Virtuelle Realität in der Umformtechnik

28.09.2006 | Redakteur: MM

Werkzeugentwicklung in der Blechumformung durch Kombination von Prozesssimulation, Werkzeug- und Werkstückgeometrie. Unter Simulation von Umformvorgängen wurde bisher nur die Finite-Element- Methode...

Werkzeugentwicklung in der Blechumformung durch Kombination von Prozesssimulation, Werkzeug- und WerkstückgeometrieUnter Simulation von Umformvorgängen wurde bisher nur die Finite-Element- Methode (FEM-) Prozesssimulation verstanden. Diese erlaubt zu einem sehr frühen Zeitpunkt der Produkt- und der Produktionsprozessplanung eine Machbarkeitsabschätzung beziehungsweise eine Optimierung des Umformprozesses und des Umformproduktes. Aufgrund recht guter Übereinstimmung der Simulationsergebnisse mit dem realen Umformprozess hat die Simulation des Umformvorgangs zu einer Reduktion der Herstellung von Prototyp-Teilen und Prototyp-Werkzeugen geführt. Eine wesentliche Erweiterung der FEM-Prozesssimulation ist in der 3D-Visualisierung und der VR-Technologie zu sehen. Unter virtueller Realität (VR) versteht man in der Regel eine dreidimensionale Darstellung in Stereoprojektion. Dabei werden dem rechten und dem linken Augen des Betrachters ein jeweils eigenes Bild in der passenden Perspektive zugeführt. Dies vermittelt dem Betrachter einen räumlichen Eindruck der dargestellten Daten. Zusätzlich zur 3D-Visualisierung weist die VR zwei Hauptmerkmale auf, die in Bild 1 verdeutlicht werden: Immersion und Interaktion.Integration des Betrachters in die virtuelle Welt Der Begriff Immersion beschreibt die Integration des Betrachters in die virtuelle Welt. Eine hohe Immersion entspricht somit einer realitätsnahen virtuellen Darstellung. Unter Interaktion versteht man die Möglichkeit, dargestellte Objekte anwählen und diese (beziehungsweise deren Eigenschaften) verändern zu können.Ein wichtiger Aspekt dabei ist eine möglichst verzögerungsfreie Reaktion des Systems auf Benutzereingaben.Die Projektionsfläche kann abhängig von der vorgesehenen Anwendung gewählt werden. Verfügbare Lösungen reichen von speziellen Monitoren über tischgroße Projektionsflächen (Workbenches) und so genannten Powerwalls, auf denen komplette Fahrzeugkarosserien dargestellt werden können, bis hin zu würfelförmigen Projektionsräumen, den CAVEs.Anwendung findet die VR bislang bei der Evaluierung von CAD-Daten, zur Visualisierung von Designentwürfen, in der Darstellung von Produktionsanlagen und Prozessen, bei Einbau- und Montageuntersuchungen und bei der Visualisierung von FEM-Simulationsdaten. In der Umformtechnik stand bisher meist der Produktionsprozess, speziell die Verkettung von Maschinen und Anlagen im Vordergrund. In den vergangenen Jahren hat sich bei der Entwicklung von Werkzeugen für die Blechumformung eine durchgängige, rechnerbasierte Prozesskette durchgesetzt (Bild 3).Ausgehend von einem CAD-Datensatz des zu fertigenden Bauteils erfolgt die Werkzeugentwicklung mit 3D-CAD-Programmen. Schon sehr früh im Entwicklungsprozess können FEM-Prozesssimulationen die Werkzeugkonstruktion unterstützen.Bei so genannten Einschrittberechnungsverfahren wird ausgehend von der Endgeometrie des Bauteils in einem Schritt auf die Ausgangsgeometrie der Platine zurückgerechnet. Es reicht zur Prozesssimulation nur die Bauteilgeometrie. Eine exakte Abbildung des Umformprozesses ist mit Einschrittberechnungen nicht möglich, jedoch können einfach und schnell Machbarkeitsuntersuchungen, erste Platinenformfestlegungen und Gestaltung der Wirkfläche (insbesondere des Ziehrahmens), durchgeführt werden.Ist die Werkzeug- beziehungsweise Wirkflächenkonstruktion fortgeschritten, können genauere Berechnungen mit impliziten oder expliziten FEM-Tools durchgeführt werden. Diese sind, verglichen mit den Einschrittverfahren, zwar rechenintensiver, liefern jedoch auch entsprechend höherwertigere Ergebnisse.FEM-Simulation als Ersatz des klassischen Prototyping Die FEM-Simulation wird im Werkzeugentwicklungsprozess inzwischen immer häufiger als Ersatz des klassischen Prototypings eingesetzt. Einfach bedienbare und schnelle Simulationstools und die damit erzielbaren guten Ergebnisse haben dazu geführt, dass, wenn Prototypbauteile verlangt werden, diese in ihren Eigenschaften den Serienbauteilen entsprechen sollen.Soll die Simulation reale Prototypbauteile ersetzen, muss die Visualisierung der CAD-Daten und der Simulationsergebnisse als Diskussionsgrundlage dienen. Gefordert wird eine möglichst plastische Darstellung, die von mehreren Personen betrachtet und diskutiert werden kann.Die VR-Technik ist durch einen beachtlichen Anstieg der Rechen- und Grafikleistung im PC-Bereich zunehmend interessanter geworden, und Investitionen von 100 000 bis 150 000 Euro für eine komplette Visualisierungseinrichtung lassen nun VR auch für kleine und mittlere Unternehmen bezahlbar werden.Am Institut für Umformtechnik (IFU) der Universität Stuttgart wurde im Rahmen des DFG-Sonderforschungsbereiches 374 - Rapid Prototyping - eine Anlage zur 3D-Visualisierung installiert.Ziel der Aktivitäten am IFU ist eine Erweiterung der durch die VR gegebenen Möglichkeiten im Werkzeugentwicklungsprozess speziell im Bereich der Blechumformung durch Zusammenführung der 3D-Werkzeugkinematik und der FEM-Prozesssimulation ebenfalls in dreidimensionaler Darstellung.Die Visualisierung der Daten erfolgt mit zwei PC, die eine Stereoprojektionseinrichtung ansteuern. Die Projektionseinrichtung ist mobil und besteht aus einer Rückprojektionsscheibe und zwei Videoprojektoren.Als Software für die Berechnung und Steuerung der Visualisierung wird das Softwarepaket Covise eingesetzt. Dieses wurde am Rechenzentrum der Universität Stuttgart entwickelt und wird seit 1997 von Vircinity in Stuttgart vertrieben.Für die Visualisierung von Ergebnissen aus der Prozesssimulation des Umformvorgangs besitzt Covise Schnittstellen zu verschiedenen Simulationstools.Virtuelle Realität in der Werkzeugentwicklung Die am weitesten verbreitete Anwendung der VR ist die Evaluierung von CAD-Daten im Designbereich. In der Werkzeugentwicklung sind erste Anwendungen zur Evaluierung der Werkzeugkonstruktion und der Werkzeugwirkflächen im Einsatz. Die virtuellen Werkzeugmodelle ersetzen dabei die häufig verwendeten Anschauungsmodelle für die Ziehrahmenanlage.Die Forschungen am IFU zielen darauf ab, eine Verknüpfung zwischen Werkzeugkonstruktion und Prozesssimulation in der Visualisierungsumgebung zu erreichen. Es soll in der VR-Umgebung möglich sein, Randbedingungen (Eingangsparameter) der Simulation zu verändern und deren Auswirkungen auf den Prozessablauf darzustellen.Eine weitere Zielsetzung des IFU besteht darin, einen Abgleich zwischen Prozesssimulation und realen Bauteileigenschaften in der VR-Umgebung darzustellen. Dafür erfolgt in der VR-Umgebung eine Zusammenführung von gemessenen Formänderungen und mit Hilfe der FEM-Prozesssimulation berechneten Formänderungen.In den letzten Jahren wurde am IFU der segmentelastische Niederhalter (SEN) entwickelt und in eine Vielzahl Versuchswerkzeuge integriert. Mit dieser Technologie ist es möglich, bestimmten Niederhalterbereichen nahezu unabhängig voneinander unterschiedliche Flächenpressungen zuzuweisen.Der Segmentelastische Niederhalter besteht aus pyramidenstumpfförmigen Elementen, die über untere und obere Deckplatten miteinander verbunden sind. Die obere Deckplatte wirkt zwischen den Pyramiden als elastisches Gelenk, wodurch eine Segmentierung des Niederhalters entsprechend der Anordnung und Anzahl der Pyramidenstümpfe gegeben ist. Die Kraftaufbringung erfolgt über Hydraulikzylinder, die jedem einzelnen Pyramidenstumpf zugeordnet sind. Dadurch ergibt sich die Möglichkeit, den Druck in den einzelnen Zylindern zu regeln und so die Flächenpressung in den einzelnen Segmentbereichen des Niederhalters einstellen zu können.Eine Umsetzung der Funktionsweise des Segmentelastischen Niederhalters in die VR-Umgebung soll es ermöglichen, die Flächenpressung in den einzelnen Segmenten des Niederhalters innerhalb der VR-Umgebung zu verändern und den Einfluss dieser Variation anhand einer neuen Simulationsrechnung wiederum in der VR-Umgebung darzustellen.Bild 4 zeigt die Darstellung der Werkzeugkonstruktion kombiniert mit der Prozesssimulation in der VR-Umgebung für das Hydromechanische Tiefziehen in einer einfach wirkenden Presse. In dieser Darstellung wurde der Gegendruckbehälter ausgeblendet. Die Niederhalterfunktion wird über einzeln ansteuerbare Verdrängerzylinder erzielt.Für die Darstellung war zunächst die Verknüpfung der verschiedenen Anwendungen in der VR-Umgebung erforderlich. Die weiteren Schritte bestehen darin, eine Möglichkeit für den Datenaustausch zwischen den einzelnen Anwendungen zu schaffen und die Segmentierung des Niederhalters in die Simulation einzubeziehen.Letztendlich soll es in der VR-Umgebung möglich sein, die Kraft in den einzelnen Zylindern (und dadurch die Flächenpressung der einzelnen Segmente des Niederhalters) zu verändern und diese Änderung an die FEM-Simulation zurückzuführen.Aufbauend auf den bisher angesprochenen Schritten ist es denkbar, auch eine Berechnung der Werkzeug- beziehungsweise Maschinenbelastung in die VR-Umgebung zu integrieren. Dies ist allerdings erst dann sinnvoll, wenn die Rechenleistung der Simulationsrechner weitersteigt und somit die Reaktionszeit der Berechnung gesenkt werden kann.Um physikalische Prototypbauteile durch die Prozesssimulation ersetzen zu können, ist die Nachvollziehbarkeit und Übertragbarkeit der Simulationsergebnisse unbedingt notwendig.Eine Möglichkeit, einen direkten Vergleich zwischen Realbauteil und Simulation zu erhalten, ist die Gegenüberstellung der an einem Realbauteil gemessenen Hauptfomänderungsverteilung und der in einer Simulationsanwendung berechneten Formänderungsverteilung.Das Gridmuster dient als Vermessungsgrundlage Die Messung der Hauptformänderungen des Realbauteils können mit der automatisierten Formänderungsanalyse des IFU durchgeführt werden. Bei der automatisierten Formänderungsanalyse werden auf das unverformte Blech so genannte kreisförmige Gridmuster aufgebracht. Nach der Umformung werden die Ist-Geometrie des Bauteils erfasst und die Halbachsen des durch die Umformung zu Ellipsen verformten Gridmusters ermittelt. Aus diesen ermittelten Werten werden des weiteren die in den Blechebenen zu verzeichnenden jeweils größten und kleins-ten Formänderungen, die Dickenformänderung und die Hauptformänderung ermittelt und als Verteilung über das Bauteil dargestellt. Bei Vorlage der Fließkurve des Blechwerkstoffes und Eingabe der Hauptformänderung ist auch die Darstellung der Fließspannung über dem Bauteil möglich.Angestrebt wird eine Vergleichs-möglichkeit zwischen der realen und der berechneten Hauptformänderungen in der VR-Umgebung. Im ersten Schritt ist die Umrechnung der in der automatisierten Formänderungsanalyse gemessenen Koordinaten in eine entsprechende Netzstruktur zu realisieren, die mit der Struktur aus der Simulation vergleichbar ist. Eine berechnete Formänderungsverteilung zeigt Bild 5.Dadurch können einzelne Bereiche beziehungsweise einzelne Werte direkt miteinander verglichen und Abweichungen entsprechend markiert werden. Es wird so eine sehr gute visuelle Beurteilung der Übereinstimmung zwischen Simulation und Realbauteil ermöglicht.