Simulationsverbund von Tiefziehen und Crash öffnet die Trickkiste

Bei der Blechumformung simuliere man heute bereits vor- und nachgelagerte Bearbeitungsschritte, berichtet Dr. André Haufe, Leiter Prozess-Simulation bei der Stuttgarter Dynamore GmbH. „Das reicht vom Einlegen des Bleches über diverse Umform- und Transportvorgänge bis hin zu Beschnitt und Abkanten.“ Denn eine Pressenanlage arbeitet umso effizienter, je höher der Ausstoß ist. „Hubzahl der Presse und Geschwindigkeit beim Bauteiltransport von einer Presse zur nächsten kann man rechnerisch aufeinander abstimmen und so die Leistung der Anlage optimieren“, so Haufe weiter. „Allerdings sind dann unter Umständen dynamische Lastfälle beim Transport der Bleche zu berücksichtigen.“

Obwohl speziell das Tiefziehen und seine rechnerische Simulation schon fast als abgehakt gelten, gibt es also noch Themenbereiche, die die Hersteller von Simulationssoftware vor neue Aufgaben stellen – auch beim eigentlichen Umformvorgang selbst. „Speziell bei den hochfesten Stählen, mit denen die Automobilhersteller etwa die B-Säule seitencrashfest machen, sind viele der bislang getroffenen Annahmen nicht mehr uneingeschränkt gültig“, erläutert Haufe. Hier baue man derzeit nach und nach das erforderliche Know-how auf, denn diese Werkstoffe zeigten ein komplexeres Umformverhalten als die bislang üblichen Tiefziehstähle. Nur so lassen sich anschließend per Simulation verlässliche Aussagen erreichen, um zu beurteilen, ob ein Bauteil herstellbar ist oder nicht. „Noch schwieriger ist es, Aussagen zur erreichbaren Oberflächengüte zu treffen – denn dafür muss man das Werkstoffverhalten sehr genau kennen und mit nochmals feineren Diskretisierungen rechnen.“

Der Crash beim Auto ist ein Umformvorgang

Doch die Arbeit lohnt sich, wie das Beispiel B-Säule zeigt. „Die Automobilhersteller interessiert natürlich vor allem, wie stark sich das Bauteil beim Crash weiterbelasten – sprich verformen – lässt“, führt der Dynamore-Mitarbeiter weiter aus. Da das Tiefziehen bereits ein „Vorverformen“ sei, stelle sich die Frage, welches Deformationspotenzial für den Energieabbau beim Crash bleibe, bevor Bauteilversagen eintrete. „An dieser Aufgabenstellung arbeiten wir derzeit mit Hochdruck, zusammen mit den Automobilbauern und den Werkstoffproduzenten.“

„Die Kopplung der Prozesse – also Tiefziehen plus Crash – bietet der Simulation großes Potenzial“, bestätigt Tobias Menke, Umformspezialist bei der Cadfem GmbH aus Grafing bei München. Schon alleine das Berechnen von Festig- und Steifigkeiten könne ja nicht einfach von einer gleichmäßigen Blechdickenverteilung ausgehen, das sei schlicht falsch. „Zumal die Blechdicke in der dritten Potenz in die Berechnung der Steifigkeit eingeht.“ Deswegen gebe es Überlegungen, die Ergebnisse der Umform-simulation in die Analyse des Crashvorgangs zu übernehmen. „Dabei tauchten natürlich eine Reihe von Problemen auf“, so Menke weiter. „Die Finite-Elemente-Netze für Tiefziehen und Crash etwa besitzen eine unterschiedliche Auflösung.“ Das heißt, um die Ergebnisse der Umformsimulation zu nutzen, müssen die berechneten Werte auf das FE-Netz zur Crashberechnung übertragen oder transformiert werden, im Fachjargon Mapping genannt.

Pressenelastizität spielt wichtige Rolle

Doch speziell die hochfesten Stähle bringen bei der Umformsimulation noch weitere Annahmen der Analytiker ins Wanken. „Derzeit laufen einige Forschungsarbeiten, um die Elastizität der Werkzeuge und Pressen in Modellen abzubilden“, berichtet Gerald Nürnberg vom Lehrstuhl für Umformtechnik und Gießereiwesen der Technischen Universität München. Speziell bei Bauteilen, die länger als 1500 mm seien, mache sich die Pressenelastizität bezüglich der Bauteilgenauigkeit bemerkbar.

„Will man also die Genauigkeit der Simulation verbessern, muss man die Eigenschaften von Werkzeugen und Presse einbeziehen und darf sie nicht als ideal starr betrachten.“ Wobei die Werkzeugelastizität vor allem dann eine Rolle spiele, wenn Rapid-Tooling-Werkstoffe zum Einsatz kämen – weniger bei konventionellen Werkzeugwerkstoffen.

Hinzu komme ein weiteres Problem, der Werkzeugverschleiß, fährt der Wissenschaftler fort. „Wir arbeiten zur Zeit daran, eine quantitativ verlässliche Verschleißprognose zu ermöglichen.“ Gerade die hochfesten Stähle beanspruchen ja die Werkzeuge wesentlich stärker als die bislang verwendeten Tiefziehmaterialien. Das Problem bei der Berechnung dieses Vorgangs ist, dass sich das Werkzeug prinzipiell bei jedem Umformvorgang verändert – sprich verschleißt. „Wir haben aber ein Modell erarbeitet, mit dem wir nicht nach jedem Bauteil neu rechnen müssen“, so Gerald Nürnberg weiter. Dennoch stecke sehr viel Detailarbeit darin, alle tribologischen Interaktionen zu erfassen und im Modell richtig abzubilden.

Erfreulich ist immerhin, dass das Thema Rechenzeiten bei solch komplexen Analysen eher in den Hintergrund getreten ist. „Cluster-Strukturen stellen heute die entsprechende Leistung bereit“, sagt Cadfem-Mitarbeiter Tobias Menke. „Die Werkzeug-elastizität zu berücksichtigen, ist also prinzipiell möglich.“ Dennoch müsse man sich immer die Frage stellen, ob sich der Aufwand lohne. „Nur wenn ich innerhalb einer akzeptablen Zeit ein Ergebnis bekomme, macht das Sinn.“

Pressenplaner benötigen Aussagen zu Umformkräften

Nicht umhin kämen aber die Fertigungsplaner, sich speziell bei hochfesten Stählen gerade mit der Elastizität von Werkzeugen und Presse zu beschäftigen, bestätigt auch Dynamore-Simulationsexperte André Haufe. Hochfeste Stähle erforderten deutlich höhere Umformkräfte. „Kann ich diese per Simulation nicht sinnvoll abschätzen, wird die Pressenplanung schwierig – keiner kann dann eine belastbare Aussage treffen, welche Bauteile sich auf einer bestimmten Presse überhaupt fertigen lassen.“ Mit der Annahme starrer Werkzeuge komme man hier nicht weiter. „Geeignete Simulationsmethoden stehen aber zwischenzeitlich zur Verfügung.“

Potenzial für die rechnerische Simulation ergibt sich auch schon bei der Stahlherstellung, etwa beim Walzen. „Hier arbeiten wir mit Partnern aus der Grundlagen- und Industrieforschung – etwa der Max-Planck- oder der Fraunhofer-Gesellschaft – daran, die Eigenschaftsänderungen während dieses Vorgangs zu simulieren“, führt Haufe aus. Das Problem sei natürlich, Gefügeänderungen beim Erstarren aus der Schmelze und beim Walzen hinreichend genau abzubilden. „Prinzipiell ist das möglich, auch wenn hier ebenfalls noch sehr viel Detailarbeit erforderlich ist.“ Doch insbesondere die Werkstoffhersteller haben an solchen Modellen ein großes Interesse, erlauben sie doch das Simulieren auch der folgenden Umformvorgänge auf Basis der spezifischen Werkstoffkennwerte.

Auch die Anwender werden davon profitieren. „Denn selbst bei kleineren Unternehmen ist zu erkennen, dass die Bauteile komplexer werden – und damit auch die jeweilige Umformsimulation“, berichtet Tobias Menke von Cadfem. „Hinzu kommt, dass speziell die Zulieferer immer mehr Verantwortung übernehmen müssen.“ Damit obliege es ihnen auch, frühzeitig Machbarkeitsanalysen zu liefern. „Die Marktdurchdringung des Simulationseinsatzes wird sich weiter vergrößern“, bestätigt auch TU-Forscher Gerald Nürnberg, „und das nicht nur in der Automobilindustrie“. Neben dem Tiefziehen gehe es dabei auch um das Abkanten, die Rückfederung nach Beschnitt sowie ganz generell darum, Machbarkeitsanalysen zu erstellen und Formabweichungen zu erkennen. Erst wenn man die Ausdünnung beziehungsweise Verfestigung im Bauteil berechnen könne, lasse sich auch ein exakter Wert für die Bauteilsteifigkeit ermitteln.

„Stimmen die Randbedingungen, liefert die Simulation auch richtige Ergebnisse“, so der Münchner weiter. Um das zu bestätigen, vergleiche man immer wieder Modell und Wirklichkeit, etwa mit Hilfe der optischen Formänderungsanalyse. Erfreulich ist zudem, dass das Übernehmen von CAD-Daten in die Simulation heute wohl kein Problem mehr ist. „Sind die Eingabedaten allerdings mangelhaft, sieht das anders aus“, so Nürnberg weiter. Dann müsse man gegebenenfalls Flächen erst „reparieren“, bevor man sie vernetzen könne.

Teamarbeit am realen Werkzeug

Problematischer ist es dagegen schon, Ergebnisse aus der Simulation in das CAD-Modell zurückzuführen. Ein hilfreiches Werkzeug kann an dieser Stelle die Virtuelle Realität (VR) sein, beziehungsweise darauf basierend die sogenannte Augmented Reality (AR), wie Dr. Andreas Wierse, Geschäftsführer der Stuttgarter Visenso GmbH erläutert. „Dabei wird die virtuelle Darstellung mit realen Objekten kombiniert, konkret also etwa die Ergebnisse der Umform-simulation als virtuelles Werkstück mit dem realen Werkzeug.“

Dazu beklebt man das Werkzeugunterteil mit Markern und nimmt davon ein Bild per Videokamera auf. Mit Hilfe der Marker lässt sich nun das digitale Modell des Werkstückes passgenau einblenden. „Dadurch werden Prozesse sichtbar, die bislang im Verborgenen blieben“, so Wierse weiter. „Damit lässt sich die Umformsimulation im Zusammenspiel mit den funktionalen Werkzeugkomponenten sichtbar machen.“

Anwendungsmöglichkeiten des Verfahrens werden bereits in der Fertigungstechnik des Haushaltsgeräteherstellers Miele geprüft, was auf der letzten Hannover-Messe gezeigt wurde. „Die Möglichkeit, den Umformvorgang in der offenen Form zu verfolgen, spricht auch den Werkzeugbauer wesentlich direkter an“, so der Visenso-Chef. Und das fördere nicht zuletzt die Teamarbeit, denn so könnten auch Nichtingenieure viel leichter integriert werden. „Das wiederum eröffnet dem Maschinen- und Anlagenbau weitere innovative Anwendungsmöglichkeiten.“

Ganz generell steige die Nachfrage aus dem Werkzeugmaschinenumfeld nach VR-Lösungen, berichtet Sebastian Grimm, Marketingdirektor bei der ebenfalls in Stuttgart beheimateten Icido GmbH, „auch von kleinen und mittelständischen Unternehmen.“ Dennoch würden die Potenziale der Virtuellen Realität – insbesondere die Teamarbeit über verschiedene Disziplinen hinweg betreffend – noch zu wenig genutzt. „In der Regel reicht eine realistische virtuelle 1:1-Darstellung mit einer Projektion auf eine einfache Leinwand, eine Darstellung in der Cave ist nicht immer notwendig.“

Der Trick dabei – wie bei der AR-Technologie: Bauteile lassen sich mittels VR viel leichter von mehreren Beteiligten diskutieren. „Per Marker können dann Anmerkungen angebracht werden, die sich wiederum in einigen Anwendungen in das CAD-System zurückspielen lassen.“ So wisse der Konstrukteur schnell, an welchen Stellen noch nachzuarbeiten sei.

Auch kleine Betriebe profitieren von Virtual Reality

Durch die Möglichkeit, über VR-Softwarelösungen CAD-Daten und Berechnungsergebnisse direkt in die VR-Umgebung einzulesen, sei ein Einsatz dieser Technologie in der Blechbearbeitung heute in der Regel problemlos möglich, bestätigt auch Tankred Magg, Geschäftsführer der Leonberger Imsys Immersive Systems GmbH & Co. KG. „Die Qualität der Ergebnisse ist natürlich von der physikalischen Korrektheit der hinterlegten Umformvorgänge abhängig.“ Durch die sinkenden Investitionskosten in die VR-Hardware – Stichwort skalierbare, standardisierte Komplettlösungen – werde ein Einsatz der innovativen Technologie zunehmend auch für mittelständische Betriebe in der Blechbearbeitung interessant.

„Insbesondere im Sonderanlagenbau bieten Simulation und Visualisierung in der Virtuellen Realität entscheidende Vorteile beim Beurteilen der Zusammenhänge komplexer Konstruktionen“, so Magg weiter. „Hier ist eine Monodarstellung der Konstruktions- und Berechnungsdaten häufig nicht aussagekräftig genug.“ Die 1:1-Darstellung und Interaktionsmöglichkeit in der Virtuellen Realität biete eindeutige Vorteile – wenn sich etwa Bauteil und Umformvorgang gemeinsam visualisieren lassen. „Darüber hinaus spielen Simulation und VR im Bereich der Prozessanalyse in der Blechbearbeitung eine große Rolle.“ So könnten komplexe Fertigungsprozesse per 3D-Visualisierung und Interaktion besser beurteilt werden.

Weitere Vorteile der VR-Technologie ergäben sich zudem beim Kundenkontakt, ergänzt Icido-Marketingdirektor Sebastian Grimm. Dem Kunden könne so nicht nur der Mehrwert eines Produktes nähergebracht werden. „Da die dreidimensionale Darstellung auch von Nichttechnikern verstanden wird, lassen sich auch bis dahin nur digital vorliegende Konfigurationen zeigen – was zu einer größeren Sicherheit bezüglich der zu fertigenden Produkte führt.“

Angestrebt werde, die Virtuelle Realität als Total Physical Interface zu nutzen, so Visenso-Chef Wierse abschließend. „Es geht also nicht nur darum, die Geometrie darzustellen, sondern gleichzeitig auch die physikalischen Eigenschaften.“ Bezogen auf die Umformtechnologie heiße das, dass sich auch gültige Aussagen zur Betriebsfestigkeit oder zum Verschleiß – etwa bei den Umformwerkzeugen – beurteilen lassen. „Das wird spannend, wenn ich gleichzeitig die Ergebnisse der Umformsimulation und die der Crash-Analyse sehe – und diese dann vergleichen kann.“ Ausgereizt sind also weder die insgesamt Simulation noch Virtuelle Realität, sowei sie die Umformtechnik betreffen.