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Umformsimulation - ein kurzer Überblick

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, z. B. mit so wenig Stufen wie möglich eine hohe Fertigungssicherheit zu erreichen. Hier sind „virtuelle“ Versuche mit der Umformsimulation mittlerweile unverzichtbar.

Auf dem Weg zur Produkt- und Prozessoptimierung steht die Vermeidung von Umformfehlern im Vordergrund. Hierzu gehören bei der Blechumformung unzulässig hohe Ausdünnungen, Reißer, Falten sowie unzulässig hohe Rückfederungen.

Eine noch sehr junge Methode, die aber bereits erfolgreich eingesetzt wird, ist das so genannte Mapping. Hier werden die Kaltverfestigungen und Blechausdünnungen auf die FE-Netze übertragen, die in der Crashberechnung verwendet werden. Die in der Realität während der Umformung stattfindenden Kaltverfestigungen - insbesondere von Dual-Phasen Stählen - werden damit berücksichtigt, so dass z. B. die Genauigkeiten der berechneten Karosseriedeformationen erhöht werden können.

Vorgehensweise

Methodenplanung
Vor der Konstruktion, bzw. dem Bau eines „realen“ Umformwerkzeuges müssen zunächst die richtigen Geometrien für die einzelnen Umformstufen gefunden 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 von Randbedingungen. Hier werden beispielsweise die Stempelgeschwindigkeit, die Niederhalterkraft und die Reibkoeffizienten möglichst realitätsgetreu festgelegt.

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 2 Stunden auf einer PC-Workstation. Für die Umformsimulation eines 20 stufigen Walzprofilierprozesses werden hingegen mehrere Tage auf einer leistungsstarken Mehrprozessormaschine benötigt.

Auswertung / Postprocessing
Die Ergebnisse werden im Arbeitsschritt Postprocessing ausgewertet, dargestellt und interpretiert. Hierzu werden beispielsweise die Blechdicken / Ausdünnungen am Ziehteil dargestellt oder die plastischen Formänderungen im Grenzformänderungsdiagramm.