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EFB-Forschungsbericht Nr. 330

CAE-Methoden in der Einarbeitungsphase der Blechumformung

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Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. habil. Volker Ulbricht, Dr.-Ing. Dietmar Süße, Professur für Kontinuumsmechanik am Institut für Festkörpermechanik der Technischen Universität Dresden, Prof. Dr.-Ing. habil. Knut Großmann, Dr.-Ing. André Hardtmann, Institut für Werkzeugmaschinen und Steuerungstechnik der Technischen Universität Dresden, Prof. Dr.-Ing. habil. Ralph Stelzer Dr.-Ing. Christine Schöne, Lehrstuhl Konstruktionstechnik / CAD am Institut für Maschinenelemente und Maschinenkonstruktion der Technischen Universität Dresden

132 Seiten (99 teils farbige Abb., 10 Tab.)

ISBN: 978-3-86776-367-7

Preis (Digital) EUR 79,00

Preis (Print) EUR 89,00

Zusammenfassung

Ursachen für Maßabweichungen, die letztlich zu Anpassungsarbeiten an den Umformwerkzeugen führen, liegen u.a. in der Streuung der Werkstoffkennwerte, in der Beherrschung der technologischen Umformprozessparameter sowie in der elastischen Rückfederung nach Entlastung und Beschneideoperationen begründet. Eine weiterführende Herausforderung stellt dabei die Kompensation der Rückfederung dar. Zielstellung dabei ist es neben der exakten Simulation der Rückfederung an sich, diese durch geometrische Änderungen an den Werkzeugen zu kompensieren. Hierbei besteht die Absicht, die Einarbeitungszeit durch entsprechende vorgelagerte Simulationen zu verkürzen, d. h., bereits rückfederungskompensierte Werkzeuge zu modellieren und zu fräsen. Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurde auf praxisrelevante Werkstücke mehrerer Industrieunternehmens orientiert. Dazu standen von einem Werkstück alle Ziehstufen die CAD-Daten und die realen Werkzeuge sowie Blechteile zur Verfügung.

Ein Vergleich der mittels Simulation kompensierten Werkzeugflächen mit den realen Werkzeugen zeigt, wie sinnfällig die Rückfederungskompensation zum jetzigen Stand der Technik und unter Einbeziehung möglicher Nachgiebigkeiten ist. Es kann mit diesem Vergleich festgestellt werden, wie weit die Simulation von den realen Bauteilen abweicht. Diese Unwägbarkeiten beruhen teilweise auf Praxiseinflüssen wie Werkstoffwechsel, Zuschnittsgrößenänderungen, abgeschätzte Einflüsse durch die Presse, Genauigkeiten der Scantechnik und Flächenrückführung usw. Wichtig ist das Anstreben der Berücksichtigung aller Parameter wie Blechwerkstoff, Reibung, Technologie (Verfahrwege, Niederhalterkräfte, konkreter Fertigungsablauf), kompletter Maschineneinfluss und die exakte Werkzeuggeometrie. Es wurde eine Methode zur Berücksichtigung von elastischen Werkzeugen bei der Umformsimulation vorgestellt, mit der Rechenzeit eingespart werden kann ohne die Ergebnisgenauigkeit signifikant einzuschränken. Die Methode hat den Vorteil, dass Wirkflächen der Werkzeuge bei der Modellerstellung unkompliziert ausgetauscht oder verändert werden können, ohne dass eine aufwendige Neuvernetzung des gesamten Werkzeuges notwendig ist.

Zur Berücksichtigung der genauigkeitsbestimmenden Einflussgrößen wurde das FEM-Prozessmodell um die elastostatischen Werkzeug- und Maschineneigenschaften erweitert. Dazu wurden reduzierte Modellansätze verwendet, die das reale Verhalten ausreichend genau beschreiben. Die vollständige Modellerweiterung umfasst auch die Abbildung realer Werkzeugwirkflächen durch die Nutzung optischer Flächenmessdaten im FEM-Prozessmodell. Dadurch können Effekte der manuellen Werkzeugeinarbeitung und Ver-schleißerscheinungen im Produktionsprozess bei der Simulation berücksichtigt werden.

Die entwickelten Prozessmodelle wurden an einem Praxisbauteil verifiziert. Mit jeder Modellerweiterung konnte die Abweichung zum realen Umformergebnis vermindert werden. Der flächenhafte 3D-Vergleich zwischen dem Ergebnis des vollständig erweiterten Pro-zessmodells und dem gemessenen Realbauteil zeigt eine gute Übereinstimmung. Im vollständig erweiterten FEM-Prozessmodell wurden elastostatische Werkzeug- und Maschineneigenschaften berücksichtigt sowie die Werkzeugoberfläche durch optische Messdaten abgebildet.

Durch die geringe Abweichung beim 3D-Vergleich wird die Notwendigkeit und Effektivität der erweiterten FEM-Prozessmodelle nachgewiesen. In weiteren Forschungsarbeiten sind jedoch die Methoden zur Modellerstellung noch effizienter zu gestalten und die Wechselwirkungen zwischen Prozess und Maschine näher zu untersuchen, um den Aufwand bei der manuellen Einarbeitung zu minimieren.

Das Vorhaben leistet für die Weiterentwicklung der Simulation von Umformprozessen einen wichtigen Beitrag zur Ermittlung von Randbedingungen und technologischen Parametern bei der Werkzeugentwicklung. Damit kann eine hohe Prozesssicherheit und eine hohe Qualität in Bezug auf die Maßhaltigkeit des umgeformten Bleches gewährleistet werden. Mit einer verbesserten Prognosefähigkeit bei der Simulation von Blechumformprozessen kann die Zeit bis zum Serienanlauf verkürzt werden, da der manuelle Aufwand bei der Werkzeugeinarbeitung vermindert wird. Abschließend kann zusammenfassend festgestellt werden, dass das Ziel des Vorhabens erreicht wurde.

Das IGF-Vorhaben „CAE-Methoden in der Einarbeitungsphase der Blechumformung“ wurde unter der Fördernummer AiF 15799BR 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 und -entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Der Abschlussbericht ist als EFB-Forschungsbericht Nr. 330 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.

Inhalt

1Einleitung und Problemstellung
2Stand der Forschung
2.1Simulation zur Methodenplanung und zum Werkzeugbau
2.2Topologieoptimierung mit der FEM-Simulation
2.3Werkzeugkonstruktion und -bau
2.4Werkzeugeinarbeitung
2.5Bilderfassung
3Zielstellung und Lösungsweg
3.1Forschungsziel
3.2Angestrebte Forschungsergebnisse
3.3Innovativer Beitrag der Forschungsergebnisse
3.4Lösungsweg
4Ergebnisse zur Konturvermessung und Flächenrückführung
4.1Ausgangspunkt und theoretische Betrachtungen
4.2Datenaufbereitung
4.3Versuchsdurchführung
4.4Validierung des Scanprozesses
4.5Versuchsauswertung
5Ergebnisse zur Prozess- und Maschinensimulation
5.1Zielstellung und Vorgehensweise
5.2Hybridvernetzung mit LS-DYNA
5.3Parametrierung für das Praxisteil
5.4Vergleichende Ergebnisbewertung am Praxisteil
6Rückfederungskompensation mit PAM-STAMP2G®
6.1Vorgehensweise
6.2Ergebnisse der Rückfederungskompensation am Beispiel der Pkw-Rückwand
6.3Vergleich der simulierten Blechteilgeometrien miteinander und mit den rückfederungskompensierten Flächen
6.4Vergleich der simulierten Blechteilgeometrien mit Offset mit den rückfederungskompensierten Flächen und den Realflächen
6.5Blechteilvergleich der rückfederungskompensierten Flächen mit Offset mit den gescannten Realflächen
7Weitere Untersuchungen
7.1Datenrückführung
7.2Untersuchung von Fräsdaten
8Zusammenfassung
9Wirtschaftliche Bedeutung für kleine und mittlere Unternehmen (KMU)
9.1Voraussichtliche Nutzung der angestrebten Forschungsergebnisse
9.2Möglicher Beitrag zur Steigerung der Leistungs- und Wettbewerbsfähigkeit der KMU
9.3Umsetzung der Forschungsergebnisse
Literaturverzeichnis
Verzeichnis der Abbildungen, Tabellen und Anlagen
Anlagen