Numerische Simulation von Materialien

17. März 2023

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von International Journal of Extreme Manufacturing

Forscher des Harbin Institute of Technology, der Huazhong University of Science and Technology, der Guizhou University und der Ruhr-Universität Bochum veröffentlichen im International Journal of Extreme Manufacturing einen kurzen Überblick über die Anwendung numerischer Simulationen bei der Untersuchung der Auswirkungen von Eigenschaften und Mikrostrukturen von Werkstücken Materialien auf den Diamantschneidwerken verschiedener Arten von Werkstückmaterialien, wie z. B. metallische, harte, spröde Materialien und Verbundwerkstoffe.

Darüber hinaus wird auch die Auswirkung der Anwendung eines externen Energiefeldes auf das Diamantschneiden von schwer zu schneidenden Materialien diskutiert.

Das anisotrope Verformungsverhalten zwischen einzelnen Kristallkörnern beim Diamantschneiden von polykristallinen Materialien kann auf mikroskopischer Ebene durch Finite-Elemente-Simulation der Kristallplastizität gut beschrieben werden, was Grundlagen für das grundlegende Verständnis von Bildungsmechanismen sowie die Unterdrückungsstrategie von Korngrenzenoberflächenschritten liefert die bearbeitete Oberfläche.

Die Variation des Werkzeug-Span-Reibungszustands mit der Schnitttemperatur kann durch das im Finite-Elemente-Modell eingebettete Haft-Gleit-Reibungskriterium der thermomechanischen Kopplung effektiv erfasst werden. Darüber hinaus kann der Verschleiß des Diamantwerkzeugs durch das Einbringen von Texturen auf dem Schneidwerkzeug unterdrückt werden.

Das grundlegende Verständnis von Phasenumwandlungen und Rissereignissen durch Simulationen ist entscheidend für die Aufdeckung der Übergangsmechanismen von spröd zu duktil hart-spröder Materialien und ermöglicht so die rationale Auswahl optimierter Parameter für eine verbesserte duktile Bearbeitbarkeit.

Das physikbasierte numerische Modell ist entscheidend für die Bereitstellung vorhergesagter Ergebnisse, die mit experimentellen Daten für Verbundwerkstoffe übereinstimmen. Die tatsächlichen mikrostrukturellen Eigenschaften der verstärkten Phase sowie die ordnungsgemäße Behandlung der Grenzfläche zwischen verstärkter Phase und Matrix sind im Wesentlichen erforderlich, um die Werkzeug-Phasen-Wechselwirkungen in numerischen Simulationen des Diamantschneidens von Verbundwerkstoffen genau darzustellen.

Die Konfiguration externer Felder (Vibrationsfeld, thermisches Feld und Ionenimplantationsfeld) und ihre Wechselwirkungen mit dem Werkstückmaterial ohne Verlust der Physik sind entscheidend für die Aufklärung der Mechanismen des feldgestützten Diamantschneidens von schwer zu bearbeitenden Materialien mit verbesserter Bearbeitbarkeit durch numerische Methoden Simulationen.

Einer der leitenden Forscher, Professor Junjie Zhang, kommentierte: „Für die Fertigung im atomaren und nah-atomaren Maßstab, bei der es um die Verarbeitung von Materialien im atomaren Maßstab mit ausgeprägtem Oberflächengrößeneffekt geht, spielt das ultrapräzise Diamantschneiden ebenfalls eine wichtige Rolle.“ Rolle für die erreichbare Bearbeitungsgenauigkeit im Subnanometerbereich.“

„Die mehrskaligen numerischen Simulationen, wie die Finite-Elemente-Simulation im mikroskopischen Maßstab und die Molekulardynamiksimulation im Nanomaßstab, erfreuen sich immer größerer Beliebtheit, da sie dynamische Einblicke in laufende Diamantschleifprozesse einer Vielzahl von Materialien liefern können, beispielsweise in die Materialverformung.“ , Spanbildung, Schnittkraftentwicklung und Oberflächenbildung.“

Erstautor Dr. Liang Zhao kommentierte: „Trotz der breiten Anwendung verschiedener Simulationsmethoden, die bei der Erforschung des Diamantschneideprozesses eingesetzt werden, gibt es immer noch Probleme oder Herausforderungen, die angegangen werden müssen, um die vorhergesagten Ergebnisse besser mit experimentellen Daten vergleichen zu können.“

„In der vorliegenden Arbeit präsentieren wir einen kompakten Überblick über die jüngsten Fortschritte bei fortgeschrittenen numerischen Simulationen des Diamantschneidens einer Vielzahl von Materialien, die sich in Eigenschaften, Mikrostrukturen und Bestandteilen unterscheiden. Die in dieser Arbeit berichteten Aspekte stellen Richtlinien für die numerischen Simulationen von dar hochpräzise mechanische Bearbeitungsreaktionen für eine Vielzahl von Materialien.

Prof. Alexander Hartmaier, Direktor des Interdisziplinären Zentrums für fortgeschrittene Materialsimulation an der Ruhr-Universität Bochum, sagte: „Zukünftige Forschung zu numerischen Simulationen des materialorientierten Diamantschneidens könnte durch die Entwicklung des hochpräzisen, physikbasierten endlichen Modells weiter empfohlen werden.“ , mit dem Hauptziel, die Vorhersagegenauigkeit von Simulationsergebnissen für fortgeschrittene strukturierte Materialien im Vergleich zu experimentellen Daten zu erhöhen.“

Mehr Informationen: Liang Zhao et al., Numerische Simulation des materialorientierten Ultrapräzisions-Diamantschneidens: Rückblick und Ausblick, International Journal of Extreme Manufacturing (2023). DOI: 10.1088/2631-7990/acbb42

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