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Franz Reuther
Martin Dix (Hrsg.)
Simulationsbasierte Prozessauslegung des Hohlprägewalzens zur umformtechnischen Herstellung von Bipolarhalbplatten
DIN A4, 188 Seiten, Hardcover
ISBN: 9783957351944
Verlag Wissenschaftliche Scripten
Für die Ausweitung der Wasserstoffnutzung als Energieträger in verschiedenen Anwendungsszenarien ist die kostengünstige Produktion von Bipolarhalbplatten (BPHP) für Brennstoffzellen von entscheidender Bedeutung. Kontinuierliche Walzverfahren gelten aufgrund der größeren Produktionsraten gegenüber etablierten Umformverfahren als vielversprechender Ansatz zur Kostensenkung. Allerdings ist der Technologiereifegrad aufgrund zahlreicher offener technologischer Fragestellungen derzeit noch zu gering für eine industrielle Serienproduktion. Aufbauend auf den Defiziten und offenen Fragestellungen des derzeitigen Standes der Wissenschaft und Technik wird in der vorliegenden Arbeit ein effizienter Modellierungsansatz für die FE-Simulation des Hohlprägewalzens entwickelt und dieser an diskontinuierlichen Flussfelddesigns validiert. Die prognostizierte BPHP-Qualität wird anschließend mit Bezug auf etablierte Umformverfahren be-wertet und durch technologische Maßnahmen verbessert. Die abgeleiteten Wirkzusammenhänge und relevanten Prozessparameter dienen einer Vertiefung des Prozessverständnisses und sind zugleich Grundlage für die zukünftige Anlagenentwicklung einer BPHP-Umformung durch Hohlprägewalzen.
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
2 Stand der Wissenschaft und Technik
2.1 Aufbau und Wirkungsweise von PEM-Brennstoffzellen
2.2 Bipolarplatten für PEM-Brennstoffzellen
2.2.1 Funktionen, Anforderungen und Werkstoffe
2.2.2 Flussfeldgestaltung und Kanalquerschnitte metallischer Bipolarhalbplatten
2.3 Anforderungen an die umformtechnische Herstellung metallischer Bipolarhalbplatten
2.4 Konventionelle Verfahren zur Umformung metallischer Bipolarhalbplatten
2.4.1 Hochdruckblechumformung
2.4.2 Hohlprägen
2.4.3 Prägen mit Elastomerwerkzeugen
2.5 Walzverfahren zur Umformung metallischer Bipolarhalbplatten
2.6 FE-Simulation im Kontext der Bipolarhalbplatten-Umformung
2.6.1 Herausforderungen der Umformsimulation von Bipolarhalbplatten
2.6.2 Simulation von konventionellen Verfahren zur Bipolarhalbplatten-Umformung
2.6.3 Simulation von Walzverfahren zur Bipolarhalbplatten-Umformung
2.7 Werkstoffprüfung und -modellierung dünner metallischer Bänder
2.8 Größeneffekte der Mikroumformung
2.9 Zusammenfassung des Standes der Wissenschaft und Technik
3 Zielsetzung und Vorgehensweise
4 Effiziente Modellierung des Hohlprägewalzens
4.1 Werkstoffcharakterisierung und -modellierung
4.1.1 Untersuchungswerkstoff und Methoden zur mechanischen Charakterisierung
4.1.2 Quasistatische und Hochgeschwindigkeits-Zugversuche
4.1.3 Bulge-Versuche
4.1.4 Modellierung des elastisch-plastischen Werkstoffverhaltens
4.2 Einführung einer Validierungsgeometrie und Aufbau eines Referenzmodells
4.3 Ergebnisse der Referenzsimulation
4.4 Vergleich und Auswahl der Modellrandbedingung zur Reduzierung der Berechnungszeit
4.4.1 Analyse der Berechnungsanteile der expliziten Referenzsimulation
4.4.2 Zeitliche Beschleunigung und Massenskalierung
4.4.3 Diskretisierung des Bandabschnittes
4.4.4 Diskretisierung der Walzensegmente
4.4.5 Kontaktmodellierung
4.5 Zusammenfassung der identifizierten Vorzugsvarianten für eine effiziente Modellbildung
5 Modellvalidierung und Optimierung
5.1 Versuchsaufbau und Versuchsdurchführung
5.2 Versuchsauswertung und Ergebnisse der Hohlprägewalzversuche
5.3 Validierung des Simulationsmodells
5.3.1 Flächenrückführung und Modellrandbedingungen
5.3.2 Analyse der elastischen Walzendurchbiegung
5.3.3 Vergleich zwischen experimentellen Ergebnissen und Simulations-ergebnissen bei einer angenommenen konstanten Walzspaltänderung
5.4 Optimierung des Simulationsmodells durch Abbildung der lastabhängigen Walzspaltänderung
5.4.1 Einführung der Feder-Dämpfer-Modelle mit optionaler Klemmkraftabbildung
5.4.2 Vergleich der Simulationsergebnisse zwischen den Modellansätzen
5.4.3 Validierung der optimierten Modellansätze an den experimentellen Daten
5.4.4 Abschließende Bemerkungen zur Modelloptimierung und Fehlerbetrachtung
6 Sensitivitätsuntersuchungen zur Robustheitsbewertung
6.1 Zielstellung und Randbedingungen
6.2 Bedeutung der dehnratenabhängigen Modellierung der Fließeigenschaften des Werkstoffes
6.3 Auswirkungen von Fehlpositionierungen der Walzen
6.4 Einfluss der Klemmkraft und Federsteifigkeit
6.5 Sensitivitäten infolge von Blechdickenänderungen und fertigungsbedingten Walzspaltänderungen
6.6 Sensitivitäten durch veränderte Reibungskoeffizienten
7 Technologische Optimierung des Hohlprägewalzens
7.1 Auswahl von Bipolarhalbplatten-Demonstratoren unterschiedlicher Größe
7.2 Simulation konventioneller Umformformtechnologien als Referenz
7.2.1 Modellaufbau und Randbedingungen
7.2.2 Betrachtete Auswertekriterien für den systematischen Ergebnisvergleich
7.2.3 Ergebnisse der konventionellen Umformtechnologien im Vergleich
7.3 Simulation des Hohlprägewalzens
7.3.1 Analyse der Walzenelastizität
7.3.2 Modellaufbau und Randbedingungen der Hohlprägewalzsimulation
7.3.3 Ergebnisse der Referenzsimulation mit Bandzugspannung
7.4 Diskussion technologischer Optimierungsansätze
7.4.1 Einfluss der Bandzugspannung auf der Einlass- und Auslassseite
7.4.2 Kompensation der Walzspaltänderung durch Klemmkraftvergrößerung
7.4.3 Walzendurchmesser
7.4.4 Bandbreite
7.4.5 Bandführung
7.4.6 Sickengeometrien im Randbereich
7.5 Übertragung der Optimierungsansätze auf das Referenzdesign und Ergebnisbewertung mit Bezug zu konventionellen Umformverfahren
7.6 Abschließende technologische Bewertung
8 Zusammenfassung und Ausblick
Literaturverzeichnis
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