Promotion zur Lebensdauerbewertung stoßartig belasteter Werkzeugkomponenten

10.09.2021
Von: Prof. Dr. Marcus Wagner

Die im Labor für Finite-Elemente-Methode der Fakultät Maschinenbau durchgeführte Promotion von Philipp Thumann wurde an der TU München erfolgreich abgeschlossen.

Dr. Philipp Thumann konnte seine Promotion im Juli 2021 erfolgreich abschließen.

Dr. Philipp Thumann konnte seine Promotion im Juli 2021 erfolgreich abschließen. Foto: Fotostudio März

FE-Ergebnisse einer Presse mit Umformwerkzeug aus einer dynamisch-expliziten Simulation zum Zeitpunkt der maximalen Belastung im unteren Totpunkt.

FE-Ergebnisse einer Presse mit Umformwerkzeug aus einer dynamisch-expliziten Simulation zum Zeitpunkt der maximalen Belastung im unteren Totpunkt. Grafik: Dr. Philipp Thumann

Am 13. Juli 2021 konnte Philipp Thumann, Doktorand an der Technischen Universität München (TU München) und der Ostbayerischen Technischen Hochschule Regensburg (OTH Regensburg), seine Promotion im Themengebiet der Finite-Elemente-Methode und der Betriebsfestigkeitsanalyse erfolgreich verteidigen. Er promovierte von 2015 bis 2019 am Lehrstuhl für Akustik mobiler Systeme bei Prof. Dr. Steffen Marburg und wurde in Kooperation mit Prof. Dr. Marcus Wagner von der Fakultät Maschinenbau der OTH Regensburg betreut.

Durch den Einsatz schnelllaufender Servopressen werden Werkzeugkomponenten von Umformwerkzeugen stoßartig belastet. Daraus resultieren sowohl Bauteilüberdimensionierungen als auch Schäden an Bauteilen. Um dies zu vermeiden, wurde eine zuverlässige und allgemeingültige Vorgehensweise zur Bewertung der Lebensdauer unter Berücksichtigung dynamischer Einflüsse von Dr. Philipp Thumann entwickelt.

Bisherige Vorgehensweise

Die derzeitige Auslegung von Werkzeugkomponenten basiert entweder auf groben Überschlagsrechnungen oder auf den Erfahrungen des verantwortlichen Konstrukteurs. Hierbei wägt sich die bearbeitende Person in Sicherheit, indem tragende, hoch beanspruchte Teile überdimensioniert werden. Daraus resultiert ein unnötig hoher Materialbedarf für bestimmte Werkzeugkomponenten. Gegensätzlich zur Überdimensionierung treten immer wieder Schäden an Einzelkomponenten auf.

Lösung mithilfe einer analytischen Vorgehensweise

Zur Lebensdauerbewertung stoßartig belasteter Werkzeugkomponenten wird folglich empfohlen, dass die Gesamtanalyse in drei Schritte unterteilt wird:

  1. Dynamisch-explizite FE-Analyse des Gesamtsystems, in dem unter anderem dynamische Effekte der Pressenmaschine, des Werkzeugs und des Umformprozesses der Platine berücksichtigt werden.
  2. Statisch-mechanische FE-Analyse einer Einzelkomponente unter Verwendung von Knotenverschiebungen vordefinierter Bereiche aus der Gesamtmodellsimulation.
  3. Betriebsfestigkeitsbewertung einer Einzelkomponente unter Verwendung des berechneten Spannungsdatensatzes aus der Einzelkomponentensimulation und der Last-Zeit-Funktion aus der Gesamtmodellsimulation.

Mehrwert für zukünftige Betrachtungen

Unter Anwendung der vorgestellten Methode können zukünftig Konstruktionen bereits in der Entwicklungsphase bewertet werden. Zudem können unterschiedliche Prozesseinstellungen und deren Auswirkungen hinsichtlich der mechanischen Belastungen auf einzelne Komponenten, aber auch auf das Gesamtsystem analysiert werden. Das Ziel der Lebensdauerbewertung von stoßartig belasteten Werkzeugkomponenten konnte somit erreicht werden. Zudem kann die vorgestellte Methode auf jedes beliebige mechanisch belastete System angewendet werden.

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