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Geschwindigkeitsrausch

| Redakteur: Güney Dr.S.

Die schnelle Produktentwicklung von Karosserieformteilen mit Simulationstechnik. Mit der Entwicklung der Computertechnik und dem Einsatz der verschiedensten CA-Techniken im Automobilbau hat sich...

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( Archiv: Vogel Business Media )

Mit der Entwicklung der Computertechnik und dem Einsatz der verschiedensten CA-Techniken im Automobilbau hat sich auch die Umformsimulation innerhalb der letzten Jahre als Hilfsmittel bei der Entwicklung und Fertigungsplanung von Karosserieteilen etabliert. Man unterscheidet heute grundsätzlich die Einschrittverfahren und die inkrementellen Verfahren.In der Konzeptphase der Fahrzeugentwicklung und in der Karosseriekonstruktion kommen überwiegend die Einschrittverfahren zum Einsatz (Bild 1). Diese Verfahren simulieren die Umformung vom ebenen Blechzuschnitt in das fertige Bauteil in einem Schritt und ermöglichen, die Herstellbarkeit während der Konzeptentwicklung und Konstruktion abzusichern. Als Eingabedaten kommen sie neben den Werkstoffkennwerten mit der Geometrie des Blechbauteils aus; der Einfluss der Ankonstruktion und des Blechhalters wird durch Rückhaltekräfte modelliert. Als Ergebnisse liefern sie unter anderem die Verteilung der Blechdicke und der Kaltverfestigung auf der Bauteilgeometrie sowie Aussagen bezüglich Materialversagen bei der Umformung. Ein entscheidender Vorteil ist die äußerst kurze Rechenzeit im Sekunden- bis Minutenbereich. Somit lassen sich schon auf Basis der Bauteilgeometrie konstruktionsbegleitend Aussagen über die Herstellbarkeit machen. Zudem führt die Berücksichtigung der Dickenverteilung und Kaltverfestigung aus der Umformung zu einer verbesserten Voraussage des Crashverhaltens und anderer Eigenschaften des fertigen Bauteils. Selbst komplexe Phänomene sind exakt vorhersagbarIm Gegensatz zu den Einschrittverfahren bilden die inkrementellen Verfahren den gesamten Umformprozess in allen Operationen eins zu eins ab, vom ebenen Blechzuschnitt bis zum fertigen Karosserieteil. Inkrementelle Verfahren sind in der Lage, alle nichtlinearen Effekte wie der wechselnde Kontakt mit den Werkzeugen, die Reibung und die sich ändernde Materialbeanspruchung zu berücksichtigen. Dies ist auch Voraussetzung, um komplexe Phänomene wie zum Beispiel Faltenbildung und Rückfederung genau vorhersagen zu können. Für die inkrementelle Simulation muss eine CAD-Beschreibung aller Aktivflächen der Umformwerkzeuge vorliegen. Des Weiteren sind wesentliche Prozessparameter wie Schmierung, Betrag und Einleitung der Blechhal-terkräfte, Gravitation, Zuschnitt und Lage der Platine im Werkzeug sowie die Werkzeugkinematik zu berücksichtigen. Inkrementelle Verfahren werden vorwiegend im Prototypen- und Werkzeugbau eingesetzt und ermöglichen, die Herstellung eines Blechteils in allen notwendigen Umform- und Beschnittoperationen abzusichern. Einen entscheidenden Einfluss auf Entwicklungszeit und -kosten hat der Zeitpunkt, zu dem fertigungstechnisch bedingte Änderungen in die Bauteilkonstruktion eingebracht werden. Je früher dies geschieht, um so geringer sind die damit verbundenen Kosten. Daher ist es sinnvoll, die umformtechnische Analyse der Herstellbarkeit der Blechteile konstruktionsbegleitend zu betreiben und damit so früh wie möglich zu beginnen. Mit dem Einschrittverfahren Auto-Form-One-Step erhält der Konstrukteur innerhalb weniger Minuten Aussagen bezüglich Blechdickenverteilung, Rissen und Falten in seinem ersten Konstruktionsentwurf (Bild 1).Außer der eigentlichen Analyse erlaubt diese Software, die Bauteilgeometrie in den Bereichen mit Materialversagen zu ändern und sofort wieder auf die Umformbarkeit hin zu überprüfen. Somit wird für die Machbarkeitsanalyse der zeitaufwendige Weg über Schnittstellen zum CAD-System vermieden und erst nach Abschluss der Variantenberechnungen die dann fertige Geometrie übergeben. Gemeinsam mit dem Werkzeugbauer ist jetzt auch schon eine erste Analyse und Optimierung der Bauteilgeometrie bezüglich des Beschnitts möglich. Ein weiterer Vorteil der Software ist die vollständige Parametrisierung der vorgenommenen Geometrieänderungen. Durch Optimierung der Parameter kann die Bauteilgeometrie im Zusammenspiel mit Auto-Form-Optimizer, einem integrierten numerischen Optimierer, automatisch den umformtechnischen Anforderungen angepasst werden. Damit hat der Fahrzeugkonstrukteur, welcher in der Regel kein detailliertes umformtechnisches Wissen mitbringt (und für den Einsatz von Einschrittverfahren auch nicht benötigt), ein effektives Werkzeug in der Hand, um seine Konstruktion bezüglich der Herstellbarkeit zu optimieren. Resultat eines solchen Optimierungsprozesses ist eine Bauteilgeometrie mit weitgehend abgesicherter Machbarkeit für das jeweils eingesetzte Material. Parallel zur Machbarkeitsanalyse können mit Auto-Form-One-Step bereits Aussagen zum Materialeinsatz und damit zu den Materialkosten für das Bauteil gemacht und je nach Anforderung diesbezügliche weitere Optimierungsschleifen angestoßen werden.Für Außenhautteile des Fahrzeugs mit höchsten Anforderungen an die Teilequalität genügt die Aussagekraft der Einschrittverfahren nicht. Dann ist es notwendig, auch schon in dieser frühen Phase der Karosserieentwicklung inkrementelle Verfahren der Umformsimulation einzusetzen. Mit Spezialsystemen für die Methodenplanung wie Auto-Form-Die-Designer wird die dazu notwendige Geometrie der Umformwerkzeuge ausgehend von der Bauteilgeometrie innerhalb weniger Minuten erstellt und anschließend eine inkrementelle Umformsimulation gestartet. Die Voraussetzung ist dabei die Zusammenarbeit von Teilekonstrukteur und Methodenplaner, weil die Erstellung der Werkzeuggeometrie auch mit Hilfe dieser Spezialsysteme fundierte Kenntnisse im Werkzeugbau erfordert.Konstruktion bezüglich der Herstellbarkeit optimierenBesonders im Prototypenbau ist man darauf angewiesen, die Umformwerkzeuge möglichst schnell und kostengünstig zu erstellen. Dazu bieten sich idealerweise Spezialsysteme für die Methodenplanung an: Mit AutoForm-Die-Designer kann innerhalb weniger Minuten auf Basis der CAD-Flächendaten des Blechteils ein voll parametrisiertes Werkzeugkonzept erstellt werden. Direkt anschließend wird der Umformprozess in den Presswerkzeugen simuliert und optimiert. Die geringe Berechnungszeit für genaue inkrementelle Simulationen mit Auto-Form-Incremental ermöglicht die Beurteilung mehrerer Werkzeugkonzepte innerhalb eines Tages. Nach der Auswahl des besten Konzeptes können Modifikationen der Prozessparameter wie Blechhalterkraft, Schmierung, Ziehsicken oder Platinenform schnell und einfach umgesetzt und auf ihre Wirkung hin überprüft werden. Durch die vollständige Parametrisierung von Auto-Form-Die-Designer können eventuelle Bauteiländerungen sehr schnell in die Umformwerkzeuge einfließen, und notwendige Änderungen der Werkzeuggeometrie lassen sich sehr einfach und effektiv vornehmen. Alle Veränderungen der Geometrie werden automatisch auf jedes mit dieser Geometrie erstellte Werkzeug übertragen und in der nächsten Simulation berücksichtigt. Das Wechselspiel von Geometrieänderung und Simulation entspricht dem Try-out des Prototypenwerkzeugs, nur dass es in diesem Fall im Computer durchgeführt wird und daher deutlich schneller und kostengünstiger ist.Eine elegante Möglichkeit, den Anwender von Routinearbeiten wie der Bestimmung der richtigen Blechhalterkraft oder der besten Ziehsicken zu entlasten, bietet der Einsatz von integrierten numerischen Optimierungsalgorithmen. Mit ihrer Hilfe können solche Prozessparameter automatisch so bestimmt werden, dass die besten Umformergebnisse erzielt werden.Sind mit Hilfe der Umformsimulation die optimale Werkzeuggeometrie gefunden und die besten Prozessparameter bestimmt, können diese Daten direkt für die Erstellung der Werkzeuge genutzt werden. Die Werkzeuggeometrie kann entweder direkt über den Weg von Standardschnittstellen gefräst oder in CAD-Systeme übernommen und dort weiterbearbeitet werden.Auch im Serienwerkzeugbau werden heute Spezialsysteme für die Methodenplanung wie AutoForm-Die-Designer eingesetzt. Am besten wird dabei auf die Daten der seriennahen Prototypenwerkzeuge zurückgegriffen und diese den Erfordernissen der Serienwerkzeuge angepasst. Infolge der hohen Genauigkeitsanforderungen wird der Umformprozess mit der inkrementellen Simulation überprüft. Im Unterschied zum Prototypenwerkzeug wird für ein Serienwerkzeug der gesamte Prozess vom Einlegen der Platine über die Umformung und die Beschnittoperationen bis zur Rückfederung des Fertigteils simuliert. Für die Entwicklung des Karosserieteils ist es wichtig, dass diese vollständige Absicherung der Herstellbarkeit so früh wie möglich erfolgt, um Bauteilfunktion, -qualität und -machbarkeit gemeinsam zu betrachten und zu optimieren.Mit dem Trim-Werkzeug zur optimalen SollkonturDer Einsatz von numerischen Optimierungstools für die Serienproduktion kann zum einen der Bestimmung von optimalen Prozessparametern dienen, oder aber durch gezielte Veränderung in der Produktion schwankender Parameter wie zum Beispiel Werkstoffkennwerte, Reibung oder Blechdicke zur Bestimmung des Prozessfensters verwendet werden. Damit können Aussagen über die Robustheit des Herstellungsprozesses und den Einfluss dieser Parameter auf das Bauteil gemacht und frühzeitig Maßnahmen eingeleitet werden, um das Karosserieteil mit gleichbleibend hoher Qualität herzustellen.Um die Form von Beschnitten vor einer nachfolgenden Umformung so zu bestimmen, dass nach der Umformung eine bestimmte Sollkontur erzielt wird, kann die spezielle Optimierungssoftware Auto-Form-Trim eingesetzt werden. Auto-Form-Trim arbeitet analog der Vorgehensweise im Try-out. Dabei wird der Beschnitt in Bereichen verkürzt, in denen das Bauteil nach der Umformung noch zu lang ist, und umgekehrt. Anschließend wird die Umformung erneut simuliert und die Abweichung von der Sollkontur überprüft. Diese Schleife wird so lange durchlaufen, bis eine bestimmte Toleranz zur Sollkontur unterschritten ist. Im Vergleich zur konventionellen Beschnittabwicklung im CAD-System ergeben sich dabei beträchtliche Zeiteinsparungen und Genauigkeitsvorteile im Bereich großer plastischer Dehnungen, so dass es hierdurch möglich ist, Umform- und Beschnittwerkzeuge gleichzeitig und parallel zu entwickeln. Dies kann zu erhelblichen Einsparungen von mehreren Wochen führen.

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