Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWMBenutzerspezifische Routinen für FE-Programme
Ergänzende Routinen ermöglichen komplexes Materialverhalten in kommerziellen Softwaretools zu berücksichtigen.
Bestimmte Anwendungsgebiete in der Pulvertechnologie wie die Pulververdichtung oder das Sintern werden von kommerziellen FE-Paketen wie Abaqus oder Ansys nur ungenügend abgedeckt. Sie suchen nach einer Simulation für genau Ihr Material? Um diese Lücken zu schließen, bieten wir spezifische Routinen zur direkten Kopplung mit diesen Programmen an. Sie bekommen eine spezielle Softwaredatei, eine sog. USER-Routine, um die Fähigkeiten Ihres FE-Paketes zu erweitern. Das Fraunhofer IWM bietet auch die experimentelle Bestimmung der dafür notwendigen Modellparameter für verschiedenste Werkstoffklassen an. Eine standardisierte Auswertungsprozedur ermöglicht die automatisierte Bestimmung der Parameter basierend auf wenigen Versuchen. Mit dieser Ergänzung können Sie den Ergebnissen der Simulation vertrauen.
Dichteverteilung des Pulvers in einem Bohrer nach dem Kompaktieren.
PressMat: Simulation der Pulververdichtung
Kommerzielle FE-Programme bieten meist vereinfachte Materialmodelle für die Beschreibung der Pulververdichtung, die in der Regel auf dem Drucker Prager Cap Modell basieren. Am Fraunhofer IWM wurde eine erweiterte Version dieses Modells entwickelt und in einer USER-Routine für das FE-Programm Abaqus implementiert. Diese erweiterte Version erlaubt insbesondere die Berücksichtigung der Dichteabhängigkeiten von Radialspannungsverhältnis und Festigkeit. Typische Ausgabegrößen sind dabei die Dichte- und die Spannungsverteilung bei der Pulverkompaktierung. Gegenüber der Standardimplementierung in Abaqus wird auch die detaillierte Entwicklung der Spannungen im Grünling beim Entlasten und Ausstoßen aus der Matrize berücksichtigt. Daneben sind in der Erweiterung weitere Ausgabegrößen – wie etwa die Schädigungsgefahr – verfügbar.
Das Gitternetz zeigt die Geometrie eines Bauteils nach dem Sinterprozess. Die Simulation ermittelt den Einfluss des Sintervorgangs auf Geometrieänderungen.
SintMat: Simulation des Sinterprozesses
Die Simulation von Sinterprozessen kann in den meisten FE-Programmen nicht bzw. nur stark vereinfacht untersucht werden. Am Fraunhofer IWM wurden deshalb mehrere Sintermodelle implementiert, die das Materialverhalten währen der Sinterung beschreiben und mit denen sich der aufgrund von Dichtegradienten, Schwerkraft- und Reibungseinflüssen ergebende Sinterverzug berechnet werden kann. Am Fraunhofer IWM sind sowohl Modelle für das Festphasensintern als auch für das Flüssigphasensintern vorhanden. Daneben können mit den Modellen auch das Sintern von Multimaterialsystemen modelliert werden. Typische Ausgabegrößen sind die Dichteentwicklung oder die inneren Spannungen sowie die Geometrieänderung aufgrund des inhomogenen Sinterschrumpfs.
Die Abbildung zeigt, wie mit Hilfe des Add-Ins DebindMat Transportprozesse in Bauteilen simuliert werden können. Die Farbkodierung entspricht dem lokalen Diffusionskoeffizienten.
DebindMat: Simulation von Transportprozessen
Die Simulation von Transportprozessen beschränkt sich in kommerziellen FE-Programmen meist auf nur eine Spezies. Beim Entbindern treten je nach Zusammensetzung des Binders mehrere gasförmige Spezies auf, die durch das poröse Festkörpergerüst des Grünlings diffundieren bzw. druckgetrieben strömen. Gleichzeitig findet aufgrund von Kapillarkräften ein Transport des flüssigen Binders statt. Um diese Prozesse im Rahmen der FE-Methode zu simulieren, wird ein eigenes USER-Element benötigt, das die erforderlichen Freiheitsgrade zur Verfügung stellt. Damit können Porendruck und Bindergehalt in Abhängigkeit von Prozessparametern berechnet werden. Die Routine kann für Bauteile mit komplexen Geometrien verwendet werden, aber auch für die Betrachtung von eindimensionalen Vereinfachungen in Form von Platte, Zylinder oder Kugel.
Das Add-In AutoPressSint ermöglicht die Simulation des Pressens und des Sinterns von Bauteilen. Die Farbkodierung oben entspricht der Dichteverteilung und das Bild unten zeigt die Geometrie inkl. dem Verzug nach dem Sintern.
AutoPressSint: Simulation des Sinterverzugs
Für die Vorhersage des Sinterverzugs beim Matrizenpressen sind i.d.R. zwei gekoppelte Simulationen notwendig: eine Verdichtungssimulation mit anschließender Sintersimulation, wobei die wesentliche Übergabegröße die Gründichte darstellt. Die manuelle Durchführung solch einer durchgängigen Simulationskette beinhalten viele Teilschritte: Erstellung der Finiten-Element-Netze aus gegebenen Geometriedaten, Bereitstellung der Materialdaten, Vorgabe der Stempelbewegungen bis zur eigentlichen Durchführung der beiden Simulation und ihrer Auswertung. Am Fraunhofer IWM wurde dieser Prozess automatisiert, so dass in Zusammenarbeit mit dem Kunden, der z.B. die Geometrien in einem definierten Format zur Verfügung stellt, eine einzige Excel-Tabelle zum Start der Simulationen ausreichend ist. Die Simulationen selbst sowie die Auswertungen finden anschließend automatisch statt. Dieser automatisierte Workflow kann dabei in einfacher Weise auf die jeweiligen Kundenbesonderheiten angepasst werden.