LFT

• hohe Maß- und Formgenauigkeit, hohe Oberflächengüte

• hohe Stückzahlen herstellbar

• keine Nachbearbeitung

Bei Kaltmassivumformen sind höhere Fließspannungen im Werkstückwerkstoff

• höhere Kräfte

• höhere Spannungen

• höhere Dehnungen

• elastische Deformation des Umformwerkzeugs

• signifikante Auffederung der Umformmaschine

Deformationen können Abmessungen der Werkzeugkontur und tatsächlichen Stempelweg der Umformung beeinflussen.

Die Konsequenz daraus sind Maß- und Formabweichungen des Werkstücks.

Um kaltmassivumgeformte Bauteile mit hoher Präzision herstellen zu können, ist es notwendig die Nachgiebigkeit von Werkzeugsystem und Presse in der simulationsbasierten Werkzeug- und Prozessauslegung zu berücksichtigen.

Wir bestimmen Einfluss der Elastizität von Werkzeugsystem und (weggebundener) Umformmaschine auf die Werkstückabmessungen. Es soll ebenfalls ein Ansatz zur Berücksichtigung der Auffederungscharakteristik vorgestellt werden.

In der Prozesssimulation werden fertigungstechnische Verfahren mit Hilfe eines Rechnermodells abgebildet und anschließend untersucht.

Dabei werden Fertigungsprozess selbst sowie Bestandteile der Fertigungseinrichtung modelliert und simuliert (Maschinen, Anlagen, Steuerungen)

Die mathematische Beschreibung von mechanischer, thermischer oder elektromagnetischer Art ist meist nicht mehr lösbar.

Grundprinzip der FEM ist die Reduzierung der unendlichen Anzahl von Freiheitsgraden und damit Unbekannten eines Kontinuums (z.B. Bauteil) auf eine endliche Anzahl.

-> Durch die Vorgenommene Unterteilung des Kontinuums reduziert sich das mathematische Problem auf die Lösung eines algebraischen Gleichungssystems für die Unbekannten an den Knoten.

Die Benutzungsoberfläche ermöglicht die Eingabe sowie Manipulation und Parametrierung des Simulationsmodells.

Sie ermöglicht ebenfalls eine anschauliche Darstellung des Simulationslaufes und der Simulationsresultate.

Hauptbestandteil bei den FEM-Programmen ist der Solver.

Aufgaben:

• Lösung des Gleichungssystems!

darüber hinaus:

• Netzanpassung/ -neugenerierung (Remeshing)

  zur Vermeidung übermäßiger Netzverzerrung bei plastischen Formänderungen

• Integration einer adaptiven Prozessregelung

• automatische Schrittweitenberechnung

Der Postprocessor unterstützt die Darstellung und Auswertung der Simulationsergebnisse.

Mögliche Ergebnisdarstellungen sind:

• Skalare Ergebnisse (Zahlenwerte, Tabellen)

• Kurvendarstellungen von Prozessparametern, Funktionen

• Grafische Prozessgrößendarstellungen (Farbplots)

• Vektordarstellungen (z.B. Kräfte)

• Animationen

Vor Beginn der Simulation ist die Definition von Zielgrößen eine wichtige Grundlage zur effektiven und wirtschaftlichen Anwendung der Prozesssimulation.

• Erhöhung der Prozesssicherheit und -robustheit

• Verkürzung von Bearbeitungszeiten

• Generelle Beherrschbarkeit eines Prozesses

• Qualitätssteigerung der Produkte oder des Prozesses

• Erhöhung des Prozessverständnisses

• Identifikation und Eliminierung der Ursachen von Bauteilfehlern

• Ermittlung von Kenngrößen und Parametern, die im realen Prozess nicht oder nur schwer messbar sind

• Daten zur Beschreibung der Topologie (= Festlegung einer gemeinsamen Geometrie) und Struktur des Systems

• Daten zur Beschreibung von Systemkomponenten, Maschinendynamik und Systemrestriktionen

• Prozessdaten, die direkt aus dem Prozess resultieren (Temperatur, Kräfte etc.)

• Externe Daten, die von außen auf den Prozess einwirken (Temperatur, Kräfte etc.)

• Daten über die Werkstoffeigenschaften von Werkzeugen und Werkstücken

• Physikalische Größen und Randbedingungen

• Zeitliche Restriktionen und Ablaufreihenfolgen

Eine Stoffflussanalyse untersucht grundlegend die Herstellbarkeit eines Werkstücks.

Durch die FE-Simulation des Umformprozesses ist es möglich, die Dehnungen, Spannungen, den Umformgrad sowie die Temperatur im Werkstück während des Umformprozesses zu berechnen und grafisch darzustellen.

-> Damit wird die Realisierbarkeit es Umformprozesses beurteilt.

• Berücksichtigung Werkzeugbelastung oder -deformation

• Berücksichtigung des Temperatureinflusses

Das reale System soll nicht so exakt wie möglilch, sondern nur so exakt wie nötig abgebildet werden.

ABER: Die Genauigkeit soll dort möglichst hoch sein, wo bei signifikanten Parametern hohe Gradienten zu erwarten sind.

Ziel der Prozesssimulation ist der weitgehende Verzicht auf herkömmliche, meist teure Trial- und Error-Methoden in der Prozessplanung und Optimierung.

Dazu gehört auch, dass Fehler und Abweichungen frühzeitig während der noch laufenden Simulation erkannt werden können.

• eine Betrachtung der Fehler und Ungenauigkeiten, die in der Simulation auftreten

• Eingangsdaten Fehler führen ebenfalls zu ungenauen Simulationsergebnissen

  -> besonders wichtig: Werkstoffkennwerte

Bei Anwendung der FEM muss klar sein, dass jede Analyse einen Diskretisierungsfehler aufweist, da das Kontinuum realer Bauteile durch das Diskontinuum des FE-Netzes ersetzt wird.

Hierbei werden spezielle Extrapolationsverfahren verwendet um die Größe des Diskretisierungsfehlers abzuschätzen und einen Schätzwert für die exakte Lösung zu berechnen

Ausgangspunkt für die Modellierung ist die Aufbereitung der Geometriedaten des Modells für Werkstück und Werkzeug.

I.d.R. werden Standard-CAD-Schnittstellen in das FE-Programm übertragen. Einfache Geometrien können auch direkt im FE-Preprocessor erstellt werden.

Wir nutzen Simufact.forming

In der Umformsimulation werden vereinfachend starre Werkzeuge eingesetzt.

Um die Simulationsgenauigkeit zu erhöhen und den Einfluss der Auffederung von Presse und Werkzeugsystem zu berücksichtigen, ist die Kopplung von Umform- und Pressensimulation daher Gegenstand aktueller Forschungsarbeit.

• offline-gekoppelte Simulation

• Kopplung innerhalb einer Simulationsumgebung

• online-gekoppelte Simulation

Umformsimulation in einer konventionellen FEM-Umgebung ohne Berücksichtigung des Stößelwegs durch die Presscharakteristik.

• + Ausleitung der Prozesskraft am Stößel nach Größe, Richtung und Angriffspunkt

• - durch Rückkopplungsfreiheit keine Ergebnisse aus Presssimulation -> keine Verbesserung der Genauigkeit der Simulationsergebnisse

Beispiel: Mehr-Körper-System-Modell (MKS-Modell)

Umformsimulation in einem konventionellen FE-Programm. Verwendung von zwei verschiedenen Anwendungen

• + sehr hoher Detailierungsgrad

• - jedoch ein Schnittstellenmodul erforderlich

• zyklischer Datenaustausch

• inkrementeller Datenaustausch

• beginnt mit Umformsimulation unter der Annahme ideal starren Maschinenverhaltens

• nach Durchlauf der kompletten Simulation wird berechneter Stempelkraft-Weg-Verlauf ausgelesen und an Maschinensimulation übergeben

• Simulation von Verlagerung & Verkippung des Stempels

• aus berechneten Daten wird ein neuer Stempelweg-Zeit-Verlauf erstellt

• Aufteilung der Simulationsvorgänge in sehr kleine Schritte (Inkremente)

  -> Durchlauf der Simulation nicht im Gesamten!

• Abbruch nach ersten Simulationsschritt

• angreifender Kraftvektor sowie Position der Knoten werden an Maschinensimulation zugeführt

• diese berechnet das Auffederungsverhalten der Pressmaschine und gibt neu ermittelte Position wieder an Umformsimulation zurück

• Datenaustausch wird analog fortgesetzt bis die Simulation abgeschlossen ist

Der Nachteil der Pressenmodellierung in einem FEM-Programm oder mit Hilfe eines MKS-Systems liegt in der aufwändigen Modellerstellung sowie hohen Berechnungsaufwand.

Eine Möglichkeit zur vereinfachten Abbildung des Maschinen- und Werkzeugverhaltens ist die Verwendung elastischer Modellkörper oder elastischer Kontakkörper -> Die Auffederungscharakteristik wird allerdings im Allgemeinen etwas ungenauer abgebildet.

Wir arbeiten an einer weggebundenen Presse. Im Experiment werden Versuche mit zwei Werkstoffen unterschiedlicher Festigkeiten durchgeführt. Analog dazu wird mit dem FE-Modell jeweils eine Fließpress-Simulation mit den Materialdaten der zwei Versuchswerkstoffe mit deutlich unterschiedlicher Fließspannung durchgeführt. Auf diese Weise kann die Genauigkeit des FE-Simulationsmodells ohne bzw. mit Berücksichtigung der Auffederungscharakteristik beurteilt werden.