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Virtuelle Fabrik

Stahl aus Bits und Bytes in der virtuellen Fabrik

| Autor/ Redakteur: Lutz Keßler und Michael Borsutzki / Stefanie Michel

Kann man auf die reale Welt bald verzichten? Die 3D-Technik vermittelt diesen Eindruck. Dennoch wird es die Produktion sicherlich weiterhin geben. Doch auch in der Industrie existiert die computergenerierte Simulation. Die virtuelle Fabrik verändert bereits heute unser ganzes Leben, wie ein großes Stahlunternehmen zeigt.

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Mit der Universalblechprüfmaschine sind exakte Auswertungen der Dehnungen und Formveränderungen über den gesamten Verlauf möglich.
Mit der Universalblechprüfmaschine sind exakte Auswertungen der Dehnungen und Formveränderungen über den gesamten Verlauf möglich.
(Bild: Thyssen Krupp Steel Europe)

Die virtuelle Fabrik ist ein „Unternehmen“ aus Bits und Bytes, das zuverlässig Vorhersagen fertigt. Wer die Produktion im Rechner simuliert, kann Abläufe, Verfahren, Werkstoffe und alle übrigen Parameter fast nach Belieben verändern – und braucht dafür nicht mehr als Rechenzeit. Von diesen rasanten Fortschritten der Computertechnik profitieren Thyssen-Krupp Steel Europe und seine Kunden, denn so können Ingenieure komplette Karosserien, neue Autobauteile und Stahlwerkstoffe am Bildschirm scheinbar mühelos entwickeln – und zwar erstaunlich realitätstreu. Schon in der Konstruktionsphase ist es möglich, das Werkzeug mit virtuellem Stahl auszuprobieren. Eine optimierte Formgebung, eine alternative Stahlgüte, eine veränderte Materialdicke – der Weg zur Lösung, nämlich einer verkürzten Entwicklungszeit beim Anwender, ist dann nicht mehr weit. Denn: Simulationen sparen den Prototypenbau, Realversuche und damit Zeit und Geld, weil die Herstellung von Presswerkzeugen oder Karosserien für den Crash aufwendig und teuer ist.

Simulation als verlässliches digitales Werkzeug

Simulationen zum Crashverhalten von Fahrzeugstrukturen beispielsweise gehören bei Thyssen-Krupp Steel Europe zum Standard. Sie haben sich in den vergangenen 20 Jahren zu einem verlässlichen digitalen Werkzeug entwickelt, mit dem hochkomplexe Prozesse gestaltet werden. Dank immer leistungsfähigerer Computer und entsprechender mathematischer Verfahren wagen sich die Stahlexperten an immer umfassendere Konzepte. Die am Computer erzeugte Umgebung stellt heute realistisch dar, wie sich bestimmte Stahlsorten oder Materialstärken nicht nur im Falle eines Crashs, sondern auch beim Umformen im Werkzeug verhalten, ohne dabei den Prozess Wirklichkeit werden zu lassen – zeitsparend, kostenschonend und ganz ohne Fehlentwicklungen.

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Exakte Werkstoffparameter als Basis der Simulation

Die große Anzahl der Stahlsorten bei Thyssen-Krupp Steel Europe erfordert aber, dass die virtuelle Fabrik nicht nur den Prozess darstellt. Sie muss auch das unterschiedliche Verhalten der verschiedenen Güten unter den unterschiedlichsten Belastungen realistisch abbilden und so eine exakte Differenzierung erlauben. Schon geringe Abweichungen in den Daten können später zu Problemen und Mehrkosten führen. Deswegen hat Datenverlässlichkeit bei Thyssen-Krupp Steel Europe oberste Priorität.

So stehen vor der Simulation umfangreiche Materialuntersuchungen der internen Prüftechnik an. Alle Werkstoffkennwerte, die für die industrielle Anwendung erforderlich sind, werden dort seit mehr als zwei Jahrzehnten akribisch ermittelt. Die Rohdaten fast sämtlicher Serienwerkstoffe des Duisburger Stahlproduzenten sind in der hauseigenen Werkstoffdatenbank (WDB) systematisch aufgelistet, was in dieser Form nur wenige Stahlunternehmen bieten. Dabei ist die Qualität der Daten auf nationaler und internationaler Ebene durch einen umfangreichen, mit der Automobilindustrie und anderen Industriekunden sowie in Arbeitskreisen der Deutschen Gruppe der International Deep Drawing Research Group (IDDRG) abgestimmten Versuchs- und Freigabeprozess sichergestellt. So werden Ergebnisse reproduzierbar. Gleichzeitig wird die Aussagekraft von Simulationen erhöht und damit die Treffsicherheit in der virtuellen Fabrik verbessert.

Werkstoffdatenbank macht Stahl vergleichbar

In der ersten Dekade der Simulationsanwendung beschränkten sich die Werkstoffkennwerte meist auf einfache Daten, die fast ausschließlich über Zugversuche abgeleitet wurden. Mit der Vorgabe der Fließkurve und den Anisotropiewerten (r-Werten) in Längs-, Diagonal- und Querorientierung zur Walzrichtung schien das Material für die Umformsimulation ausreichend beschrieben. Die Annahme der Verfestigung beruhte dabei oftmals auf der Formulierung von Swift und die Fließortformulierung für die Beschreibung der Plastizität unter verschiedenen Spannungen auf dem Modell von Hill ´48.

Mit der stetigen Verbesserung der Simulationssoftware und dem zunehmenden Anspruch der Kunden an Ergebnisqualität und Aussagekraft stiegen in den vergangenen Jahren die Anforderungen an die Kennzahlen proportional. Das machte weitere Experimente unter verschiedenen Spannungszuständen und Wissen zur Ermittlung der anfallenden Kennwerte notwendig. So investierte Thyssen-Krupp Steel Europe verstärkt in neue Hightech-Versuchsmaschinen sowie hoch qualifiziertes Personal. Aufgabe ist es unter anderem, Fließkurven bei hohen Dehnraten zur Prognose des Crashverhaltens mit moderner Maschinentechnik zu ermitteln und über neue Auswertetechnik mit passenden mathematischen Materialmodellen abzubilden.

Ähnliches gilt für die Umformsimulation: Heute etablieren sich hydraulische Tiefungsversuche für die Ableitung des biachsialen Fließwiderstandes und die Absicherung des Fließverhaltens bei hohen Dehnungen. Auch hier begleitet das Duisburger Stahlunternehmen den Prozess aktiv, indem die Stahlexperten aktuell die internationale Normung des hydraulischen Tiefungsversuchs vorantreiben. Die Einbindung der neuen Regelwerke in den zwischen Stahlherstellern und Automobilherstellern abgestimmten Werkstofffreigabeprozess unterstreicht deutlich die Akzeptanz der gemeinsam entwickelten Prüfmethoden. Ein Ende der virtuellen Entwicklung ist noch lange nicht in Sicht: Der Bedarf an Simulationen, die beispielsweise das Umformvermögen, unterschiedliche Spannungszustände, das Verhalten bei Lastwechseln (Ermüdungs- oder Rückfederungsverhalten) und den Einfluss von Geschwindigkeiten abbilden, steigt dauernd.

Bedarf an Simulation steigt permanent

Um ihm zu begegnen und verlässliche Werkstoffkennzahlen zur Verfügung zu stellen, müssen immer neue Prüfkapazitäten und Know-how zur Ermittlung von genormten Kennwerten angeschafft werden. Das Ergebnis lohnt sich: Von den Resultaten profitiert die Produkt- und Prozessentwicklung im Automobilbau stark. So können die Herstellbarkeit von Bauteilen beurteilt und Produkteigenschaften kosten- und zeitsparend und absolut zuverlässig analysiert werden.

Virtuelle Fabriken, die von der Realität nicht zu unterscheiden sind, sind allerdings noch Vision. Doch Teile der dafür benötigten Technik kommen vermehrt zum Einsatz. Sie entwickeln sich stetig weiter und bieten dem Anwender immer mehr Möglichkeiten bei der Modellierung seiner Werkstoffe. So wird heute die Realität ergänzt durch virtuelle Hilfsmittel – das macht aufwendige Experimente überflüssig. Das Interesse daran wächst unaufhörlich, sodass sich das Leben künftig immer mehr in virtuellen Räumen abspielen wird. Irgendwann wird dann die Simulation einer Produktion ein Prozess sein, der aus seinen Fehlern lernt und sich selbst optimiert.

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