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EFB-Forschungsbericht Nr. 449

Anbindungsoptimierung von Folgeverbundbauteilen

efb449

Verfasser:
M.Sc. Ole Böttcher, B.Sc. Maximilian Gruber, M.Eng. Marco Raupach, Prof. Dr.-Ing. Wolfram Volk, Lehrstuhl für Umformtechnik und Gießereiwesen der Technischen Universität München

110 Seiten (sw, 88 teils farbige Abb., 3 Tab.)

ISBN: 978-3-86776-498-8

Preis (Digital) EUR 57,55

Preis (Print) EUR 72,00

Zusammenfassung

Die Forderungen nach Herstellungseffizienz in Form von Verkürzung der Durchlaufzeiten und Erhöhung der Ausbringungsmenge bei hohen Hubzahlen mit gleichzeitig gesteigerter Prozessstabilität sind die Motivation für den vermehrten Einsatz von Folgeverbundwerkzeugen in der blechverarbeitenden Industrie. Beim Einsatz und bei der Herstellung von Folgeverbundwerkzeugen gilt es, den Zielkonflikt zwischen Konstrukteur, Planer und Anlagenbetreiber zu lösen. Dabei sind Werkzeugkonstruktionen so einfach und kostengünstig wie möglich umzusetzen, wobei niedrige Werkzeugeinarbeitungszeiten, hohe Prozessstabilität und Ausbringungsmengen gefordert werden und ein Maximum an Materialnutzung angestrebt wird.

Die Anbindungen der Bauteile untereinander sowie an Rand- bzw. Mittelstegen sind dabei die Haupteinflussgrößen. Aktuell beruhen dabei die Streifenbildplanung sowie die Auswahl eines entsprechenden Anbindungskonzeptes rein auf historisch gewachsenem Wissen und Erfahrungen der Experten aus der Industrie. Hilfsmittel für die Auslegung, wie Richtlinien, Normen oder wissenschaftliche Untersuchungen existieren bislang nicht.

Alternativ setzen einige wenige große Firmen auf virtuelle Überprüfung bzw. Optimierung mittels FEM-Programmen in mehreren Iterationsschleifen. Mit Hinblick auf den hartumkämpften Markt der Umformwerkzeuge ist gerade für kleine und mittelständische Unternehmen eine virtuelle Absicherung weder finanziell noch personell realisierbar.

Im vorliegenden Forschungsprojekt „Anbindungsoptimierung von Folgeverbundbauteilen" wurde durch die systematische Untersuchung von Streifenbildern und zugehörigen Anbindungskonzepten eine methodische Unterteilung hinsichtlich Bauteilbelegung und Anbindungsgrundtypen realisiert.

Mit der entwickelten Übersichtsmatrix und der eingeführten Nomenklatur erfolgt zukünftig eine einheitliche Beschreibung der Streifenbilder auf Basis der Bauteilbelegung und Stegverteilung. Alle dokumentierten Anbindungen wurden separat differenziert und in Kategorien unterteilt. Dabei wurden fünf wiederkehrende Grundtypen vorgefunden. Alle anderen Sonderformen stellen lediglich Kombinationen aus den Grundtypen dar und zeigen keine wesentlichen Vorteile.

Basierend auf der Deformationshistorie der fünf abgeleiteten Anbindungsgrundtypen über unterschiedliche Werkzeugstufen und Umformoperationen hinweg, konnten sechs Hauptbewegungsfunktionen zwischen Bauteil und Randstreifen im Folgeverbundwerkzeug identifiziert werden.

Mit der Bewertung und Gegenüberstellung hinsichtlich der Bewegungsfunktionen in Form einer Bewertungsmatrix ist eine wesentliche Entscheidungshilfe bei der Anbindungsauswahl gegeben. Um nun zielgerichtet Anbindungen unter Laborbedingungen, losgelöst von Prozesseinflüssen zu untersuchen, wurde ein entsprechender Anbindungsprüfstand entwickelt. Mit diesem Prüfstand konnten bis auf die Torsion, welche rein simulativ betrachtet wurde, alle Bewegungen am Beispiel von Grundtypen untersucht und gegenübergestellt werden. Die parallel aufgebauten FE-Simulationsmodelle wurden mit den gemessenen Rückhaltekräften aus den Experimenten validiert und zeigen nach weiteren Iterationsschleifen qualitativ gut übereinstimmende Ergebnisse. Neben der Rückhaltekraft wurde die Dehnung auf der Anbindungsoberfläche mittels ARA-MIS-Messungen erfasst und als zusätzliche Validierungsgrundlage verwendet.

Aus diesen Ergebnissen lassen sich Rückschlüsse auf den Einfluss der Anbindung auf Randstreifen und Bauteil während der Umformung ziehen und somit weitere Empfehlungen für die Bewertungsmatrix ableiten. Neben ausgewählten Grundtypen wurden exemplarisch zwei weitere innovative und vielversprechende Anbindungstypen entwickelt und ebenfalls simulativ und experimentell bewertet. Mit der abschließenden erweiterten Übersichtsmatrix können somit direkte Hilfestellungen für die Streifenplanung und Auswahl des Anbindungskonzeptes gegeben werden. Abschließend wurde exemplarisch eine neu entwickelte Anbindung hinsichtlich des Materialnutzungsgrades optimiert und somit wesentliche Potenziale und Tendenzen aufgezeigt.
Das Forschungsziel wurde erreicht.

Das IGF-Vorhaben „Anbindungsoptimierung von Folgeverbundbauteilen" wurde unter der Fördernummer AiF 17794N von der Forschungsvereinigung EFB e.V. finanziert und betreut und über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Der Abschlussbericht ist als EFB-Forschungsbericht Nr. 449 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.

Abstract

Increasing demands for manufacturing efficiency in the form of shortening the processing times and increasing the output quantity for a high stroke rate combined with expanded process stability are the reason for the increased use of progressive die tools in the sheet metal industry. In the case of use and production of progressive die tools, the target conflict between the designer, the planner and the system operator has to be solved.

As a result, tool constructions have to be implemented as simply and cost-effectively as possible, with low tool processing times, high process stability and output quantity being required and the maximum degree of material utilization being striven for. The connections between the components as well as to the edge or middle supports are the main influencing variables.

At present, the progressive die layout planning and the selection of an appropriate connection concept are purely based on the historically developed knowledge and the experience of several experts. Aids for interpretation such as guidelines, standards or scientific investigations do not yet exist. Alternatively, a few numbers of large companies rely on virtual verification or optimization using FEM analysis in several iterative loops. With regard to the highly competitive market of forming tools, a virtual validation cannot be realized either financially or in terms of personnel capability, especially for small and medium-sized enterprises.

In the present research project "Connection optimization of progressive die composites", a methodical subdivision with regard to component layout and basic types of connections was realized by the systematic examination of progressive die planning and associated connection concepts. With the developed overview matrix and introduced nomenclature, a uniform description of the progressive die layout plan based on component layout and support distribution will be provided in the future. All documented connections were separately differentiated and divided into categories, whereby five recurring basic types were found. All other special forms are only combinations of the basic types and do not show any significant advantages.

Based on the deformation history of the five derived basic types of anchorage over different tool stages and forming operations, six main functions of movements between the component and the edge strips could be identified in the progressive die tool. By evaluating and comparing the motion functions in the form of a rating matrix, an essential decision guidance is given to the selection of the connection. In order to investigate the connections under laboratory conditions in isolation from process influences, a corresponding experimental setup has been developed.

With the exception of torsion, which was simulatively considered, all motions with the example of the basic types could be investigated and compared with this test setup. The parallel built FE models were validated with the measured restraining forces from the experiments and show, after further iterative loops, qualitatively well consistent results. In addition to the restraining force, the strain on the connection surface was recorded using Digital Imaging Correlation (DIC). This is used as an additional validation basis for one example. From these results, conclusions can be drawn about the influence of the connection on the edge strips and the component during the forming and thus further recommendations for the evaluation matrix can be derived. In addition to several basic types, two further innovative and promising connecting types were developed and simulatively and experimentally evaluated. With the concluding extended overview matrix, direct support for the progressive die layout planning and selection of the connection concept can be given. Finally, one developed connection was optimized with regard to the degree of material utilization, and thus significant potentials were shown.
The research objective has been achieved.

Inhaltsverzeichnis

Zusammenfassung
1 Einleitung
2 Stand der Technik
3 Problemstellung und Lösungskonzepte
3.1 Forschungsziel
3.2 Angestrebte Forschungsergebnisse
3.2.1 Innovativer Beitrag der angestrebten Forschungsergebnisse
3.3 Angestrebter Lösungsweg zum Erreichen des Forschungsziels
3.3.1 Aufnahme des industriellen Ist-Zustandes
3.3.2 Katalogisieren und Kategorisieren von Anbindungskonzepten
3.3.3 Aufstellen möglicher Anbindungskonzepte sowie Vergleich und Bewertung
3.3.4 Validierung der neuen Konzepte
3.3.5 Ableiten und Aufstellen von Konstruktionsvorschriften
4 Industrieller Ist-Stand bei der Streifenanbindung
5 Versuchs- und Messeinrichtungen
5.1 Anbindungsprüfstand
6 Versuchsgeometrien
7 Simulative Untersuchungen der Anbindungskonzepte
8 Ergebnisse
8.1 Ergebnisse der simulativen Voruntersuchung
8.1.1 y-Belastung
8.1.2 x-Belastung
8.1.3 z-Belastung
8.1.4 ry-Belastung
8.2 Validierung der simulativen Untersuchungen mit Hilfe der experimentellen Ergebnisse
8.2.1 y-Belastung
8.2.2 x-Belastung
8.2.3 z-Belastung
8.2.4 ry-Belastung
8.3 Optimierung der Simulation
8.4 Abgleich Experiment und optimierte Simulation
9 Optimierung des Materialnutzungsgrads
10 Ergebnisse und Ausblick
11 Nutzen und wirtschaftliche Bedeutung der erzielten Forschungsergebnisse für KMU
11.1 Nutzung der erzielten Forschungsergebnisse in KMUs
11.2 Beitrag zur Steigerung der Wettbewerbsfähigkeit der KMU
11.3 Aussagen zur voraussichtlichen industriellen Umsetzung der FuE-Ergebnisse nach Projektende
12 Verzeichnisse
12.1 Abbildungsverzeichnis
12.2 Tabellenverzeichnis
13 Literaturverzeichnis
13.1 Schrifttum
13.2 Normen
13.3 Weblinks
14 Anhang
14.1 Unterteilung der Bauteile in wiederkehrende Anbindungsarten mit Beispielen
14.2 Anforderungsliste für Anbindungsprüfstand