Optimization of superplastic forming production of Al-5083-SPF parts via finite element analysis

Abstract

For the aerospace industry, improving the fuel efficiency and emissions profile of aircraft is a major area of focus. Thereby, research is centred in the study and development of lightweight materials and in fabrication processes for obtaining parts with these materials. Superplastic Forming (SPF) is a manufacturing process that takes advantage of certain materials’ ability to undergo large strains before failure. Therefore, the main benefit associated with SPF is the capability of obtaining complex geometries with materials that have limited room and warm temperature formability. The relationship between materials testing and finite element modelling is a key to the development and optimisation of superplastic forming (SPF) processes. Numerical models provide solutions for exploiting the maximum superplastic capabilities of the material. Therefore, an important aspect of such models is the development of constitutive equations that accurately represent the materials superplastic behaviour. Inaccurate prediction of the material path may result in premature fracture of the sheet or suboptimal exploitation of the superplastic capabilities of the material. The following dissertation studies the Al-5083-SPF aluminium alloy’s mechanical behaviour at superplastic state and proposes a strategy to optimize the SPF production of this alloy. In the first part of this research work, the mechanical behaviour of the Al-5083-SPF is characterized using uniaxial tensile tests, likewise some microstructural behaviour i.e. grain size and cavitational evolution is identified too. These tests’ mechanical and microstructural data is used as reference for the constitutive equations parameter identification. This identification is by using an inverse engineering technique. In the second section of this work, a finite element implementation of the identified constitutive equations is develop in Abaqus Standard to predict the pressure-time curves that should be used in the experimental SPF. Similarly, a new strategy for process time optimization is presented using the aforementioned constitutive equation as reference. Finally, SPF experiments are conducted for two different geometries in SPF prototype developed during this research work. Comparing the numerical and experimental results, the numerical model is validated for different material states. In addition, the new strategy presented in this work is successfully used for forming a semi industrial geometrical part reducing the process time.

Aeronautika industrian, eraginkortasun energetikoa eta hegazkinen CP2 isurtzea ikerketa munduko puntu garrantzitsu bilakatzen ari dira. Horregatik, ikerketa material arinen erabilpen eta garapenean zentratu da, baita material hauek erabilita pieza lortzeko behar diren prozesuetan. Konformaketa Superplastikoa (Superplastic forming edo SPF) fabrikazio prozesu berezia da, eta zenbait materialek deformazio handiak jasateko duten gaitasuna erabiltzen du. Hala ere, material hauek egoera egokian deformatu behar dira, tenperatura altuan eta deformazio-abiadura baxuan alegia. Konformaketa Superplastikoarekin lotu daitekeen onura nagusia, geometria konplexuak lortzea da. Prozesu honek, ordea, baditu hainbat desabantaila deformazio-abiadura baxuei lotuak, izan ere, gainontzeko konformaketa prozesu tradizionalekin konparatuta, ekoizpen-denbora altuak behar dira. Beste desabantaila bat material superplastiko batzuek jasaten duten kabitazio efektua da, materialaren propietate mekanikoak murrizten ditu eta. Prozesuaren muga hauei aurre egiteko, zenbakizko erremintak erabili ohi dira, materialen propietate superplastikoen erabilera maximoa egiteko behar diren prozesu-parametroak lortzeko, hau da, presio-denbora kurbak. Baina zenbakizko erreminta hauek ez dira erabilgarriak materialaren portaera deskribatzen duten ekuazio fidagarririk gabe. Presio-denbora kurben aurreikuspen okerra egin ezkero, materialaren ahalmen superplastikoen aprobetxamendu eza edota hauste goiztiarra gerta daiteke. Dokumentu honetan. Al-5083-SPF aluminio aleazioaren portaera mekanikoa aztertuko da eta prozesu optimizazio estrategia berri bat proposatuko da. Lan honen lehengo zatian, Al-5083-SPF aleazioaren portaera mekanikoa karakterizatu da entsegu uniaxialak erabilita. Gainera, portaera mikroestrukturala ere karakterizatu da, ale tamaina eta kabitazioaren bilakaera definituz. Datu hauek erreferentzia bezala erabili dira ekuazio konstitutiboen parametroak identifikatzeko. Identifikazio hau egiteko alderantzizko ingeniaritza teknika erabili da. Bigarren zatian, elementu finitu bidezko inplementazioa egin da Abaqus Standard softwarea erabiliz presio-denbora kurben aurreikuspen zehatza egiteko. Gainera, aurretik aipaturiko ekuazio konstitutiboak erabilita garatzen den optimizazio estrategia aurkeztu da. Azkenik, esperimentuak egin dira konformaketa superplastiko erabilita bi geometria ezberdinentzako, lan honekin batera diseinatu eta ekoizturiko SPF prototipo bat erabiliz. Datu esperimental eta zenbakizkoak konparaturik modelo numerikoa balioztatu da, zenbait material egoera kontuan harturik. Beste alde batetik, lan honetan aurkezturiko estrategia berria erabiliz pieza semi industrialak ekoiztu dira prozesu denbora gutxituz.

La eficiencia energética se está convirtiendo en uno de los aspectos más importantes de mejora, para la industria aeroespacial. Por ello, la investigación se ha encaminado principalmente hacia el uso y desarrollo de materiales ligeros así como de procesos de transformación, con el fin de obtener piezas de estos materiales. El conformado superplástico (SPF) es un proceso de fabricación que utiliza la capacidad que tienen ciertos materiales de sufrir grandes deformaciones antes de llegar a fallo. Por ello, el mayor beneficio relacionado con el conformado superplástico es la capacidad de obtener piezas complejas, con materiales que exhiben una conformabilidad muy limitada a temperatura ambiente o templada. La relación entre los ensayos de material y el modelizado por elementos finitos, es clave a la hora de desarrollar y optimizar procesos de conformado superplástico. Los modelos numéricos ayudan a utilizar al máximo la capacidad de las propiedades superplásticas de los materiales. Por ello, uno de los aspectos más importantes de estos modelos, es el desarrollo de ecuaciones constitutivas que representen de forma fiel el omportamiento mecánico de las aleaciones. Una predicción imprecisa puede resultar en la fractura prematura del material o en su explotación no óptima. El siguiente documento estudia el comportamiento mecánico de la aleación de aluminio Al-5083-SPF en estado superplástico y propone una estrategia de optimización para conformar piezas, mejorando el tiempo de proceso. En la primera parte de este trabajo de investigación, el comportamiento mecánico del Al5083-SPF es caracterizado, utilizando ensayos uniaxiales. Además se analiza la microestructura modificada por este comportamiento mecánico. Los datos mecánicos y micoestructurales obtenidos mediante estos ensayos, son utilizados para identificar los parámetros de las ecuaciones constitutivas anteriormente mencionadas. En la segunda parte de este trabajo, la implementación de las ecuaciones constitutivas en el programa de elementos finitos Abaqus Standard es llevada a cabo para predecir las curvas de presión–tiempo necesarias para alimentar el proceso SPF. Asimismo se presenta una nueva estrategia de optimización del tiempo de proceso, basada en las ecuaciones constitutivas mencionadas anteriormente. Finalmente, se realizan experimentos de conformado superplástico para dos geometrías diferentes. Comparando los resultados experimentales y numéricos, el modelo numérico es validado para diferentes estados de material. Además, la nueva estrategia planteada en este trabajo, es utilizada con éxito para conformar una geometría semi-industrial, reduciendo su tiempo de proceso.