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Umformtechnik

Simulieren statt experimentieren in der Blechbearbeitung

| Autor/ Redakteur: Walter Frick /

In der Umformtechnik und Blechbearbeitung kommt es darauf an, Entstehungs- und Gestaltungsprozesse zu optimieren. Ein probates Mittel ist die Simulation. Vision der Planer ist die digitale Fabrik. Einzelne Bausteine sind etwa die Simulation des Biegens von Blechteilen und die virtuelle Auslegung von Umformwerkzeugen.

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Prof. Dr.-Ing. Hartmut Hoffmann, Leiter des Lehrstuhls für Umformtechnik und Gießereiwesen (utg) der Technischen Universität München: „Durch die Blechteilesimulation kann die prinzipielle Herstellbarkeit von Tief- und Streckziehteilen sehr sicher vorausgesagt werden.“ Bilder: utg
Prof. Dr.-Ing. Hartmut Hoffmann, Leiter des Lehrstuhls für Umformtechnik und Gießereiwesen (utg) der Technischen Universität München: „Durch die Blechteilesimulation kann die prinzipielle Herstellbarkeit von Tief- und Streckziehteilen sehr sicher vorausgesagt werden.“ Bilder: utg
( Archiv: Vogel Business Media )

Am Anfang war die Vision: Ein virtuelles Presswerk für die Blechteilfertigung, das den kompletten Ablauf aller Planungen in einem Gesamtsystem umfasst – vom Fabrikgebäude über das Anlagenlayout bis zum einzelnen Umformprozess am Blechteil. Praktisch Eingang gefunden haben Simulationswerkzeuge aber vor allem in der Maschinenentwicklung. Sehr vielversprechend im Hinblick auf die Optimierung des Gesamtsystems sind die Blechteilsimulation und die virtuelle Auslegung von Umformwerkzeugen.

Was die aktuellen Entwicklungstrends in der Blechbearbeitung angeht, muss nach Einschätzung von Prof. Dr.-Ing. Hartmut Hoffmann, Leiter des Lehrstuhls für Umformtechnik und Gießereiwesen (utg) an der Technischen Universität München, zunächst unterschieden werden zwischen der Stanztechnik auf Schnellläuferpressen und großflächigen Blechteilen des Karosseriebaus. Bei der Stanztechnik schreite die Miniaturisierung von Bauteilen weiter voran, was zu immer kleineren Lochdurchmessern führe bis hin zu Blechdicke/Lochdurchmesser-Verhältnissen < 1. „Dies erfordert die Reduzierung von Schwingungen und Schnittschlägen in den Stanzwerkzeugen zur Schonung der Schneidstempel“, erläutert Hoffmann. Außerdem bestehen höchste Genauigkeitsanforderungen an die Pressen und Stanzwerkzeuge. Wichtig für die Praxis sei es darüber hinaus, Späne und Gratbildung zu vermeiden, um elektrische Kurzschlüsse in miniaturisierten elektronischen Bauteilen zu verhindern.

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Verfahrensintegration auch beim Stanzen

Eine weitere Entwicklung in der Blechbearbeitung ist die zunehmende Verfahrensintegration auch beim Stanzen. „Die Presse“, so Hoffmann, „ist nur noch eine Station in der Prozesskette. Es werden mehr Bearbeitungsschritte intern oder durch Peripheriegeräte integriert, zum Beispiel Schweißen, Beschriften – Stichwort Individualisierung der Bauteile –, Umspritzen mit Kunststoff, Montieren oder Waschen.“ Dadurch lassen sich ganze einbaufähige Baugruppen automatisiert herstellen.

„Bei großflächigen Blechteilen des Karosseriebaus ist“, sagt Hoffmann, „eine Zunahme der Blechwerkstoffsorten in Richtung hochfest und höchstfest zu beobachten.“ Bleche der Kaltumformung erreichen heute Festigkeiten von 1200 MPa. Des weiteren konstatiert der Experte eine Zunahme der warmumgeformten Teile im Strukturbereich mit Festigkeiten von bis zu 1600 MPa. Das erfordert nach Hoffmanns Ansicht modular aufgebaute Umformwerkzeuge aus belastungsangepassten Werkstoffen, um Verschleiß und frühzeitiges Werkzeugversagen zu verhindern.

Bei der Auslegung von Umformwerkzeugen kann man heutzutage auf eine ganze Reihe virtueller Werkzeuge zurückgreifen - ebenso wie bei der Blechteilesimulation. Das biete in der Praxis eine Reihe handfester Vorteile, betont Hoffmann: „Durch die Blechteilesimulation kann die prinzipielle Herstellbarkeit von Tief- und Streckziehteilen sehr sicher vorausgesagt werden.“ Entwicklungsthema sei zur Zeit die exakte Simulation des elastischen Rücksprunges des Blechteils nach der Umformung sowie die Simulation des Schneidens.

Herstellzeit von Presswerkzeugen verkürzen

Von großer Bedeutung ist die Verkürzung der Entwicklungs- und der Herstellungszeit der Presswerkzeuge. Dort gewinnt die virtuelle Prozessentwicklung zunehmend an Bedeutung. Zur virtuellen Auslegung von Umformwerkzeugen und der Anwendung dieses Entwicklungswerkzeugs in der industriellen Praxis meint der Münchener Professor: „Umformwerkzeuge werden in der Regel in 3-D konstruiert.

Die simulative Auslegung durch ‚Mappen‘ der Umformkräfte aus der Umformsimulation auf das Umformwerkzeug sowie die elastische Betrachtung von Werkzeug und Presse unter Last sind noch kein industrieller Standard und werden nur in Forschung und Entwicklung durchgeführt.“ Nach seiner Einschätzung fehlen dafür zum Teil die Schnittstellen der verschiedenen Simulationstools. An der Entwicklung dieser Tools jedoch wird bereits gearbeitet.

Die Entstehung eines Umformwerkzeugs lässt sich anhand realer und virtueller Komponenten über die gesamte Prozesskette hinweg beschreiben. Am Beginn steht die virtuelle Entwicklungsphase. Daran schließt sich im Rahmen der Methodenkonstruktion das Erstellen der Ziehstufe an. Auf Basis dieses virtuellen Prozessschritts wird eine Simulation erstellt, die Aufschluss über das Umformverhalten des zu realisierenden Bauteils gibt. Der Abgleich mit der Realität erfolgt bauteilabhängig, indem man Prototypenwerkzeuge anfertigt.

In der Entwicklung sind derzeit auch durchgängige virtuelle CAE-Prozessketten, die es ermöglichen, hochautomatisiert die Simulationsergebnisse des Umformens gezielt zum Auslegen der Werkzeuge zu nutzen. Hoffman zu den Möglichkeiten dieser Entwicklung: „Eine virtuelle durchgängige CAE-Kette ermöglicht die wesentliche Verkürzung des Produktentstehungsprozesses und damit eine schnellere Markteinführung von Produkten sowie eine Reduzierung möglicher Fehlerquellen während des Produktentstehungsprozesses.“ Damit lassen sich auch bei der Blechteileumformung industrielle Fertigungsprozesse erheblich optimieren und wesentlich effizienter gestalten.

Nun ist die virtuelle Welt in den Denkerstuben der Universitäten und Institute die eine Sache – die industrielle Anwendung in der Praxis oft eine ganz andere. Zur Frage, ob sich denn bestehende Prozessschritte in die virtuelle Welt übertragen lassen und ob bereits praktische Anwendungen existieren, meint Hoffmann: „Zur Simulation von Prozessen benötigt man leistungsfähige Hardware und geeignete FE-Simulationstools, die auf den Prozess abgestimmt sind. Wichtig ist eine korrekte Datenbasis, die in der Umformtechnik in der Regel das physikalische Verhalten der Werkstoffe und der Prozesse möglichst genau beschreibt.“

Simulationsergebnisse spiegeln die Realität wider

Das Thema Blechteilesimulation spielt für den Ditzinger Werkzeugmaschinenhersteller Trumpf vor allem im Bereich Biegen eine wichtige Rolle. Gabriele Ege-Keilbach, Gruppenleiterin in der Abteilung Entwicklung CAD/CAM-Module und Projektleiterin Biege-Programmiersysteme: „Moderne Simulationen sind keine Trickfilme, sondern stimmen 1:1 mit dem konstruierten Teil überein. Beispielsweise müssen die Anschlagfinger genau wissen, wie sich das Material verhält, deshalb wird mit sehr präzisen Werten gerechnet.“

Allerdings handele es sich immer um Durchschnittswerte für bestimmte Materialien und Dicken, denn das Programm greift auf vorberechnete Angaben zurück und erstellt damit die Simulation. Die auf dem Bildschirm zu sehenden Bewegungen sind also nicht abgeleitet von den Werkzeugen, sondern vordefinierte Abläufe – das heißt, erläutert die Trumpf-Programmierexpertin: „Das Ergebnis stimmt, die Semantik nicht. Mit zunehmender Rechnerleistung wird sich aber auch das noch ändern.“

Zur Praxisreife der virtuellen Auslegung von Umformwerkzeugen hat Ege-Keilbach ein differenziertes Urteil: „Die Geometrie der Werkzeuge fließt in die Berechnungen ein, ebenso wie die Kollisionsbetrachtung. Auch wie der Biegewinkel mit Tastscheiben gemessen wird, kann die Simulation darstellen.“ Man könne den Biegeprozess also in allen relevanten Bereichen abdecken, bis hin zu den Messwerkzeugen. „Noch keine Praxisanwendungen“, schränkt die Expertin ein, „gibt es für das Umformen im Bereich des Stanzens“.

Wie lassen sich bestehende Prozessschritte in die virtuelle Welt übertragen? Dazu Ege-Keilbach: „Die virtuelle Auslegung spielt bereits eine sehr große Rolle. Ziel ist es, die Prozessschritte immer weiter zu detaillieren. Im Moment versuchen wir, das reale Umfeld der Maschine und den Blickwinkel des Bedieners einfließen zu lassen, um auch Handlungen wie das Einlegen des Blechs anhand von Bewegungen entlang der X-, Y- und Z-Achse abzubilden.“

Außerdem werden verstärkt Regeln und Erfahrungen aus der Praxis in die Simulationen integriert, beispielsweise Informationen zur Oberflächenbeschaffenheit, Griffigkeit. „Diese Daten können,“ erläutert die Projektleiterin, „genauso wie die von uns herangezogenen Werte zu Winkelgrößen, Radien oder Abkantfaktoren, auch in der Konstruktion und beim Abwickeln benutzt werden.“

Innenhochdruck-Umformen in vielen Anwendungsgebieten etabliert

Ein weiteres Thema in der Blechbearbeitung ist die wirkmedienbasierte Umformung: Das Innenhochdruck-Umformen (IHU) hat sich in vielen Anwendungsgebieten, beispielsweise in der Automobilindustrie, etabliert und verrichtet seinen Dienst in der Serienproduktion. Längst wird jedoch auch an anderen Verfahren der wirkmedienbasierten Umformung geforscht; Beispiele dafür sind hydromechanisches Tiefziehen, HBU, AHU oder aktives Hydromec.

Wird das etablierte Innenhochdruck-Umformen demnächst vom Außenhochdruck-Umformen ergänzt, gibt es einen Trend von IHU zu AHU? Zum aktuellen Stand der wirkmedienbasierten Umformung meint Hoffmann: „Das Innenhochdruck-Umformen hat ein festes, begrenztes Spektrum an Teilen, das sich kaum verändert. Dazu gehören Installationsteile, Auspuffteile oder Fahrwerkteile. Das Außenhochdruck-Umformen konnte sich industriell nicht durchsetzen und wird auch zukünftig nur eine Nische finden können. Es gibt in der Kfz-Industrie keine Großserienteile.“

Das IHU ist vom Umformen rohrförmiger Profile her bekannt und wird überwiegend dort angewendet. Der grundsätzliche Verfahrensansatz lässt sich auch zum Umformen von Einzel- und Doppelplatinen anwenden. Das Innenhochdruck-Umformen miteinander verschweißter Doppelplatinen hat den Vorteil, Fertigungsstufen einzusparen und Werkzeugkosten zu senken, weil sich zweischalige Bauteile in einem Fertigungsschritt herstellen lassen.

Innenhochdruck-Umformen weiter optimieren

So dürfte sich das bewährte Innenhochdruck-Umformen weitere Anwendungsgebiete erschließen. Außer der Automobilindustrie sind dies vor allem die Luft- und Raumfahrtindustrie und die Medizintechnik. Um die wirtschaftlichen Möglichkeiten dieser Technologien voll auszunutzen, gilt es auch hier, Prozesse weiter zu optimieren und Zykluszeiten zu reduzieren - eine Herausforderung für Maschinenhersteller und Prozessentwickler.

Eine weitere innovative Anwendung der wirkmedienbasierten Umformung ist die Verwendung von geschweißten Tailor-Welded- oder Tailor-Rolled-Platinen sowie Patchwork-Platinen aus hochfesten oder höchstfesten Blechwerkstoffen, mit denen sich das Bauteilverhalten gezielt durch die Veränderung der Blechdicke und -güte innerhalb des Werkstücks beeinflussen lässt. Zudem wird angestrebt, Nachfolgeoperationen in den Umformprozess zu integrieren, zum Beispiel Lochen, Trennen oder Fügen.

Walter Frick ist Fachjournalist in 97990 Weikersheim.

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