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Artikel und Hintergründe zum Thema

Prozesssimulation für das Kaltumformen

Simulieren und verbessern

Prozesssimulation dient – einfach gesagt – dazu, vor dem Produktionsstart möglichst viele Fehlerquellen zu erkennen und zu vermeiden. Prozessüberwachung hingegen begleitet die Bearbeitung in Echtzeit und liefert zuverlässige Daten über die tatsächliche Produktionssituation. Eine gelungene Kooperation zwischen Simulation und Prozessüberwachung verbessert beim Kaltumformen die Werkzeugstandzeiten.

Prozessüberwachung und Simulation sind bei Möhling vernetzt. Der Vorteil ist eine Verbesserung der Werkzeugstandzeit.

Das Unternehmen Möhling hat sich als Partner für Kaltmassiv-umformung und Kaltformteile sowie deren Entwicklung und Produktion einen Namen gemacht. Ein Blick hinter die Kulissen zeigt, wie die Simulation eines zweistufigen Umformprozesses zur Herstellung von Tauchkernen funktioniert. Bei dem Umform-prozess wird in Stufe 1 eine Fase angepresst und reduziert; die endgültige Kontur wird in Stufe 2 ausgepresst. Als Basis für die Simulation werden die Kenngrößen des Werkstoffs und berechnete Fließkurven in das speziell für Umformprozesse entwickelte Simulationsprogramm des Hamburger Unternehmens Simufact importiert. Eingesetzt werden Prozessüberwachungssysteme der X-Serie aus dem Hause Brankamp. Diese sind ebenfalls auf Umformprozesse ausgerichtet.

Die durch numerische Prozesssimulation gewonnenen Informationen können in Verbindung mit Prozessüberwachungssystemen genutzt werden, um Fehleinstellungen der Werkzeuge, speziell bei Neuwerkzeugen, aufzuzeigen und die Werkzeugstandzeiten zum Teil deutlich zu verlängern. In Verbindung mit modernen Maschinen können Prozessüberwachungssysteme darüber hinaus regelnd in die Fertigung eingreifen.

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Je genauer die Kraftverläufe simuliert werden können, desto problemloser lassen sich die Simulationsergebnisse als Sollkurven im Prozessüberwachungssystem hinterlegen. Fehlen entsprechende Informationen, werden die Sollkurven bei Produktionsanlauf hinterlegt. Verlässliche Simulationswerte sparen also einen Bearbeitungsgang ein, bei dem der Sollwert festgelegt wird. Das Prozessüberwachungssystem braucht einen Sollwert als Abgleich für die Festlegung von Alarmgrenzen.

Basierend auf der steigenden Vernetzung der einzelnen Unternehmensbereiche (Industrie 4.0) wird es zukünftig sehr viel einfacher werden, Daten aus der Werkzeugkonstruktion auf die Produktionsebene herunterzuladen. Ergebnisse und Informationen aus unterschiedlichen Abteilungen stehen somit dem Bediener direkt an der Maschine zur Verfügung. So können z. B. simulierte Presskraftsignale zum Einrichten von Werkzeug oder Maschine genutzt werden. Bereits vor dem Pressen des ersten Teils ist sichtbar, wie die Presskraftverläufe der einzelnen Umformoperationen bei fehlerfreier Fertigung zu verlaufen haben, in welchem Presskraftbereich diese liegen dürfen und mit welchen prozessbedingten Streuungen zu rechnen sein wird.

Prozessüberwachungssysteme verwenden in der Umform-technik im Wesentlichen prozessbedingte Kraftsignale. Die Kraftmessung sollte kalibriert sein und erfolgt am Rahmen oder mit piezoelektrischen Sensoren. Auf der Seite der Simulierung werden die Ergebnisse präziser, wenn die Elastizität von Maschine und Werkzeug in die Umformsimulation einfließt. Dies ist ein Punkt, der vielfach außer Acht gelassen wird.

Der Idealfall ist dann eine Deckung der gemessenen mit den simulierten Kraftverläufen. Der Vergleich zeigt schon eine zufriedenstellende Übereinstimmung. Der Bereich optimaler Werkzeugeinstellung und die zugehörigen Presskraftverläufe können durch die FEM Simulation vor Produktionsbeginn berechnet und die Presskraftverläufe aus der Simulation ins Prozessüberwachungssystem geladen werden. Damit steht dem Bediener bereits vor dem Pressen des ersten Teils ein Sollkraftverlauf auf dem Bildschirm zur Verfügung, der in der Nähe seiner optimalen Werkzeugeinstellung liegt. Er kann als jederzeit einblendbarer Sollpresskraftverlauf auf dem Überwachungssystem dargestellt werden, damit die aktuelle Produktionssituation mit den simulierten Presskraftverläufen verglichen werden kann.

Bernhard Tönnesmann leitet die Konstruktion bei Möhling. Er ist von der Verbindung von Simulation und Prozessüberwachung begeistert: „Die Bediener an unseren Mehrstufen-Kaltfließpressen sehen durch die Prozessüberwachung kleinste Veränderungen an der Maschineneinstellung. Dies verbessert das Verständnis für die Prozesse und trägt gleichzeitig zu längeren Werkzeugstandzeiten bei. Mit der Kopplung von Prozess-simulation und -überwachung ist es endlich gelungen, Theorie und Praxis in der Kaltumformung zu vereinen.“

Der Einsatz der Prozesssimulation in Verbindung mit dem Einsatz von Prozessüberwachungssystemen ist geeignet, den vorzeitigen Ausfall der Werkzeuge weitgehend zu verhindern. Die fortwährende Überwachung während der Produktion stellt sicher, dass die optimierte Einstellung auch während der Produktion eingehalten wird. Das Einrichten der Werkzeuge wird genauer, als dies allein auf Basis der erzielten Bauteilgeometrie möglich wäre.

Die Kenntnis einer hinsichtlich der Werkzeugbelastung optimierten Prozessauslegung, die Einstellung dieser bereits bei der Ersteinrichtung der Produktion und die fortlaufende Kontrolle, dass diese auch im rauen Produktionsalltag eingehalten wird, sind wichtige Voraussetzungen um die geplanten Werkzeugstandzeiten zu erreichen. ee

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