Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWMAuslegung von Steckverbindern und elektrischen Kontaktierungen
Wir analysieren, bewerten und optimieren auf der Basis werkstoffmechanischer Modellierungsansätze und fortschrittlicher Simulationsmethoden die Formgebungs- und Umformprozesse für Steckverbinder einschließlich ihrer Werkzeuge und zugehöriger Fertigungsschritte. Wir finden eventuelle Schwachstellen im Fertigungsprozess und klären ihre physikalischen Ursachen auf. Zusätzlich verknüpfen wir die Mikrostruktur der Werkstoffe mit ihren Werkstoffeigenschaften, um Eigenschaftsänderungen während der Fertigung zu simulieren. Auf dieser Grundlage entwickeln wir für unsere Kunden Empfehlungen zur Verbesserung der Fertigungsprozesse und wie sie Schwachstellen in der Auslegungsphase vermeiden, beziehungsweise in ihren Auswirkungen beherrschen können.
Preiswürdig: Materialmodell für eine effizientere Auslegung von Steckverbindern aus Kupfer
Zuverlässige Steckverbinder durch Simulation der Herstellprozesse und des Betriebsverhaltens
- Unterstützung bei Planung und Auslegung von Schneid- und Umformprozessen: Crimpen (Funktion mechanisch, elektrisch), Kompensation der Rückfederung
- Simulation ganzer Fertigungsketten
- Simulation des Verhaltens in Betrieb
- Entwicklung und Anwendung fortschrittlicher Werkstoffmodelle zur Beschreibung von: Temperatureinflüssen (Relaxation), Vibrationen (Lebensdauer) oder elektrischen Eigenschaften
- Experimentelle Untersuchung des Relaxationsverhaltens
- Experimentelle Untersuchungen zum Rückfederungsverhalten
Gewalzte Cu-Werkstoffe: Charakterisierung und Simulation zeitabhängiger Eigenschaften
Kupfer nimmt bei der technologischen Entwicklung aufgrund seiner herausragenden Wärme- und elektrischen Leitfähigkeit eine Schlüsselrolle ein. Darüber hinaus zeigt Kupfer ein ausgeprägtes Relaxationsverhalten, das zum frühzeitigen Ausfall von Bauteilen infolge der thermischen und mechanischen Belastung führen kann, aber bei der statischen Bauteilauslegung bisher nur überschlägig berücksichtigt wird. Um die durch Umformung hergestellten Cu-Komponenten mittels numerischer Simulation zuverlässiger auszulegen, muss die Spannungsrelaxation bei der Bauteildimensionierung in den Simulationsmodellen mit berücksichtigt werden.
Messung und Modellierung des Cu-Relaxationsverhaltens
Für die Modellierung und Simulation des Relaxationsverhaltens ist die Messung der mechanischen Werkstoffeigenschaften die zentrale Voraussetzung. Anhand von experimentellen Daten können die mechanischen Werkstoffeigenschaften charakterisiert und auch quantifiziert werden. Im Anschluss werden die Modellparameter eines am Fraunhofer IWM erweiterten Chaboche-Modells mit dem dehnratenabhängigen Perzyna-Term in Abhängigkeit von der Temperatur bestimmt (Abbildung 1).
Vorhersage des Bauteilverhaltens beim Umformprozess und Gebrauchseinsatz mittels FE-Simulation
Mit dem angepassten Werkstoffmodell ist es beispielsweise möglich, die verformte Geometrie nach dem Umformprozess einschließlich der Rückfederung eines CuNiSi-Steckverbinders vorauszuberechnen. Neben weiteren Berechnungsmöglichkeiten kann der zeitliche Verlauf der bezogenen Klemmkraft bei unterschiedlichen Auslagerungstemperaturen im Voraus bestimmt (Abbildung 2) werden. Damit lassen sich die verbliebenen Klemmkräfte für repräsentative Last-Temperatur-Zyklen bestimmen oder die Geometrie des Steckverbinders für eine höhere Bauteilzuverlässigkeit konstruktiv verbessern.
Publikationen
- Weber, M.; Helm, D., Bessere Werkstoffsimulation für Steckverbinder. Analyse und Bewertung des mechanischen Verhaltens von Kupferbauteilen mithilfe von FE-Simulation, Wt Werkstatttechnik online /1/2 (2018) 79-81 Link
- Weber, M.; Helm, D., Prediction of the behaviour of copper alloy components under complex loadings by electro-thermomechanical coupled simulations, Materials Science and Technology (2018) 9 Seiten Link