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Umformtechnik Digitaler Planungsprozess für Schmiedeteile

Redakteur: Rebecca Vogt

Forscher arbeiten daran, die aufwendige Planung bei der Umformung von Schmiedeteilen zu vereinfachen. Dabei verfolgen sie den umgekehrten Weg – vom Bauteil zum Halbzeug.

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CAD-Modellierung: Für die Forscher am IPH ist die 3D-Skizze des gewünschten Bauteils Ausgangspunkt aller weiteren Prozesse.
CAD-Modellierung: Für die Forscher am IPH ist die 3D-Skizze des gewünschten Bauteils Ausgangspunkt aller weiteren Prozesse.
(Bild: IPH/Ralf Büchler)

Bisher ist die Herstellung von Schmiedeteilen mit einem kosten- und zeitintensiven Planungsprozess verbunden. Je nach Erfahrung und Fähigkeiten des Konstrukteurs variiert zudem die Qualität des hergestellten Bauteils. Angesichts des Wettbewerbsdrucks sind vor allem kleine und mittlere Unternehmen (KMU) in der Schmiedebranche gezwungen, schnell zu produzieren. Sie haben häufig nicht die Zeit und die Kapazitäten, die Auslegung der Stadienfolge für ein neues Bauteil ressourceneffizient zu planen. In einzelnen Produktionsschritten wird dabei die Rohform, das sogenannte Halbzeug, in das gewünschte Bauteil umgeformt.

Fachwissen der Konstrukteure wird gesammelt

Am Institut für Integrierte Produktion Hannover (IPH) forschen Wissenschaftler derzeit an einer Methode, die den Aufwand für die Planung der schrittweisen Umformung eines Schmiedeteils stark reduzieren soll. Die sogenannte Stadienplanung wird dabei von den Forschern digitalisiert, wodurch letztendlich Zeit und Material eingespart werden sollen. Da die Effizienz des Prozesses stark von den Erfahrungen des jeweiligen Konstrukteurs abhängt, erfassen die Forscher am IPH nun diese Erfahrungen und das gesammelte Fachwissen systematisch, um die Informationen anschließend in mathematischen Formeln zu beschreiben. Mithilfe dieser formeltechnisch beschriebenen Randbedingungen soll dann ein Software-Demonstrator in der Lage sein, automatisiert eine besonders materialeffiziente Stadienplanung zu erstellen.

Reduzierter Gratanteil und Energieverbrauch

„Nach der alten Methode dauerte dieser Planungsprozess teilweise Wochen, in Zukunft geht das in Minuten“, sagt Yorck Hedicke-Claus, IPH-Projektingenieur. Um die Umformung geometrisch komplexer Körper zu modellieren und den Prozess entsprechend auszulegen, verwendet man bisher die Finite-Elemente-Methode (FEM). Dabei können Konstrukteure über ein Computerprogramm den Weg vom Halbzeug zum gewünschten Bauteil planen. Die von den Wissenschaftlern erarbeitete Methode dreht diesen Prozess um: Unter Beachtung der umformtechnischen Regeln generiert eine Berechnung den Weg rückwärts vom Bauteil zum Halbzeug und erstellt so die einzelnen Stadien des Umformprozesses.

„Die Betriebe sparen dadurch Zeit in der Entwicklungsphase der Stadienfolge sowie Material und Energie in der Produktion“, so Hedicke-Claus. Denn bei einer optimalen Planung reduziere sich der Gratanteil und auch die Energie, die benötigt wird, um das Halbzeug zu formen.

CAD-Modellierung, Testphasen und weitere Anpassung

Die Forscher müssen dazu nach eigenen Angaben zuerst die Anforderungen an eine prozesssichere Umformung mathematisch erfassen. So ist es zum Beispiel erforderlich, die Bildung von Rissen und Falten zu verhindern. Ausgangspunkt der Methode ist eine 3D-Skizze des gewünschten Bauteils im CAD-Format. Von dieser leiten die Forscher Größe, Kontur und andere geometrische Daten ab. Anschließend unterteilen sie das Modell in verschiedene Ebenen und bestimmen für jeden dieser Querschnitte den Flächeninhalt sowie den Schwerpunkt. Daraus lassen sich dann die Schwerpunktlinie im dreidimensionalen Raum und die Massenverteilung um diese Linie ermitteln. Schritt für Schritt werden diese Werte schließlich an die Massenverteilung des ursprünglichen Halbzeugs angenähert.

Hier spielen dann die in der Schmiedetechnik bekannten umformtechnischen Randbedingungen eine Rolle – zum Beispiel die maximal mögliche Querschnittsänderung pro Stadium oder der Gratanteil, also die gewünschte Menge des überschüssigen Materials. Dieses Wissen zählt bei gängigen Planungsprozessen zum Fach- und Erfahrungswissen der Konstrukteure. Da diese Regeln von den Forschern nun allerdings mathematisch erfasst und in das entsprechende Programm eingespeist werden, kann in Zukunft unabhängig vom Fachpersonal darauf zugegriffen werden, wie das IPH mitteilt.

Auf Grundlage dieser Regeln erstellt das Computerprogramm Schritt für Schritt die Verschiebungen vom Schmiedeteil zurück zum Ursprungsobjekt. Die Anzahl der Schritte ist dabei abhängig von der Komplexität des Bauteils. „Das Programm soll am Ende eine erste mögliche Stadienfolge ausgeben“, erläutert Hedicke-Claus. „Die Stadienanzahl lässt sich aber auch anpassen. Mehr Stadien sind kein Problem. Sollen es aber weniger sein, muss man Abstriche zum Beispiel beim Materialverbrauch in Kauf nehmen.“

Sobald die Forscher des IPH ihre Programmierarbeit abgeschlossen haben, sollen umfassende Test- und Anpassungsphasen folgen. Zuerst will man die Methode an komplexen Bauteilgeometrien testen, auf Umsetzbarkeit prüfen und entsprechend anpassen. Im nächsten Schritt soll dann das neue Programm mit der bisher verwendeten FEM-Simulation verglichen und die Qualität der Ergebnisse überprüft werden. Abschließend planen die Wissenschaftler eine experimentelle Validierung: Sie werden dazu die auf diese Weise erstellte Stadienfolge mit den bereits in der Industrie angewandten Methoden vergleichen.

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