Software gibt Massivumformern neue Antworten

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Einen Ansatz zur Verbesserung der Werkzeugstandzeit zeigte Dr. Gabriel McBain, Produktmanager bei Simufact Engineering. Er stellte eine Kombination von FEM-Prozesssimulation mit einem Prozessüberwachungssystem einschließlich kalibrierter Kraftmessung bei Kaltumformprozessen vor. „Die Zielgrößen der Prozessüberwachung und der Prozesssimulation haben alle einen Zusammenhang mit der Presskraft. Das wollten wir verbinden, wie es auch unter dem Stichwort Industrie 4.0 propagiert wird“, sagte er.

Prozessüberwachungssystem und FEM-Simulation verlängern zusammen Werkzeug-Lebensdauer

Denn die beiden Werkzeuge dienen bisher unterschiedlichen Zwecken: Die FEM-Simulation, wie sie in der Entwicklung von Massivumformwerkzeugen eingesetzt wird, dient zur Optimierung von Umformsequenz, Hüben und Werkzeugen, mithin der Vorhersage der Absolutkräfte. Die Prozessüberwachung ihrerseits erkennt Überlastungen, Qualitätsmängel und erlaubt eine unbemannte Produktion – sie misst die Relativkräfte.

Praktisch überprüft und angepasst wurden die Simulationen beim Metallverarbeiter Möhling GmbH in Altena. Dabei zeigte sich zunächst, dass die Kraftsensoren in den Maschinen standardmäßig zu weit weg vom Umformvorgang positioniert sind. Für die Versuche wurden deshalb die Messorte Stellkeil und Druckstück ausgewählt und kalibriert.

Der experimentell untersuchte Umformprozess – die Herstellung von Tauchkernen auf einer zweistufigen Presse – wurde anschließend mit einem Simulationsprogramm numerisch mit der Finite-Elemente-Methode modelliert. „Die simulierte Soll-Kraft-Kurve lässt sich in die Maschine einspielen, der Bediener kann sich daran herantasten, um die optimale Kurve zu finden“, erläuterte McBain. Die simulativ optimierte Prozessauslegung kann dann umgesetzt werden, die fortwährende Überwachung während der Produktion erlaubt ein exaktes Nachjustieren und verhindert eine dauerhafte Überlastung der Presse.

Allerdings zeigte sich in der Praxis, dass der Einsatz von Prozesssimulation und Prozessüberwachungssystem mit unkalibrierten Presskraftmessungen ein vorzeitiges Versagen der Umformwerkzeuge nicht verhindern konnte. „Die Ursache waren kleine Veränderungen der Werkzeugeinstellungen in einer Größenordnung von ±0,05 mm. Sie haben einen erheblichen Einfluss auf Presskräfte und Werkzeugstandzeiten – aber wie kann sie der Maschinenbediener so genau einstellen?“, fragte McBain. Hier half die Kombination aus Simulation und einer bereits bei der Werkzeugeinrichtung kalibrierten Presskraftmessung. Laut McBain ist es den beteiligten Unternehmen gelungen, das Signal aus der Prozessüberwachung in eine Kraftmessung umzuwandeln. „Wir können jetzt die Presskraft an der Maschine sehen und der Maschineneinrichter kann problemlos die Maschine einrichten, ohne die Werkzeuge zu überlasten“, sagte McBain. Schon vom ersten Hub an könnten solche Werkzeugüberbelastungen vermieden werden.

Software unterstützt auch die Warmmassivumformer

Auch in der Warmmassivumformung können Softwarewerkzeuge weiterhelfen. Nico Rohrbach, Berechnungsingenieur bei der Leiber Group, zeigte auf der 4. VDI-Konferenz Warmmassivumformung, wie sich der Leichtbau durch Nutzung eines holistischen Ansatzes der virtuellen Produktentwicklung maximieren lässt mit der Herstellung eines Luftbalgträgers als Beispiel.

„Beim konventioneller Ansatz beginnt man mit einer Strukturanalyse, dann kommt die Umformsimulation und schließlich das Festlegen der Umformwerkzeuge. Anders ist es beim holistischen Ansatz: Hier steht eine Topologieoptimierung der Bauteile am Anfang, gefolgt von einer Strukturanalyse, der weiter aufgefächerten Umformsimulation einschließlich Erwärmen und Abkühlen und schließlich der Werkzeuganalyse“, sagte er. „Idealerweise werden in Zukunft die Simulationsergebnisse von der vorangehenden in die nachfolgende Simulation übertragen, wir haben hier verkettete Simulationen.“ Zu beachten sei, dass sich hierbei die Nutzungsreihenfolge der CAE-Tools ändere. So könne man auch die Umformsimulation vor der Strukturanalyse durchführen, was den Vorteil habe, dass man Eigenspannungen und Anisotropieeffekte berücksichtigen könne.

Die Topologieoptimierung des Bauteils am Anfang der Simulationskette dient dazu, das Bauteil so zu gestalten, dass es optimal an die Betriebslasten angepasst ist – man setzt nur dort Material ein, wo es gebraucht wird. Damit und – in diesem Fallbeispiel - durch die Verwendung einer Aluminiumknetlegierung anstelle von Gusseisen wird das Gewicht minimiert. In einer FE-Analyse untersuchten die Ingenieure dann die Auswirkungen und die Wirksamkeit der Materialsubstitution und der Topologieoptimierung.

„Eine solche Prozessauslegung war nur durch intensiven Einsatz virtueller Methoden wirtschaftlich machbar“, bilanzierte Rohrbach. Er empfahl den Konferenzteilnehmern, ebenfalls auf ein Zusammenführen zu setzen: „Durch die Mitnahme von Simulationsergebnissen in andere CAE-Tools können die Ergebnisse weiter präzisiert werden und führen eventuell früher zum Erfolg. Die Softwarehersteller werden Schnittstellen schaffen, wenn sie es nicht schon getan haben.“

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