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Gute Bauteile - da ist die Spannung völlig raus

25.08.2008
Spannungen in einem umgeformten Bauteil lassen dieses bei der Entnahme aus dem Werkzeug aufspringen, es federt zurück. Diese Rückfederung steht im Konflikt zur Maßhaltigkeit des Bauteils – außer man kompensiert die Werkzeuggeometrie entsprechend. Um dies rasch umzusetzen, drängt sich vor dem Anfertigen der Werkzeuge die Analyse und Korrektur mit einer Simulationssoftware auf.

Das Problem mit der Rückfederung erkannte die Gütersloher Werkzeugbau GmbH (GWB) bereits frühzeitig. Sie engagierte die Auto-Form Engineering GmbH für ein anstehendes Projekt zur Analyse eines Bauteils mit einem maßgeblichen Rückfederungseffekt. Die Auto-Form Simulationssoftware ab der Version 4.1 kann sowohl die Rückfederung als auch deren Kompensation berechnen. Außerdem wurde bereits früher erfolgreich zusammengearbeitet.

Die GWB ist ein mittelständischer Werkzeugbauer, der sich der exzellenten Qualität und absoluten Termintreue verschrieben hat. Dass Letztere gelegentlich auf Messers Schneide steht, ist dem Gütersloher Werkzeubau nichts Neues. Schon einmal kam es zu einer gleichsam notfallmäßigen Zusammenarbeit der GWB und Auto-Form, da der Liefertermin für ein anspruchsvolles Verstärkungsscharnier unaufhaltsam näher rückte.

Aufgrund der guten Ergebnisse einer Auto-Form-Simulation gelang der entscheidende Sprung vorwärts hinsichtlich einer zuverlässigen Bauteilfertigung innerhalb der geforderten Toleranzgrenzen. Seither sichert sich der Werkzeugbauer bei kritischen Bauteilen gerne mit einer Auto-Form-Simulation gegen unwillkommene Überraschungen ab.

Das Projekt beinhaltete ein 750 mm langes, schmales Bauteil, eingesetzt als Dachverstärkung in einem Volvo-Modell, herzustellen in einem Formstanzwerkzeug, und das Spannkonzept, vorgegeben von Volvo Cars Body Components als Kunden – so waren die Anforderungen. Für Eberhard Budde, Betriebsleiter der GWB, roch es förmlich nach Herausforderung.

Umformsimulation erlaubt umfangreiche Projekt-Abschätzungen

Was lag näher, als diesem Bauteil ausgiebig auf den Zahn zu fühlen. Ein schmerzloser Weg, die anstehende Aufgabe abzuschätzen, führte für Eberhard Budde folgerichtig über eine Umformsimulation.

Das rechnet sich für den 26 Mitarbeiter zählenden Betrieb nicht nur finanziell, sondern vor allem auch zeitlich. „Und schont die Nerven dramatisch“, wie Burkhard Gerling von GWB tief durchatmend verdeutlicht. Er weiß, wovon er spricht, denn als technischer Leiter verantwortet er die Konstruktion, die mechanische Fertigung, die Werkzeugmontage und die Einarbeitung.

Gerling fügt an: „Die Simulation führen wir parallel zur weiteren Konstruktion durch. Damit können die kompensierten Werkzeuggeometrien aus der Simulation verzögerungsfrei in die Werkzeugkonstruktion einfließen. Die Zeitersparnis ist riesig gegenüber einer seriellen Auftragsabwicklung ohne Simulation. Dieser herkömmliche Weg bietet aus Erfahrung immer wieder unvorhersehbare Stolpersteine und sabotiert regelmäßig Planung und Ausführung.“

Für die Analyse der Dachverstärkung übernahm Martin Milch, Auto-Form-Applikationsingenieur, die CAD-Daten in die aktuelle Software-Version. Er wies den einzelnen Werkzeugen die Wirkflächen zu, definierte die Beschnittoperationen und bestimmte die Arbeitsrichtungen. Damit stand das Konzept für die Doppelteilfertigung mit den Stationen Formstanzen, Beschneiden, Lochen und dem abschließenden Trennen der beiden Teile fest. Zur Beurteilung der Maßhaltigkeit der Dachverstärkung wurden außerdem Spann- und Fixierpunkte am Bauteil definiert, eine Vorgabe des Fahrzeug-Rohbaus.

Das erste Simulationsergebnis zeigte eine nur geringe Ausstreckung des Materials, was sich in der Formstabilität des Bauteils nachteilig bemerkbar machte.

Erste Umformsimulation berechnet bis zu 3,2 mm Maßabweichung

Bei der Rückfederungsberechnung in Auto-Form wurden die Spann- und Fixierpunkte berücksichtigt, die später in der Lehre zur Vermessung des Bauteils Verwendung finden. Das Berechnungsergebnis zeigte eine Verdrehung des Bauteils um die Längsachse, woraus eine Maßabweichung zur gewünschten Bauteilgeometrie von bis zu 3,2 mm resultierte.

Um eine derartige Maßabweichung auszugleichen, wird das Bauteil gezielt so weit über das Sollmaß hinaus umgeformt, dass bei seiner Entnahme aus dem Werkzeug trotz Aufsprung die angestrebte Geometrie erreicht wird. Für die Berechnung der Kompensation unterteilt Auto-Form die Werkzeuggeometrie in drei Regionen. Eine Region erfährt keinerlei Veränderung, eine Region wird direkt entgegen der Aufsprungrichtung kompensiert und die dritte Region bildet einen Übergang zwischen den beiden anderen Regionen.

Die kompensierte Werkzeuggeometrie dient dann als Ausgangswerkzeug für eine weitere Simulation. Über mehrere solcher Schleifen erreicht man schließlich ein Rückfederungsergebnis, das innerhalb der geforderten Toleranz liegt.

Umformsimulation muss gesamten Prozess betrachten

Trotz einwandfrei kompensierter CAD-Daten aufgrund eines tolerierten Rückfederungsergebnisses würde ein daraus erstelltes Werkzeug die Bauteile nicht zwingend maßhaltig liefern. In der Realität gibt es diverse Einflussgrößen, die sich ändern und deren Streuung den Umformprozess beeinflussen.

So kann sich beispielsweise nach einem Blechchargenwechsel in der Produktion die Materialstärke verändert haben. Selbst wenn dies innerhalb der vom Lieferanten zugesicherten Toleranz passiert, können unzulässig viele Ausschussteile die Folge sein. Für eine stabile Produktion mit möglichst wenig Ausschuss und geringen Ausfallzeiten muss deshalb der gesamte Prozess unter Berücksichtigung der Streugrößen betrachtet werden.

Die Kompensation der Rückfederung führt nur bei einem robusten Prozess zu einem dauerhaft maßhaltigen Bauteil. Ein solcher Prozess liefert eine stabile Rückfederung mit konstanten Werten, auch unter dem Einfluss der Fertigungsstreuungen wie Blechdicke, Materialeigenschaften, Platinenposition oder Blechhalterdruck.

Simulationssoftware führt automatisch mehrere Umformsimulationen durch

Die Betrachtung des gesamten Prozesses mitsamt den Streuungen ermöglicht Auto-Form-Sigma. Dazu variiert die Software ausgewählte Streugrößen in einem definierten Toleranzbereich und führt automatisch mehrere Umformsimulationen durch.

Statistische Analysen erlauben Rückschlüsse auf den Einfluss bestimmter Größen hinsichtlich des Prozesses. Ziel ist die optimale Prozess-Robustheit, damit die Produktion reibungslos durchläuft und die geforderte Bauteilqualität sicher erreicht wird.

Mit den Erkenntnissen aus einer Sigma-Analyse wurde im Beispiel die Kompensation durchgeführt. Nach vier Kompensationsläufen lag das Rückfederungsergebnis innerhalb der geforderten Formtoleranz.

Die kompensierten CAD-Daten wurden aus Auto-Form herausgeschrieben und GWB zur Werkzeugerstellung zur Verfügung gestellt. Die Gütersloher Werkzeugbauer frästen aus diesen Daten direkt das Werkzeug.

Umformsimulation erspart vier Wochen Arbeitsaufwand

Volle drei Korrekturschleifen konnte GWB damit im Tryout einsparen. Das entspricht einem Arbeitsaufwand von vier Wochen.

Stellt man diese Zeitspanne der für ein solches Werkzeug üblichen Herstellzeit gegenüber, resultiert ein Vorteil von 20%. Das bedeutet einen Vorsprung beim Liefertermin und genauso wichtig, aktuelle Aufträge werden durch schwer planbare Korrekturschleifen aus früher gestarteten Projekten nicht durcheinander gebracht.

Das Beispiel der Dachverstärkung steht für ein erfolgreich durchgeführtes Projekt eines mittelständischen Werkzeugbauers, das dank Simulation auf Anhieb funktioniert hat. Obwohl es sich um ein kritisches Bauteil handelt, lieferten die Simulationsergebnisse die notwendigen Ergebnisse, um das unternehmerische Risiko der GWB sowohl finanziell als auch terminlich unter Kontrolle zu halten. Vor allem der um vier Wochen geringere Arbeitsaufwand stellte GWB bezüglich Lieferfähigkeit in ein sehr positives Licht.

Und die finanziellen Aspekte wurden noch gar nicht erwähnt. Die Reduktion auf einen Viertel der bisherigen Kosten bis zum versuchsbereiten Werkzeug lässt aufhorchen. Für Eberhard Budde ist klar: „Bei kritischen Bauteilen können wir uns keine Bastel- und Versuchsphase leisten. Da sichern wir uns lieber gleich mit einer Simulation ab. Die liefert uns schnelle und aussagekräftige Informationen, wie wir effizient zum optimalen Werkzeug kommen. Das rechnet sich immer.“

Daniel Fries | MM MaschinenMarkt
Weitere Informationen:
http://www.maschinenmarkt.vogel.de/themenkanaele/produktion/umformtechnik/articles/141420/

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