Umformsimulation - virutelle Erprobung

Anwendungen in der Umformsimulation und zugehörende Grenzformänderungsdiagramme (GFK)

Zielsetzung

Mit Hilfe der Umformsimulation soll das Bauteil so früh wie möglich (während der Produktentstehung) optimiert werden. So kann beispielsweise die Geometrie entschärft werden, indem ein Radius vergrößert wird. Außerdem kann man ein Material auswählen, das zwar den hohen Festigkeitsansprüchen genügt, aber trotzdem für die Umformung geeignet ist.

Ebenso wichtig ist die Optimierung des Umformprozesses (Reduzierung der Stufenanzahl, Erhöhung der Fertigungsrobustheit etc.). Hier sind „virtuelle“ Versuche mit der Umformsimulation heute unverzichtbar.

Auf dem Weg zur Produkt- und Prozessoptimierung steht die Vermeidung von Umformfehlern im Vordergrund. Hierzu gehören bei der Blechumformung Reißer und Falten sowie Maßabweichungen infolge zu großer elastischer Rückfederung.

Film: Ablauf einer mehrstufigen Finite-Elemente-Simulation inkl. Rückfederungsanalyse

Zur Erhöhung der Genauigkeiten der nachfolgenden Simulationen (Schweiß-, Lacktrocknungs- und Crashsimulationen) müssen die bei der Umformung auftretenden Kaltverfestigungen und Blechausdünnungen auf die FE-Netze der Folgesimulationen übertragen werden. Hier kommt das so genannte Mapping zum Einsatz.

Verkettung von Simulationen mithilfe des Mapping (BMBF Projekt VIPROF)

Vorgehensweise

Methodenplanung
Vor der Konstruktion, bzw. dem Bau eines „realen“ Umformwerkzeugs müssen zunächst die richtigen Geometrien für die einzelnen Umformstufen ermittelt werden. Dieser Arbeitsschritt ist genauso notwendig, wenn man ein „virtuelles“ Werkzeug baut, dass in der Simulation eingesetzt werden soll. Dazu werden im CAD System – abgeleitet beispielsweise von den Flächen eines Blechformteils – die Wirkflächen von Stempel, Niederhalter und Matrize konstruiert.

Vernetzung - Meshing
Die so erhaltenen Werkzeugteile und die umzuformende Platine werden in sehr viele kleine Elemente „zerlegt“. Auf diese Weise erhält man für jedes diskretisierte Teil ein zusammenhängendes Netz aus Finiten Elementen.

Modellvorbereitung / Preprocessing
Im nächsten Arbeitsschritt folgt das so genannte Preprocessing, die Definition der Randbedingungen. Hier werden beispielsweise die Stempelgeschwindigkeit, die Niederhalterkraft und die Reibkoeffizienten möglichst realitätsgetreu festgelegt. Außerdem wird ein Werkstoff für das umzuformende Blech ausgewählt, wodurch die Materialkennwerte (Fließkurve, Anisotropiewerte, E-Modul etc.) definiert sind.

Berechnung mit dem Solver
Anschließend werden mit dem „Solver“ genannten Teil der Software die in der Platine während der Umformung auftretenden elastischen und plastischen Dehnungen berechnet. Aufgrund der rasanten Hardwareentwicklung in den letzten Jahren dauert die Berechnung der ersten Ziehstufe eines mittelgroßen Strukturteils - z. B. einer B-Säulenverstärkung - heute weniger als zehn Minuten auf einer PC-Workstation.

Auswertung / Postprocessing
Die Ergebnisse werden im Arbeitsschritt Postprocessing ausgewertet, dargestellt und interpretiert. Hierzu werden beispielsweise die Blechdicken / Ausdünnungen als Farbplot auf dem Ziehteil dargestellt oder die plastischen Formänderungen im so genannten Grenzformänderungsdiagramm (GFK).

Optimierung
Hat man die o.g. Simulation durchgeführt, kann die eigentliche Optimierung gestartet werden. Dazu werden gezielt Parameter wie Ziehradien, Zwischenstufengeometrien, Niederhalterkraft etc. verändert, bis der virtuelle Prozess funktioniert, d.h. Gutteile herstellbar sind.

Validierung
Die Genauigkeit einer Umformsimulation wird ermittelt, indem die berechneten Ergebnisse wie z.B. Blechausdünnungen oder Maßabweichungen mit Messwerten aus Realversuchen verglichen werden. Hierfür können Richtlinien vom Verein Deutscher Ingenieure eingesetzt werden (VDI 3417, VDI 3418).