Numerische Simulation

Allgemein

Neben der Durchführung von Prozesssimulationen und der Modellierung von Umformprozessen umfasst das Aufgabengebiet der Arbeitsgruppe Numerik die Entwicklung und Bereitstellung von Modellen und Softwarelösungen zur Lösung umformtechnischer Problemstellungen. Dies umfasst die Kombination und Integration vorhandener Modelle und Teilmodelle in kommerzielle oder selbstentwickelte Simulationstools, die Entwicklung neuer Modellierungstechniken und die Optimierung vorhandener Modelle für geänderte Aufgabenstellungen. Zusätzlich umfasst die Arbeit der Numerik-Gruppe auch die Erarbeitung und Integration von Algorithmen und Verfahren zur Auswertung von Versuchsdaten und Experimenten. Durch die bereitgestellten Tools und Softwarelösungen soll es Mitarbeitern und Studenten des Instituts sowie Kunden und Kooperationspartnern ermöglicht werden, selbstständig die gegebenen Problemstellungen zu bearbeiten. Dies erlaubt es den Projektbearbeitern ihre spezifischen Modellierungs- und Auswerteaufgaben selbstständig und unabhängig von Dritten mit dem von ihnen erarbeiteten Know-How erfolgreich zu lösen. Ein weiteres Arbeitsgebiet ist die Optimierung und Beschleunigung bereits vorhandener sowie neu erarbeiteter Modellierungsansätze mittels Optimierung der Programmierung wie auch Beschleunigung durch die Parallelisierung von Rechenoperationen, z.B. durch CUDA.

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Arbeitsschwerpunkte

Die Arbeitsschwerpunkte der Arbeitsgruppe liegen in der Beschreibung der material-physikalischen Vorgänge innerhalb des Materials vor, während und nach einem Umformprozess. Dies beinhaltet im Wesentlichen:

  • Beschreibung des Stoffflusses
  • Modellierung von dynamischen, metadynamischen und statischen Entfestigungsvorgängen (Erholung, Rekristallisation)
  • Modellierung von Phasenumwandlung und Ausscheidungskinetiken
  • Beschreibung der Temperaturverteilung über die verschiedenen Prozessstufen (Erwärmung, Transport, Umformung, Kühlstrecke)
  • Modellierung von Bindungs- und Haftfestigkeiten beim Plattierungen und anderen Werkstoffverbunden
  • Modellierung von Rauheit und Oberflächentopologie

Bei der Bestimmung der notwendigen Werkstoffparameter für die Beschreibung der einzelnen Teilvorgänge erfolgt eine intensive Zusammenarbeit mit der Arbeitsgruppe für die Werkstoffcharakterisierung. Der Abgleich und die Validierung von Modellrechnungen mit realen Umformprozessen kann sowohl an Hand von Prozessdaten aus Industrieanlagen wie auch auf Grundlage eigener Daten auf den Umformanlagen des Institutes erfolgen.

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Software

Hauptsächlich wird zur Programmierung der selbstentwickelten Modelle und Tools die Programmiersprache Python 3 verwendet. Ergänzend dazu werden einzelne Softwarelösungen in Mathematica und C# angeboten. Für die Berechnung von Phasenumwandlungen und Ausscheidungskinetiken wurde zusammen mit der TU Wien eine Schnittstelle zwischen Mathematica und der thermodynamischen Datenbank MatCalc geschaffen und integriert. Die weitere Ausstattung umfasst:

  • Hauptprogrammierumgebung: Python 3, C#, Wolfram Mathematica
  • FEM/FVM-Software: simufact.forming 12.0, MSC Marc/Mentat 12.0, COMSOL Multiphysics, ANSYS
  • CAS-Systeme: MathCAD, MATLAB
  • AUK (rechnergestützte Auswertung und Korrektur von Fließkurven)

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Hardware

Die Arbeitsgruppe verfügt über moderne und leistungsfähige Einzelplatz PCs und Workstations zur numerischen Berechnung und Modellierung. Diese werden ergänzt durch einen Rechenpool für Studenten mit 8 modernen, leistungsfähigen Einzelplatzrechnern. Diese sind können bei Nichtnutzung für Lehre und Ausbildung für die Parallelisierung von umfangreichen Rechenaufgaben genutzt werden, z.B. durch die CPU/GPU Parallelisierung mittels CUDA.

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Aktuelle Projekte und Forschungsthemen

DFG Forschungsprojekt „Geregelter festflüssig Übergang beim Gießwalzen“

Der Gießwalzprozess zur Herstellung von Blechhalbzeugen aus Mg-Legierungen, Abb.1 , ist mit hohen Temperaturen und vergleichsweise niedrigen Umformkräften in der fest-flüssig Zone verbunden, wobei die verschiedenen Einflussgrößen starke Schwankungen der Mikrostruktur des Bleches hervorrufen. Dabei spielen Position und Verlauf der Erstarrungsfront sowie deren relative Lage zur Fließscheide im durcherstarrten Bereich eine entscheidende Rolle für die Mikrostrukturbildung im Halbzeug. Die örtlich aufgelöste Messung von Temperatur- und Druckverteilungen auf und in der Walze sollen in Verbindung mit Kennfelder generierenden Simulationsmodellen für den Gießwalzprozess u.a. Informationen über Lage und Form der Erstarrungsfront sowie den Spannungs- und Formänderungszustand liefern und in Verbindung mit angepassten Werkstoffmodellen einen Rückschluss auf den mikrostrukturellen Zustand des Blechs im laufenden Gießwalzprozess ermöglichen. Durch Erstellung einer Korrelation zwischen Sensordaten an der Walzenoberfläche im Gießspalt sowie zusätzlichen Messstellen außerhalb und den erzeugten finalen Eigenschaften wie Zugfestigkeit, Bruchdehnung, Härteverteilung und Homogenität der Mikrostruktur soll die Voraussetzung eines mikrostruktur- und eigenschaftsgeregelten Gießwalzprozesses geschaffen werden, Abb.2.

Abb1: Horizontale Gießwalzanlage des Instituts für Metallformung zur Erzeugung von 5mmx700mm Magnesiumband.

Abb.2: Neue Regelungsmöglichkeiten zur Verbesserung der Werkstoffeigenschaften in nachfolgenden Prozessschritten durch Kombination von zusätzlichen Messsignalen mittels Smart-Sensoren (IWU-Chemnitz) und schnellem Prozessmodellen für das Gießwalzen (IMF)


 

 

 

  

Mehr Informationen: http://spp2183.de/projekte-im-spp/projekt-6/

Ansprechpartner:

Institut für Metallformung:

Prof. Dr. Ulrich Prahl

Priv. - Doz. Dr. habil. Matthias Schmidtchen

M.-Sci. Szymon Kwiecien


Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik:

Prof. Dr. Welf Drossel

Dipl.-Ing. Lucas Hamm 


DFG Forschungsprojekt „Laminierte Werkstoffverbunde aus TRIP/TWIP-Stählen mit maßgeschneiderten Eigenschaften“ 

Im Rahmen des Sonderforschungsbereichs (SFB) 799 der TU Bergakademie Freiberg, gelang es den Forschenden der TU Freiberg Stähle mit herausragenden mechanischen Eigenschaften – hochlegierte TRIP und TWIP-Stähle zu entwickeln. Die Eigenschaften dieser unterschiedlichen Stähle sollen nun mithilfe des „accumulative roll bondings“ miteinander kombiniert werden. Dazu werden Proben bestehend aus Stahlblechen der verschiedenen Legierungen in alternierender Reihenfolge wiederholt plattiert. Das Ziel der Forschenden ist neben der Einstellung stabiler Prozessbedingungen den Werkstoffverbund vollständig zu charakterisieren. Ein besonderes Augenmerk liegt dabei auf der Bindungszone der Verbundpartner. Dies geschieht mithilfe von REM und EBSD Untersuchungen am Institut für Werkstofftechnik der TU Freiberg unter Leitung von Prof. Biermann. Am Institut für Metallformung wird daran gearbeitet, den Prozess modelltechnisch zu erfassen und ihn real umzusetzen. Das zu entwickelnde Simulationstool soll neben den charakteristischen Größen des Plattierens wie Walzkraft und Walzmoment auch Aussagen zur Haftfestigkeit des Verbundes ermöglichen. Dazu werden bereits vorhandene Modelle erweitert und synergetisch miteinander verbunden. 

ARB Prozess und Mikrostruktur in der Bindungszone
Ansprechpartner:
Institut für Metallformung: 
Herr Prof. Dr. -Ing. Ulrich Prahl
Herr PD Dr. -Ing. habil. Matthias Schmidtchen
Herr Dipl. -Ing. Christoph Renzing

Institut für Werkstofftechnik:
Herr Prof. Dr. -Ing. habil. Horst Biermann
Frau PD Dr. -Ing. habil. Anja Weidner
Herr Dr. -Ing. Mikhail Seleznev 


FOR3010 Multifunktionale, grobkörnige, refraktäre Verbundwerkstoffe und Werkstoffverbunde für großvolumige Schlüsselbauteile in Hochtemperaturprozessen (Refrabund)

Partikelsimulation Im Projekt sollen Verbundwerkstoffe für Feuerfestanwendungen bestehend aus Aluminiumoxid und metallischem Tantal bzw. Niob entwickelt werden. Dabei liegt das Augenmerk sowohl auf der Werkstoffcharakterisierung als auch auf der Entwicklung von Herstellungstechnologien.

Die Materialien zeichnen sich vor allem durch ihre elektrische Leitfähigkeit aus, was sie für Funktionsbauteile im Feuerfestbereich interessant macht.

Das Teilprojekt 4 beschäftigt sich hierbei mit der numerischen Simulation der Vorgänge während des Sinterns besagter Werkstoffe.

Bisherige Ansätze zur Simulation des Sinterns basierten vorrangig auf stark vereinfachten Partikelgeometrien oder gar kontinuumsmechanischen Ansätzen. Im Projekt soll eine mikroskopische Simulation mit realitätsnäheren Partikelgeometrien aufgebaut werden, welche dann als Grundlage für eine kontinuumsmechanische Beschreibung des Bauteilsinterns dienen soll.

Die Verbesserung des Beschreibung der Partikelgeometrien verspricht eine signifikante Erhöhung der Genauigkeit der Simulation von Sintervorgängen, da das Sinterverhalten maßgeblich von der Gestalt der Partikeloberfläche abhängig ist.

Mit der Simulation sollen das experimentelle Vorgehen unterstützt bzw. die experimentellen Ergebnisse erklärt werden können.

Mehr Informationen:
https://tu-freiberg.de/forschung/for3010

Ansprechpartner:
Institut für Metallformung: 
Herr Prof. Dr. -Ing. Ulrich Prahl
Herr PD Dr. -Ing. habil. Matthias Schmidtchen
Herr Dipl. -Ing. Max Weiner

TU Bergakademie Freiberg (Sprecher):
Herr Prof. Dr.-Ing. habil. Christos G. Aneziris
KIT Karlsruhe (stellv. Sprecher):
Prof. Dr. Martin Heilmaier


RFCS-Forschungsprojekt FastLoRoll “Fast simulation tool for long product rolling”

Ziel des Projektes ist die Entwicklung einer schnellen Simulationssoftware für die Analyse von mehrstufigen Langprodukt-Warmwalzprozessen. Es soll unter anderem ermöglicht werden den Materialfluss, den Temperaturabfall, die Entwicklung der Austenitkorngröße, die mechanischen Eigenschaften und die Porenentwicklung unter Temperatur- und Dehnungsfeldern zu berechnen. Diese schnelle Simulationssoftware wird nach zwei verschiedenen numerischen Verfahren implementiert, einem 2,5D Lagrange-Code, welcher am IMF entwickelt wird und einem 3D Euler-Code, welcher bei CSM entwickelt wird. Diese beiden Modelle weisen unterschiedliche Schwächen und Stärken auf und sollen durch ihre Kombination eine schnelle und genaue Berechnung des Warmwalzprozesses ermöglichen. Hierbei liegen die Stärken des 3D Euler-Code in der schnellen Berechnung wohingegen mit dem 2,5D Lagrange-Code eine genauere Berechnung ermöglicht werden kann.

Visuelle Projektdarstellung

Ansprechpartner:

Institut für Metallformung:

Herr Prof. Dr.-Ing. Ulrich Prahl

Herr PD Dr.-Ing. habil. Matthias Schmidtchen

Herr M. Sc. Nico Kaden


RINA CONSULTING - CENTRO SVILUPPO MATERIALI SPA (IT):

Herr Dr. Luigi Langellotto


INSTYTUT METALURGII ZELAZA IM STANISLAWA STASZICA (PL):

Herr Prof. Roman Kuziak


O.R.I. MARTIN - ACCIAIERIA E FERRIERA DI BRESCIA SPA* (IT):

Herr Maurizio Tanforlin


CMC Poland sp. z o.o. (PL):

Herr Zbigniew Kutyla




Literatur

Schmidtchen, M.; Spittel, M.; Eisentraut, H.; Neuhaus, P.; Schubert, W.; Theile, R.: Walzplattieren - Technologie- und Eigenschaftsoptimierung durch numerische Simulation, 6. Sächsische Fachtagung Umformtechnik (SFU), Dresden, 1999, S.194-209

Schmidtchen, M.; Spittel, M.; Kawalla, R.; Neuhaus, P.: Eigenschafts- und Technologieoptimierung bei der Herstellung von walzplattiertem Kalt- und Warmband in: Wielage, B.; Leonhardt, G. (Hrsg.): Verbundwerkstoffe und Werkstoffverbunde, DGM-Tagung: Verbundwerkstoffe und Werkstoffverbunde 9, Chemnitz, 2001, Wiley-VCH Verlag GmbH, 2001, S. 8-17

Zou, M.; Gutierrez, I.; Bianchi, J.H.; Wiklung, O.; Schmidtchen, M.; Karajalainen, P.: Constitutive Modeling Complex Loading in Metal Forming Processes, ECSC Reporte Nr.: R631 (März 2002 - März 2005)

Schmidtchen, M.: Walzplattieren von flächigen Mehrlagenverbunden - Experiment und Theorie in: Kawalla, R. (Hrsg.): MEFORM 2004: Technologie der Werkstoffverbundherstellung durch Umformen, Freiberg, 2004, ISBN 3-86012-193-6, S. 29-52

Kawalla, R.; Hadasik, E.; Schmidtchen, M.: Zusammenhang zwischen Halbzeugeigenschaften, Stofffluss und Haftungsaufbau in: Kawalla, R. (Hrsg.): MEFORM 2004: Technologie der Werkstoffverbundherstellung durch Umformen, Freiberg, 2004, ISBN 3-86012-193-6, S. 136-146

Hermann, H.; Schmidtchen, M.; Ionov, A.; Ionov, S.: Modellierung des Schmiermitteleinflusses auf Umformprozesse, Berg- und Hüttenmännischer Tag, Freiberg, 2005, Freiberger Forschungsheft B332, ISBN 3-86012-257-6, S. 128ff.

Schmidtchen, M.; Kawalla, R.; Engl, B.: Plattieren von Magnesiumband mit Aluminiumfolien in: Kawalla, R. (Hrsg.): MEFORM 2006 - Herstellung- und Verarbeitungstechnologien für Magnesium- und Aluminiumwerkstoffe, Freiberg, 2006, ISBN 3-86012-273-8

Schmidtchen, M.; Kawalla, R.: Tribologisch und werkstofftechnisch optimierte Prozesskette des Kaltwalzens und Nachwalzens von Bändern und Blechen in: Kawalla, R. (Hrsg.): MEFORM 2008 - Simulation von Umformprozessen, Freiberg, 2008, ISBN 978-3-86012-336-2, S. 245-261

Schmidtchen, M.; Kawalla, R.; Hagemann, P.: Werkstoffverbunde für Nanostrukturen in: Kawalla, R. (Hrsg.): MEFORM 2010 - 80 Jahre Walzwerks- und Werkstofftechnologie in Freiberg, Freiberg, 2010, ISBN 978-3-86012-393-5, S. 291-302

Schmidtchen, M.; Kawalla, R.: Multiscale Modeling of Rolling Processes and Bond Strength Development for Layered Materials, steel research int. (81), 2010, No. 9, Special Edition proc.: Proceedings of the 13th International Conference on Metal Forming, Toyohashi (Jpn.), 2010, S. 230-233

Hagemann, P.; Kawalla, R.; Jungnickel, W.; Schmidtchen, M.: Influence of Initial state and chemical composition on the hardening and softening kinetics in hot metal forming, Computer Methods in Material Science, Vol. 11, 2001, No. 1, S. 155.162

Hagemann, P.; Kawalla, R.; Korpala, G.; Schmidtchen, M.: The influence of the Initial state on the softening and precepitation kinetics in hot metal Forming, Thermec 2011, Aachen, 2011, Material Science Forum, Vol. 706-709, 2012, S. 1397-1402

Schmidtchen, M.; Spittel, M.: Fliesskurven für die Kalt- und Warmumformung in: Kawalla, R: MEFORM 2011 - Werkstoffkennwerte für die Simulation von Umformprozessen, Freiberg, 2011, ISBN 876-3-86912-421-5, S. 35-64

Schmidtchen, M.; Schneider, J.; Kawalla, R.: Simulation of Material Flow and Microstructure Evolution in Rolling Processes Using a Layer Model in: Proceedings 5th International Conf. on Magnetism and Metallurgy WMM, Gent, 2012, ISBN: 978-9-08156-241-6 

Ullmann, M.; Graf, M.; Schmidtchen, M.; Kawalla, R.: Metadynamic Recrystallization of Twin Roll Cast AZ31 Alloy during Hot Deformation, Procedia Engineering (81), 2014, Proceeding of the 11th International Conference on Technology of Plasticity, Nagoya (Jpn.), 2014, p. 1559-1564

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