Integriert simulieren: Metalle

Hohe Qualität in der Verarbeitung hängt vom Werkstoffwissen ab.

Fraunhofer IWM hat eine integrierte Werkstoffsimulation entwickelt, die bis ins mikroskopische Detail vorausberechnen kann, wie sich Bleche beim Walzen verändern. Das Simulationswerkzeug ist anwendbar für konventionelle Stähle, Magnesium und Aluminium und soll nun für neue Materialklassen weiterentwickelt werden. IWM-Mitarbeiter Tom Walde erhielt dafür im Mai den Werkstoffmechanikpreis 2005.

Freiburg – Metallisches Halbzeug – etwa Platinen, Bänder, Profile und Drähte – wird in vielen Fertigungsprozessen verwendet. „Metall ist sehr gut formbar und flexibel, aber man muss seine Möglichkeiten und Grenzen genau kennen, um hochwertige Produkte daraus fertigen zu können“, beschreibt Hermann Riedel, Leiter des Geschäftsfelds „Werkstoffbasierte Prozess- und Bauteilsimulation“ im Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM in Freiburg, die Herausforderung dieser Werkstoffklasse. Karosserieteile federn nach dem Umformen in schwer vorhersagbarer Weise zurück, stark beanspruchte Stellen können schon bei der Herstellung brechen. Um dies zu vermeiden, wurde am Fraunhofer IWM jetzt eine integrierte Werkstoffsimulation entwickelt, die bis ins mikroskopische Detail vorausberechnen kann, wie sich Bleche beim Walzen verändern. Das Simulationswerkzeug ist anwendbar für konventionelle Stähle, Magnesium und Aluminium und soll nun für neue Materialklassen weiterentwickelt werden. IWM-Mitarbeiter Tom Walde erhielt dafür im Mai den Werkstoffmechanikpreis 2005.

In der Mikrostruktur verbergen sich die Grenzen metallischer Werkstoffe. Wie in der Heftklammer, die sich, einmal geknickt, nicht mehr gerade biegen lässt. Das Ziel am Fraunhofer IWM: Diese werkstoffmechanischen Grenzen nachvollziehbar zu machen und so exakt zu beschreiben, dass sie voraus zu berechnen sind. Dafür muss man offenbar ganz im Kleinen anfangen: „Ein Einkristall verformt sich durch kristallographische Gleitung, da verschieben sich Atomlagen gegeneinander“, erläutert Preisträger Tom Walde. Durch die Verschiebung entstünden Versetzungen, und deren Dichte wiederum sage aus, wie stark der Kristall verfestigt ist.

Durch das Modell einer belgischen Forschergruppe bildete der 30-jährige die Versetzungsstruktur in seinem Texturmodell ab. Das Texturmodell wiederum berücksichtigt auf der nächst höheren Skala bei der Verformung die Orientierungen der den Polykristall bildenden Körner. Das Texturmodell verknüpfte Walde wieder – mit einem Simulationsmodell auf Basis der Finite-Elemente-Methode. Diese Simulation über drei Größenskalen kann nun die Veränderungen in Blechen beim Walzen über die gesamte Prozesskette hinweg simulieren und somit exakt voraussagen. Die Materialgrenzen der Heftklammer sind damit nachvollziehbar.

Dies haben mittlerweile sowohl experimentelle Tests am Halbzeug als auch röntgenografische Messungen der Werkstofftextur bestätigt. Für diese im Rahmen seiner Dissertation durchgeführten Arbeiten erhielt Tom Walde nun im Mai den von der Firma Sinterstahl GmbH in Füssen gestifteten Werkstoffmechanik-Preis für vielversprechende Fraunhofer-Nachwuchsarbeiten.

Für IWM-Geschäftsfeldleiter Hermann Riedel hat die integrierte Simulation des mechanischen Verhaltens von Metallen gerade erst begonnen. „Der Bedarf der Industrie ist groß. Neben den konventionellen Stählen und Leichtbauwerkstoffen wollen wir uns nun den mehrphasigen Stählen, den TWIP-Stählen (für twinning induced plasticity) sowie Elektroblechen aus Eisen-Silizium widmen“, kündigt er an. Ein Anfang ist bereits gemacht: Manche Modelle aus dem integrierten Simulationsbaukasten sind bereits jetzt für alle Metalle anwendbar.

Ansprechpartner:
Prof. Dr. Hermann Riedel, Tel. 0761 / 5142 – 103,
Email hermann.riedel@iwm.fraunhofer.de
Dr. Tom Walde, Tel. 0761 / 5142 – 207,
Email tom.walde@iwm.fraunhofer.de