kn/mm² 2 kn/mm² Dihte 269 g/m³ 785 g/m³ Wärmeleitfähigkeit 6 W/m C 25 W/m C Wärmekapazität 92 J/gK 47J/gK Modellierug der thixotrope Werkstoffeigeshafte Das hier verwedete Material des Rohteils ist Alumiium AlSi7Mg (AL356). Die i diesem Abshitt vorgestellte Materialeigeshafte wurde aus vershiedee Quelle zusammegetrage [6 7 8]. Bild 3: Abhägigkeit der Viskosität vo der Temperatur ud des Feststoffgehalts vo der Temperatur für Alumiiums A356 IV/29 Behres et al. : Num. Abb. der Formgebug vo Alumiium im teil.... S.3/9 Verlag Meisebah GmbH Fraz-Ludwig-Str. 7a 9647 Bamberg

4 I Bild 3 liks ist die Abhägigkeit der Viskosität vo der Temperatur bei AL356 dargestellt. Ab 55 C führt der Phaseübergag vom feste zum teilflüssige Zustad zu eiem starke Abfall der Viskosität. Die Solidustemperatur liegt bei 555 C ud die Liquidustemperatur bei 65 C. I diesem Bereih liegt bei AL356 sowohl eie feste als auh flüssige Phase vor. I der Prozesssimulatio hat das Rohteil eie Ausgagstemperatur vo 585 C dies etspriht eiem Feststoffgehalt vo ugefähr 5% (Bild 3 rehts). Es gibt vershiedee Asätze zur Beshreibug der Viskosität. Die gägigste Asätze sid i Tabelle 2 dargestellt [2 9]. Tabelle 2: Asätze zur Beshreibug der Viskosität Ostwald-de-Waele ( ) ( ) > = k k 2 Bigham < = τ τ 2 Hershel-Bulkley ( ) ( ) > = k k τ τ 2 2 Carreau-Yasuda IV/29 Behres et al. : Num. Abb. der Formgebug vo Alumiium im teil.... S.4/9 Verlag Meisebah GmbH Fraz-Ludwig-Str. 7a 9647 Bamberg Die i Bild 4 dargestellte Kurve wurde i der FE-Software Asys Polyflow hiterlegt. Zur Approximatio wurde der Asatz ah Hershel-Bulkley verwedet. ( ) [ ] a a ) ( = λ

5 Bild 4: Abhägigkeit der Viskosität vo der Temperatur ud der Sharrate des Alumiiums A356 Mit zuehmeder Temperatur immt die Viskosität ab. Um diese Abhägigkeit zu berüksihtige wurde der Asatz vo Hershel-Bukley mit der Gleihug vo William-Ladel-Ferry (WLF) (Gl.) erweitert. T T ( Tr Ta ) ( a ) l( H ( T )) = 2 Tr Ta 2 T Ta (Gl.) I de Gleihuge beshreibe die Viskosität die Afagsviskosität die Viskosität bei hohe Sherrate de Power-Law Idex k de Kosistezfaktor die Sherrate die kritishe Sherrate τ die Sherspaug T die aktuelle Temperatur T r ud T a die Refereztemperature ud τ die Fließgreze. Die Größe ud 2 sid WLF Kostate. Ergebisse der umerishe Abbildug des Umformvorgags I Bild 5 ist die Temperaturetwiklug im Rohteil währed der Umformug dargestellt. Im like Teil ist die Ausgagssituatio bei eier Temperatur vo 585 C dargestellt. Es liegt eie homogee Temperaturverteilug vor. Währed der Umformug kühlt sih das Rohteil bei Kotakt mit der Werkzeugoberflähe ab. Es etsteht eie feste Shiht. Die eizele Temperaturspitze im rehte Teil vo Bild 5 sid damit zu begrüde dass die heiße Shmelze (teilflüssige Phase) a mahe Stelle ukotrolliert die kühlere ud damit festere Shiht durhbriht. IV/29 Behres et al. : Num. Abb. der Formgebug vo Alumiium im teil.... S.5/9 Verlag Meisebah GmbH Fraz-Ludwig-Str. 7a 9647 Bamberg

6 Bild 5: Temperaturverteilug im Werkstük zum Zeitpukt t = s (liks) t = s (mitte) ud t = 2 s (rehts) Diese utershiedlihe Temperaturshihte habe utershiedlih starke Flussgeshwidigkeite. Diese Geshwidigkeit (Shergeshwidigkeit) wird berehet aus dem Verhältis zwishe dem Geshwidigkeitsutershied zweier beahbarter Flüssigkeitsshihte ud dere Abstad ud ist somit ei Maß für die mehaishe Belastug. Dieses Phäome ist besoders stark am Rad ausgeprägt wo es durh de Kotakt zum Werkstük zu eier starke Abkühlug kommt. I Bild 6 ist die Shergeshwidigkeitsverteilug im Rohteil zum Zeitpukt t = s dargestellt. Bild 6: Sherrateverteilug im Werkstük währed der Umformug zum Zeitpukt t = s IV/29 Behres et al. : Num. Abb. der Formgebug vo Alumiium im teil.... S.6/9 Verlag Meisebah GmbH Fraz-Ludwig-Str. 7a 9647 Bamberg

7 Bei Betrahtug der Viskositätsverteilug im Werkstük zeigt sih dass die Abbildug der Abhägigkeit der Viskosität vo der Temperatur ud Sherrate erfolgreih ist (Bild 7). Es ist zu erkee dass im Iere eie iedrigere Viskosität herrsht als am Rad. Der äußere Bereih ist zähflüssiger als der Ker. A eizele Regioe am Rad ist die Viskosität iedriger als i de beahbarte Regioe dies ist auf Grud der dort auftretede größere Shergeshwidigkeite zurükzuführe. Bild 7: Viskositätsverteilug im Werkstük zum Zeitpukt t = s (liks) ud t = 2 s (rehts) Zusammefassug I diesem Beitrag wurde eie Methode zur umerishe Abbildug der Formgebug vo Alumiium im teilflüssige Zustad vorgestellt. Die Verwedug der FE-Software Asys Polyflow hat sih dabei als sivoll erwiese. Eie geaue Beshreibug des Erstarrugs- ud Formfüllverhaltes ist wihtig um eie möglihst hohe Übereistimmug zwishe Simulatio ud Experimet zu erziele. Ausblik I Zukuft solle die Utersuhuge auf das Thixoshmiede vo Stahl ausgeweitet werde. Hierzu wird ei Asatz aus der Strukturmehaik i eie FE-Software implemetiert um eie höhere Feststoffgehalt zu utersuhe. Die Materialparameter für Stahl solle experimetal bestimmt werde. Des Weitere solle die physikalishe Größe wie z.b. E-Modul Wärmeleitfähigkeit ud Wärmekapazität i Abhägigkeit der Temperatur bestimmt werde. IV/29 Behres et al. : Num. Abb. der Formgebug vo Alumiium im teil.... S.7/9 Verlag Meisebah GmbH Fraz-Ludwig-Str. 7a 9647 Bamberg

8 Daksagug Die Autore dake der Deutshe Forshugsgemeishaft für die fiazielle Förderug der hier vorgestellte Arbeite im Rahme des Graduiertekollegs 65 Iteraktio vo Modellbildug Numerik ud Software-Kozepte für tehishwisseshaftlihe Problemstelluge. Literatur: [] Hirt G.; Kopp R.: Thixoformig Semi-Solid Metal Proessig ISBN WILEY-VCH Verlag Weiheim 29 [2] Atkiso H. V.: Modellig of Semi-Solid Proessig ISBN Shaker Verlag Aahe 28 [3] Noh B.: Beitrag zur umerishe Simulatio des Thixoformigs ISBN Fortshritt-Beriht VDI Reihe 2 Nr.598 VDI Verlag GmbH Düsseldorf 22 [4] Heuße J. M. M.: Utersuhuge zum Materialverhalte vo Metalle im Bereih der Solidustemperatur Dissertatio RWTH Aahe 996 [5] Iteretseite vo Fluet Beelux : [6] Meßmer G: Gestaltug vo Werkzeuge für das Thixo-Shmiede vo Alumiium- ud Messiglegieruge i automatisierte Shmiedezelle ISBN Dissertatio Uiversität Stuttgart 26 [7] Hsu Y.-L.: Yu C.-C.; Computer Simulatio of Castig Proess of Alumiium Wheels: A Case Study Proeedigs of the Istitutio of Mehaial Egieers. Part B. Joural of egieerig maufature Vol. 22 No.2 February 26 pp [8] Wahle A.: Proessig of Alumiium Alloys i the Semi-Solid State Dissertatio ETH Zürih 2 [9] Atkiso H. V.: Modellig the Semisolid Proessig of Metalli Alloys Progress i Materials Siee Vol 5 No. 2 pp IV/29 Behres et al. : Num. Abb. der Formgebug vo Alumiium im teil.... S.8/9 Verlag Meisebah GmbH Fraz-Ludwig-Str. 7a 9647 Bamberg

9 Autore: Prof. Dr.-Ig. Berd-Aro Behres studierte Mashiebau a der Uiversität Haover ud promovierte am Istitut für Umformtehik ud Umformmashie (IFUM) i Haover. Er war Leiter der Abteilug Umformtehik bei der Salzgitter AG. Im Jahr 22 ist sei Veratwortugsbereih auf die gesamte Awedugstehik des Kozers erweitert worde. Seit Oktober 23 ist er Leiter des IFUM der Leibiz Uiversität Haover (LUH). M. S. Thorste Matthias studierte Computergestützte Igeieurwisseshafte a der Leibiz Uiversität Haover. Seit Oktober 27 ist er wisseshaftliher Mitarbeiter i der Abteilug Numerishe Methode am IFUM. IV/29 Behres et al. : Num. Abb. der Formgebug vo Alumiium im teil.... S.9/9 Verlag Meisebah GmbH Fraz-Ludwig-Str. 7a 9647 Bamberg