Sonderdruck aus 05/2017

KonstruktionZeitschrift f ür Produktentwicklung und Ingenieur-Werkstoffe

Berechnung von Werkstoffdaten

Werkstoffdaten- neue Aspekte für die Produkt- undProzessentwicklungWerkstoffe sind gleichzeitig Treiber für Kosten und Innovationen - genormte Materialbezeichnungenund entsprechende Werkstoffdaten reichen oft nicht aus, um ein Optimum an Leistung, ein Minimuman Kosten und stabile Fertigungsprozesse zu erreichen. Dabei ist das Thema vielschichtig: Es beginntmit der systematischen Nutzung von Werkstoffdatenbanken und dem Aufbau eines Wissensmanage¬

ments mit Ankopplung an CAE/PLM-Systeme. Erweiterte Möglichkeiten bietet die Berechnung vonWerkstoffdaten mit der praktischen Werkstoffsimulation (Bild 1).

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BildlWerkstoffe sind Treiber von Innovation und Kosten - exakte Werkstoffdaten sind gerade für Schweißen undWärmebehandlung unverzichtbar, rs/w © Kovalenko \ fotoiia)

Die Möglichkeiten für die Informati¬

onsbeschaffung für Werkstoffe sindvielfältig und in ständigem Wandel.Datenbanken, Fachbücher und On-line-Angebote entwickeln sich weiterund führen letztendlich zu der vielzi¬

tierten Feststellung: Die Vermehrungvon Informationen und Wissen ist kei¬

ne Lösung, sondern ein neues Pro¬

blem.Für die industrielle Anwendung ist

die systematische Nutzung des Werk¬

stoffwissens in den Geschäftsprozessenfür die Produkt- und Verfahrensent¬

wicklung entscheidend. Im Zuge derallgemeinen Digitalisierung - Stich¬

wort Industrie 4.0 - gewinnen spezifi¬

sche interne Wissensbasen in den Un¬

ternehmen zunehmend an Bedeutung.Nach der allgemein üblichen Einfüh¬

rung von ERP/PPS/MES und PLM folgtkonsequent das Thema Werkstoffda¬

tenmanagement. Entsprechende Lö¬

sungen beinhalten dabei:- Formal freigegebene Werkstoffdaten

für die unterschiedlichen Fachdiszipli-

Autor

Dipl.-Ing (TH, FH) Udo MatheeFach- und Wissenschaftsjournalist

Kontakt:Matplus GmbHHerbert-Wehner-Straße 259174 Kamenwww.matplus.de

nen: Konstruktion, Simulation, Ferti¬

gung, Beschaffung- Verweise auf Normen und gegebe¬

nenfalls eigene Liefervorschriften mitinternationalen Umschlüsselungen- Verknüpfungen zu Werkstoffprü¬

fungen intern/extern-Selektionskriterien für eine optima¬

le Werkstoffauswahl-Schnittstellen zu den genutzten Sys¬

temen CAD/CAE/PLM.Spezifische Standardlösungen, wie

zum Beispiel Granta-MI (Bild 2), er¬

möglichen eine schnelle und sichere

Systemeinführung: Die Komplexitätvon Werkstoffdaten wird oft unter¬

schätzt - der Start mit einem bereitsfunktionierenden System, wie zumBeispiel der StahlDat SX (Bild 3), be¬

schleunigt die Einführung und sichertdie Akzeptanz bei den Anwendern.

Steigerung der Komplexitätbei Werkstoffdaten

Genormte Werkstoffe lassen häufigsehr große Analysenspannen zu. Zwarwerden meist Mindestwerte, zum Bei-

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Bild 2Integration von Werkstoffdaten in den Konstruktionsprozess am Beispiel der Schnittstelle von PTC Creo undGranta-Ml. (Bild © Granta-Design Ltd.)

mRegister Europäischer Stahle

• Hersteller. Tecnnscfle Regelwerke

_i • •Amerikanische Normen

£ Ü - SA£

*: i_

j•Ctme$i*efte Noment_J * Eiropaisctie Nomen

•_j. japamsow Nomen

•_

j - Russische Nomen

• Register Europäischer Sterne. _ ... . , . - - • •

• Ü .1 • Statt oder Stahlguss- ii •1 00 1.07 - unlegierter QuaMatsstam

•||.1 08 1 09 - LegierterQuanatsstam• fc.110 119 - unlegierter Edelstahl

* 120 1.89 - Legierter Edetstamfei •120 1 29 - wenceugstan»

• fc .1 30 1 39 - Verschiedene Stahle•140 1 49- Chenwcn beständige :a - ’: £:a - 143

<

H - XSCINI18-10X40NH812

|.14306 - X8ONÖ18-9|.1 4306 - X2Crt4H9-11|.1 4307 - X2CrNH6-9

• GXSCTM19-10i - GX20NU9-11

|. 14310 X100*18-8f yäT >

LÜt:LL:

-

bi 20

Elastizitätsmodul

Wahr* spezifisch* Wärmekapazität ( cpw) Diagramm artfegen

Mittler» spezifisch* Warmckapaziut (cp) Diagramm anzegen

Mrttt*r*r linearer Ausdehnungskoeffizient (alpha) Diagramm anzeigen

Drft*r*nb*fl*r linearer Ausd*hnunBSko*ftizi*nt(«Mt»)

Spezifischer *i*ktnsch*r Widerstand (rho)

Wärmeleitfähigkeit (Lambda)

Diagramm anragen

Diagramm ausbtenden

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Bild 3StahlDat SX - die im Internet verfügbare führende Europäische Datenbank für Stahl kann der Startpunkt fürden Aufbau einer webbasierten In-House Lösung sein. (Bild © Matpius)

häufig Eigenschaften, die beeinflusstwerden sollen. Offen bleibt hingegenhäufig die Frage, welchen Einfluss dieseModifikationen auf die anderen relevan¬

ten Eigenschaften und Prozessparameterhaben. Auf der anderen Seite geben diesezulässigen Bandbreiten der einzelnen Le¬

gierungselemente wiederum einemKonstrukteur die Freiheit, für das jeweili¬

ge Produkt gezielt nach optimalen Be¬

dingungen zu suchen.„Wer diese Zusammenhänge nicht

kennt oder ignoriert, kann selbst beimLaserschweißen eines vermeintlicheinfachen S235 böse Überraschungenerleben. Vor allem wenn sich zusätz¬

lich herausstellt, dass das schon vor¬

handene Blechmaterial aus unter¬

schiedlichen Chargen stammt“ , be¬

richtet der Werkstoffexperte Uwe Diek¬

mann, Geschäftsführer des Software¬

anbieters Matplus GmbH in Kamen.Das Unternehmen ist im deutschspra¬

chigen Raum ein Anbieter führenderLösungen auf den Gebieten Werkstoff ¬

simulation, Werkstoffdatenmanage¬

ment und Wissensmanagement.Doch zunächst muss noch auf ein

grundsätzliches Problem aufmerksamgemacht werden, denn physikalischkonsistente und temperaturabhängigeWerkstoffeigenschaften sind oft kaumverfügbar, da eine experimentelle Er¬

mittlung wegen der erforderlichen sta¬

tistischen Absicherung sehr zeit- undkostenintensiv ist. Exakte Informatio¬

nen, wie zum Beispiel über die Wärme¬

leitfähigkeit, das E-Modul, über Aus¬

dehnungskoeffizienten bei unter¬

schiedlichen Umformgeschwindigkei¬

ten und Temperaturen, werden jedochals Eingangsparameter für weitere Pro¬

dukt- und Prozessoptimierungen mitFEM-Methoden unbedingt benötigt.Im besten Fall wird von den Software¬

herstellern ein Werkstoffdatensatz füreinen Normwerkstoff mitgeliefert. InAnbetracht der tatsächlichen Analy¬

senspannen und daraus folgenden un¬

einheitlichen Eigenschaften ist das je¬

doch bei weitem nicht ausreichend.

Praxisgerechte Simulationder Werkstoffdaten

spiel für die Festigkeit angegeben, aller¬

dings führen die möglichen unter¬

schiedlichen chemischen Zusammen¬

setzungen zu deutlichen Streuungen beianderen Werkstoffdaten, was für nach¬

folgende Produktionsschritte einen rele¬

vanten Einfluss auf die Fertigungssicher¬

heit haben kann. Einerseits geben diesebreiten Analysespannen dem Hersteller

die Freiheit, eine Aluminiumlegierungoder einen Stahl mit unterschiedlichenZielsetzungen zu produzieren und dieAnalytik auf die eigene Herstellroute an¬

zupassen. Dabei wird in der Regel an dieKosten gedacht, wobei die teuersten Ele¬

mente an das Minimum der Bereiche ge¬

legt werden. Auch Korrosionseigen¬

schaften, Festigkeit und Duktilität sind

Eine effektive Abhilfe schafft hiereine analysegenaue Werkstoffdatensi¬

mulation, die mittlerweile zu einemSchlüssel für eine erfolgreiche Entwick¬

lung ressourceneffizienter Produkteund optimierter Fertigungsprozesse ge¬

worden ist. Die Berechnungen basierendabei auf der Verwendung der wissen¬

schaftlich etablierten CalPhaD-Metho-

720

700

680

660

640

620

600

+ t ;fJ + t +

+ 8!i5 : if t; t II 11+ 4 $m t i

i J !v* F *t

* :+$* r

34 35 36 37 38 39

PRE [Wt%]40 41 42

Bild 4Grafische Darstellung der Streckgrenze Rp ü ber der Pitting Resistaance Equivalent Number (PREN ) als Ma ß f ü rKorrosionsbestä ndigkeit f ü r 900 Legierungsvarianten des 1.4517 (GX2CrNiMoCuN25 6 3 3) berechnet mitJMatPro. Lediglich eine Variante (grü n ) erf ü llt alle Zielkriterien. (Bild © Matpius)

I t‘i JMatPro the materials property simulation software.File Material Types Options Utilities help

[wtlFcl Show properties |

- X

wi %AISiMg

MnFeCubrZnBlCaCoLaUMoNlPb

7075

88870.425(L3OS16

0.235.60 00.00.00.00.00.00.00.0

Reset

Alloy type —1i Wrought

Aluminium AlloyExport to DEFORM for forming

r Room temperature 0.2% proof stress after .

O Cast Calculated O User value

Temper designation

® T5 OT6 O0 OHHot forming temperature

Temp. (C) 500

Additional thermal history

© None O Isothermal O Complex

Ageing temperatureTemp, (C) jiso

Time before processing

Time jo . O 1 fh FI

Grain sizeGrain size sr I microns pqj

Start calculation I Help

waiting for user input..

Bild 5Benutzeroberfläche f ü r die Erzeugung einer Materialkarte zur Verwendung in der Umformsimulation von Alumi¬

nium am Beispiel Deform. (Bild © Matpius)

de (Calculation of Phase Diagrams) mitzugehöriger thermodynamischer Da¬

tenbank. Das Ziel ist die Ermittlungvon Phasengleichgewichten für dieeinzelnen Legierungselemente. Die

^Gleichgewichte beschreiben zum Bei- £.spiel die Stabilität beziehungsweise das —Lösungsverhalten der einzelnen Legie- E*

rungselemente in Abhängigkeit der je- ©

weiligen Temperatur. Dadurch legensie die Grundlage für eine effektive inWärmebehandlung und der Abschät- ^zung der jeweiligen Festigkeiten, so- xwohl bei Raumtemperatur als auchwährend der Umformung bei erhöhtenTemperaturen.

Solche komplexen n-dimensionalenUntersuchungen haben heute aller¬

dings längst den Bereich der akademi¬

schen Stabsstellen verlassen und stehensomit den Praktikern in Konstruktionund Fertigung zum Beispiel in Form desWerkstoffsimulationssystems JMatpro(Java-based Materials Properties) zurVerfügung. Diese Software wurde vonSente Software Ltd. (GB) entwickelt undgilt heute als ein Industriestandard. Sieermittelt alle benötigten Werkstoffei¬

genschaften für unterschiedliche Legie¬

rungsvarianten, sowohl für Stähle wiefür Aluminium-, Kupfer-, Nickel- undTitan-Legierungen (Bild 4). Eine Be¬

rechnung von ZTU- und ZTA-Diagram-men sowie des Anlassverhaltens ermög¬

licht wiederum die Beschreibung derGefügeentwicklung über den Herstell¬

prozess bis hin zu Fließkurven für dieUmformsimulation.

„Mit der Möglichkeit solcher Simula¬

tionen entwickelt sich ein umfassende¬

res Werkstoffverständnis - auch in deralltäglichen Praxis“ , weiß Uwe Diek¬

mann aus Erfahrung zu berichten. Dietechnischen Lieferbedingungen ließensich dadurch präzise definieren, „wobeidie zulässigen Normwertebereiche ein¬

geschränkt und auch bestimmte Gefü¬

gestrukturen vom Stahlproduzenten ge¬

fordert werden können.“ All dies erhöhtletztlich die Fertigungssicherheit.

Denn ein wichtiges Entwicklungszielvon JMatPro war immer die anwender¬

freundliche Bereitstellung von Werk¬

stoffdaten für die FEM-Simulation, ins¬

besondere für die Erstarrungs-, Um¬

form- und Wärmebehandlungssimula¬

tion. Demzufolge existieren für gängi¬

ge FEM-Systeme, wie zum BeispielMagmasoft, Simufact, Sysweld, De¬

form HT (Bild 5), automatisierteSchnittstellen, mit denen die nun kon¬

sistenten Datenmodelle direkt in diejeweiligen Systeme importiert werdenkönnen. Dem CAE-Anwender wird es

einfach gemacht: Nach Eingabe derexakten chemischen Zusammenset¬

zung aus einem Zeugnis für die Werk¬

stoffcharge erhält er auf Knopfdruckseine spezifische „Materialkarte“ mitkonsistenten thermophysikalischenDaten. Aufgrund all dieser Möglichkei¬

ten wird die Software heute in vielfälti¬

ger Weise in Branchen wie Stahl, Anla¬

genbau, Automobil, Leichtbau, Gieße¬

rei, Umformtechnik, Wärmebehand¬

lung und Forschung eingesetzt.

SystematischeLegierungsoptimierung

Die schon anfangs erwähnte Band¬

breite der einzelnen Legierungsele¬

mente eröffnet logischerweise einegroße Materialvielfalt, sodass insbe¬

sondere eine systematisch durchge¬

führte Variation der Legierungsanteileletztlich zu einer wahren Explosion derKombinationen führen kann. Dieslässt sich beispielsweise an einem Du-

TTT Duplex Stainless Steel1000

900

BOOs1v ro ]cD

QJ

BC ]

500

4 f 1 —10000.1 in

Time (min)

SIGMA(0.5%)CHI(0 5%)

LAVES(0.5%)ALPHA_CR(0.5%)M(C.N)(0.5%)

Heat treatment :T=1130.0 C AUSTENITE 64.53 FERRITE 35.47

COMPOSITION (Wt%)Fe: 60.595Cr 24 5Cu: 2.8Mn: 1.2Mo: 3.0Ni: 7.0Si:0.7C:0.015N:0.19TRANSITIONS: (C)M6C:not searchedM7C3: not searchedCHI: 970 0M(C,N): 893.0LAVES: 936.2SIGMA: 979.4ALPHA.CR: 646.2M23C6: not searchedM2(C,N): not searched

Bild 6Berechnetes Ausscheidungsdiagramm für unerwünschte Sprödphasen eines Duplexstahls 1.4517 (GX2CrNi-MoCuN25-6-3-3) gerechnet mit JMatPro. rs/w © Matpius )

»— I

CM

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bcf

plex-Stahl (1.4517 - GX2CrNiMo-CuN25-6-3-3) zeigen, wobei hier le¬

diglich die acht wichtigsten Legie¬

rungselemente betrachtet werden sol¬len (Bild 6). Selbst wenn nur das zuläs¬

sige MinimumundMaximum und derdaraus resultierende Mittelwert einesjeden Legierungsanteils berücksichtigtwerden, führt das zu 38 = 6581 Kombi¬nationen. Für eine umfängliche Cha¬

rakterisierung der möglichen Werk¬

stoffeigenschaften und Gefüge-zusam-mensetzungreicht dieses Raster jedochbeiWeitemnicht aus.Dies macht deut¬

lich, dass in umfangreichen Lösungs¬

räumen die jeweils vorhandenen Opti¬ma nicht mehr manuell identifiziertwerdenkönnen.

Diese Aufgabe übernimmt deshalbdie webbasierte Software EDA JM alsErgänzung zuJMatPro. Sie bietet auto¬

matisierte Möglichkeiten, das ganzeSpektrum der vorangegangenen Analy¬

sen nun systematisch zu untersuchen.Dabei filtert EDA JM gezielt Daten ausTausenden von Materialvariantenauch in Abhängigkeit sehr komplexerKriterien heraus. Alle Legierungsvari¬anten werden miteinander verglichenund der Minimal- und der Maximal¬wert für die jeweilige Eigenschaft be¬

stimmt und gleichzeitig kostentech¬

nisch bewertet. Analysen, welche diegeforderten Kriterien erfüllen, werden

zu Sets zusammengefasst, die auch inanderen Darstellungen kenntlich ge¬

macht werden können. Dabei sindauch grafische Vergleiche solcher mul¬tipler Untersuchungen möglich.Durch eine Verknüpfung mit weiterenSelektionskriterien lässt sich schlie߬

lich die optimale Analyse bestimmen.Die hier beschriebenen einzelnen

Schritte können für einen Batch-

Betrieb zusammengefasst werden, “sodass die Berechnungen auch auto- xmatisiert durchgeführt werden kön- Enen. Als webbasierte Groupware M

kann EDA JM auch die vielfältigen JiBerechnungsergebnisse anderer 5JMatPro-Anwender im Haus verwal- ?ten und vergleichen und das inner- I*betriebliche Wissensmanagement Jj-unterstützen. ©

l|| MATPLUS

Software für praktischeWerkstoffinnovationen

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