Simulation Simulation der Rückfederungskompensation unterstützt den robusten Umformprozess

Werden in der Blechumformung moderne, fortschrittliche Werkstoffe eingesetzt, kann es einen zu Beginn beträchtlich zurückwerfen. Das Problem ist die Rückfederung. Mechanische Spannungen lassen das umgeformte Blech aus der gewünschten Form springen. Eine neue Simulationslösung soll dieses unschöne Spiel ausgleichen. Die Kompensation der Rückfederung ist darin vollständig integriert.

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Konventioneller Tiefziehstahl war in der Blechumformung über Jahre das gebräuchliche Material. Beim Auftreten eines Problems wusste man, wie man ihm begegnet, und die Rückfederung nach erfolgter Umformung galt als ein beherrschbares Problem. Diese Normalstähle müssen vor allem im Fahrzeugbau den neuen, modernen und hochfesten Blechwerkstoffen weichen.

Wenig Erfahrung beim Umformen neuer Werkstoffe

Verursachen diese neuen Materialien Schwierigkeiten bei der Umformung, bietet der über Jahre gewachsene Erfahrungsschatz nunmehr kaum mehr Antworten. Hoch- und höchstfeste Stähle oder Aluminium spielen eine gewichtige Rolle im Leichtbau.

Schwerer noch wiegt ihre Eigenschaft, nach der Umformung stark zurückzufedern, viel stärker als konventioneller Tiefziehstahl. Das macht die Umformsimulation und Vorhersage dieser Effekte ungleich schwieriger. Eine zusätzliche Herausforderung bietet die Phasenumwandlung bei hochfesten Stählen mit sich ändernder Kristallstruktur. Dieses metallurgisch bedingte Phänomen bilden die meisten Materialmodelle heute noch nicht ab.

Rückfederungsberechnungen benötigen besondere Modelle

Für Aussagen bezüglich des klassischen Blechversagens durch Reißer oder Falten betrachtet man die Dehnungen im Blech. Die entsprechenden Modelle zur Versagensvorhersage genügen allerdings nicht, wenn die Rückfederung ins Spiel kommt. Dann sind die Spannungen entscheidend. Das bedeutet eine deutlich höhere Genauigkeitsklasse.

Die Rückfederung bereits während der Werkzeugentwicklung softwaremäßig zu kompensieren, hat zum Ziel, die Bauteile möglichst auf Anhieb in den geforderten Maßen dem Werkzeug entnehmen zu können (Bild 1). Das minimiert die realen Erprobungsschleifen. Sie sind zeitintensiv und erfolgen zu einem sehr späten Zeitpunkt in der Werkzeugentstehung.

Für die Planung geht das mit vielen Unsicherheiten einher, denn jedes Werkzeug ist ein Unikat, gleichsam ein eigenes Projekt. Und da zahlreiche dieser Projekte parallel laufen, stellen mögliche Korrekturen selbst den ausgefeiltesten Termin- und Kostenplan auf den Kopf.

Simulation sichert Machbarkeit der Bauteile

Die Praxis sieht wie folgt aus: Anfangs wird mit Hilfe der Simulation die Machbarkeit des Bauteils sichergestellt. Zudem sollte eine erste Überprüfung der Rückfederung gewährleisten, dass diese sich geometrisch überhaupt kompensieren lässt.

Dann kann mit der Kompensation gestartet werden. Um sie durchzuführen, definiert beispielsweise Autoform drei verschiedene Regionen innerhalb des Werkzeugs (Bild 2).

In der ersten Region wird direkt kompensiert. Dazu erhalten die Wirkflächen – jene Werkzeugflächen, die das Blech umformen – eine Anpassung entsprechend den Simulationsergebnissen. Unverändert bleibt die zweite Region, die typischerweise den Blechhalter umfasst. Die dritte Region entspricht der Ankonstruktion und bildet einen Übergangsbereich zwischen den beiden anderen Regionen.

Simulations-Software wählt Regionen im Werkzeug automatisch aus

Wurden die Wirkflächen in der Autoform-Software erzeugt, geschieht die Regionenauswahl automatisch (Bild 3). Manuelle Eingriffe sind jederzeit möglich, um individuelle Erfahrungen aus der Praxis unmittelbar umzusetzen.

Das Endprodukt diktiert, wo und um wie viel die Kompensation stattfinden soll. Diese erfolgt jeweils entgegen der Aufsprungrichtung.

Die kompensierte Werkzeuggeometrie dient sodann als Ausgangswerkzeug für die nächste Simulation. Gewöhnlich liegt nach zwei bis drei Iterationen ein maßhaltiges Bauteil vor und das Rückfederungsergebnis erfüllt die geforderten Toleranzen.

Simulation mit Parametern innerhalb des Streubereiches

Kompensiert man auf die vorgängig beschriebene Weise, kennt man das Bauteilverhalten anhand eines Einzelereignisses mit festen Prozessparametern. Verschiedene Parameter streuen hingegen während der Serienproduktion. Typische Streugrößen sind die Werkstoffeigenschaften, wie zum Beispiel Blechdicke, Festigkeit oder die Umformbarkeit in Abhängigkeit von der Blechwalzrichtung. Überdies schwanken auch Reibung, Blechhalterkraft oder Platinenposition.

Bereits kleine Abweichungen können große Auswirkungen auf die Bauteilgeometrie haben. Sollen die Berechnungen realitätsnahe und damit aussagekräftige Resultate liefern, braucht es eine größere Anzahl Simulationen mit Parametern, die innerhalb eines vorgegebenen Streubereichs variieren – analog der Praxis. In Autoform-Sigma geschieht dies automatisch.

Eine statistische Auswertung liefert die Streubreite der Rückfederung und ermöglicht, die Robustheit der Umformung zu beurteilen (Bild 4). Problematische Parameter kristallisieren sich heraus und der dominierende Streufaktor für eine instabile Umformung wird erkannt.

Simulation liefert frühe Aussagen über Prozessfähigkeit der Umformung

Aussagen über die Prozessfähigkeit der Umformung sind dadurch in einer frühen Phase der Werkzeugentstehung möglich. Dies kann Anpassungen an den Prozessparametern oder dem Methodenplan erfordern oder schlimmstenfalls Änderungen am Bauteil hervorrufen. Das Resultat der Autoform-Sigma-Analyse liefert nicht zwangsläufig das absolut perfekte Bauteil, sondern stellt eine für die Serienproduktion optimale Version bereit.

Moderne Blechwerkstoffe, lückenhafte Materialmodelle und eine erhöhte Genauigkeitsklasse legen die Messlatte für zielführende Simulationssoftware in der Blechumformung hoch. Gleichwohl entwickelt sich die Simulation der Rückfederung und deren Kompensation vom Diskussionsthema zunehmend zur angewandten Praxis mit positiven Auswirken auf die Produktion. den Aufwand für die Simulation aus.

Daniel Fries ist Mitarbeiter der Autoform Engineering GmbH in 8005 Zürich, Schweiz.

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