Technologiezentrum Leichtbau

• Materialversuche jeglicher Art (Zug-, Druck-, Scherung-, etc.)
• Erstellung von Materialmodellen (isotrop, anisotrop, thermisch…)
• Erstellung von Versagensmodellen (GISSMO, Johnson Cook, etc.)
• Erstellung (thermischer) Grenzformänderungskurven nach Nakajima

Mit der Analyse und Beurteilung von Werkstoffen wird deren Performance bzw. Qualität sichergestellt. Das TZL legt dabei einen besonderen Fokus auf Leichtbauwerkstoffe wie beispielsweise hochfesten Aluminiumlegierungen oder hybriden Verbindungen aus Aluminium und CFK. Eine Material- und Versagenscharakterisierung dient in der Entwicklungsphase als Ausgangspunkt für Simulationsmodelle und bietet somit die Gewissheit, dass die virtuell erzeugten Ergebnisse den realen entsprechen.

Eine Besonderheit des TZL ist hierbei die Erstellung von Grenzformänderungskurven in Abhängigkeit von der Temperatur, was insbesondere für Umformprozesse relevant ist. Dies wird über ein beheiztes Nakajima-Werkzeug erreicht.

• FE-Analysen
  • Statisch (linear/nichtlinear, Betriebsfestigkeit…)
  • Implizite/Explizite Analysen
  • Modalanalysen
  • Thermische Analysen
• Crash- und Umformberechnungen

Die Strukturmechanik ist eine Disziplin zur Berechnung von Verformungen, Kräften bzw. inneren Spannungen und beschäftigt sich somit mit der Beanspruchbarkeit technischer Systeme. Dazu zählen beispielsweise Fragestellungen wie die Crashperformance von Sicherheitsbauteilen, die Knicksicherheit von Robotergreifern oder umformtechnische Fragestellungen wie die Ausdünnung in einem Bauteil.

Die am weitesten verbreitete Methode zur Lösung strukturmechanischen Probleme ist die Finite Elemente Methode (FEM). Das TZL beschäftigt sich neben der Anwendung entsprechender FE-Analysen auch mit weiterführenden Fragestellungen wie beispielsweise dem Benchmark verschiedener FE-Programme.

• Topologieoptimierung
• Parameter- und Faseroptimierung
• Formoptimierung
• Gitterstrukturoptimierung

Bisher wurde die Topologieoptimierung meist technologisch getrieben. Das heißt, die Gestalt des Bauteils hing nur von den eingeprägten Kräften (= wirkenden Lasten) und dem verwendeten isotropen Materialgesetz ab. Zur Überwindung dieser Limitierungen sollen im TZL verstärkt anisotrope Werkstoffmodelle angewendet und das Verfahren in Richtung werkstoffgerechte Gestaltung (Funktionsintegration, Ergonomie, Ästhetik) und Festigung verbessert werden.

Gerade die frühe Einbeziehung der dem Gestaltungsprozess nachgelagerten Fertigungsaspekte (wie z.B. Rippenabstand, Entformungsschrägen, Vermeidung von Materialanhäufung) stellen für die breite Anwendbarkeit der Topologieoptimierung noch eine Barriere dar. Zur Validierung und Darstellung komplexer Geometrien sollen hierbei u.a. auch generative Verfahren wie 3D-Druck eingesetzt und dabei auch Verfahren und Prozesse für 3D-Druckteile optimiert werden. Insbesondere auf Bedürfnisse der regionalen Industrie wird hierbei eingegangen wie z.B. bei Funktionsprototypen für Werkzeuge, generativ hergestellten Prototypwerkzeugen für Blechbauteile oder Produkte für die Medizintechnik.

• Thermisch unterstützte Umformprozesse (Hotforming, W-Temper, Warmforming)
• Umformsimulation
• Verwendung hochfester Aluminiumlegierungen (z.B. EN AW-7xxx)
• Umformung hybrider Bauteile

Die Forschungsaktivitäten des TZL gehen weit über die klassische Formgebung hinaus. So wird bspw. die zur Prozessdatenerzeugung notwendige Sensorik bereits im Werkzeug konstruktiv berücksichtigt. Dies gilt neben Heizelementen auch für Wegaufnehmer zur Positions-/Geschwindigkeitsmessung, pneumatische Kurzhubzylinder zur integrierten Härtemessung des Bauteils, Accelerometern und Thermoelementen zur Temperaturerfassung des Werkzeugs bzw. der Platine. Die hierbei erfassten Daten können dann zur Prozesskontrolle, zum Anlernen einer KI oder Ähnlichem verwendet werden.

Im TZL stehen die am Markt gängigen Softwarewerkzeuge zur Srukturoptimierung der Firmen Altair (Optistruct, Inspire), ANSYS, CAESS (ProTOp), Dassault (Tosca), LSTC (LS-TaSC) zur Verfügung.

Das an der Hochschule Aalen entwickelte Streifenziehwerkzeug nach dem Flachbahnprinzip ist ein Modellverfahren, welches in der Blechumformung als Standardversuch gilt. Der Flachstreifenziehversuch ermöglicht wesentlichen die Reibungszahl beeinflussenden Kenngrößen, wie Flächenpressung bzw. die Normalkraft (bis zu 65,5 kN), Ausziehgeschwindigkeit des Blechs (bis zu 8 mm/s) und die Umgebungstemperatur (bis +200 °C), in der Blechumformung gezielt zu variieren.

Mit dem Werkzeug werden, zwischen zwei Reibbacken eingespannte, Blechstreifen unterschiedlicher Blechstärken (1 – 8 mm) gezogen. Zur Ermittlung des Reibkoeffizienten für Warmblechumformung wurde das Werkzeug für hohe Umgebungstemperaturen ausgelegt.

Der Reibkoeffizient wird über die wirkende Normalkraft im Streifenziehwerkzeug und die Auszugskraft der Zugprüfmaschine ermittelt. Die Normalkraft und die Auszugskraft werden Digital aufgenommen. Die Versuche können mit Analyse-Tools ausgewertet werden. Der mittels Werkzeug ermittelte Reibkoeffizient gibt Aufschlüsse über Reib- und Verschleißverhalten von Werkstoffen in der Blechumformung.

Das ARAMIS Produktportfolio umfasst Sensoren zur dynamischen Erfassung von 3D-Koordinaten, 3D-Verschiebungen und 3D-Oberflächendehnungen. Auf Basis von Triangulation liefern die Systeme präzise 3D-Koordinaten für vielflächige und punktbasierte Messungen. 

Das an der Hochschule Aalen entwickelte und gefertigte Nakajima-Werkzeug ist ein beheizter Prüfstand zur Ermittlung von Grenzformänderungskurven bei verschiedenen Umform-temperaturen (bis 200 °C). Die Auswertung der FLD erfolgt dabei durch das optische 3D-Messsystem GOM ARAMIS, welches in der Presse und im Werkzeug konstruktiv berücksichtigt wurde.

Der Neuheitsgrad dieses Umformwerkzeugs basiert darauf, dass die für die Prozessdatenerzeugung notwendige Sensorik bereits im Werkzeug integriert wurde. So sind neben Heizelementen auch ein magnetostriktiver Wegaufnehmer zur Positions-/Geschwindigkeitsmessung, ein pneumatischer Kurzhubzylinder zur Härtemessung des Bauteils, ein Accelerometer und Thermoelemente zur Temperaturerfassung des Werkzeugs bzw. der Platine bereits konstruktiv berücksichtigt. Die beheizten Bereiche wurden über Isolierungen von der Presse bzw. Normteilen thermisch getrennt, um deren Funktionalität auch bei beheizten Umformprozessen langfristig zu gewährleisten.

Leichtbau, ein Anwendungsfeld von SmartPro, bietet für viele Produkte sehr großes Material- und Energieeinsparpotenzial. Leichtbaukonzepte haben das Primärziel, das Gewicht eines Bauteils unter Berücksichtigung verschiedener Faktoren zu minimieren.

Ziel des Projektes TRICLA ist eine Erweiterung des SmartPro – InDiMat Projektes, damit hybride faserverstärkte Strukturbauteile kraftflussgerecht und mithilfe von Strukturoptimierungsmethoden effizient ausgelegt werden können, um die virtuelle Produktentwicklung nachhaltig zu verbessern. Die gezielte Gestaltung von faserverstärkten, crashrelevanten Bauteilen mittels der Topologie- / Form- und Parameteroptimierung wird untersucht und weiterentwickelt. Der Fokus liegt auf der Berücksichtigung dynamischer Lasten und deren Implementierung in den Konstruktionsprozess mittels Simulationsmethoden. Hierzu sind entsprechende Grundlagenexperimente und Validierungsversuche geplant. Anschließend werden die untersuchten hybriden Crashbauteile hergestellt und analysiert

Veröffentlichungen zu SimKI

Industry of Things, 8.6.2020

Konstruktion & Entwicklung, 28.7.2020

Wirtschaft digital Baden-Württemberg