Simulieren geht über Probieren

Simulieren
geht über
Probieren
Auswertung: Plastische Verformung bei unterschiedlichen
Umformgraden
Die technologischen Anforderungen an
Schmiedeteile werden zunehmend komplexer.
Im krassen Gegensatz dazu steht der Zwang,
Kosten und Entwicklungszeiten zu minimieren.
Unternehmen, die auch zukünftig erfolgreich
ihre Position behaupten wollen, sind
daher mehr denn je gezwungen, den gesamten
Entwicklungs- und Fertigungsprozeß zu überdenken
und effizienter zu gestalten.
Ca. 70 % der gesamten Produktionskosten
werden heute bereits in der Entwicklungsphase
festgelegt. Die Devise für die Umgestaltung
der Prozesse muß also lauten: „Wissen verschaffen,
bevor Kosten entstehen“. Je mehr
Informationen über Produkt und Fertigung
schon in der Entwicklungsphase zur Verfügung
stehen, desto höher ist die Zeit- und
Kostenersparnis in den folgenden Phasen, indem
z. B. die Anzahl der Konstruktionsänderungen
und Versuche reduziert werden können.
SCHMIEDE-JOURNAL MÄRZ 2001
SPEKTRUM
Dipl.-Ing. Ulrich Feldhaus, Düsseldorf
Computergestützte Simulationssysteme für die Massivumformung
sollen die Entwickler in den Schmieden dabei
unterstützen, frühzeitig neue Technologien zu evaluieren und
in die Fertigung zu integrieren, um so den Produktionsprozess
zu optimieren. Über positive Erfahrungen mit
dem Einsatz von Simulationssystemen für die
Massivumformung berichtet dieser Beitrag.
Integrierte virtuelle Produktdatenmodelle
tragen
wesentlich dazu bei, das bestehende
Informationsdefizit
zu eliminieren und Knowhow
abteilungsübergreifend
verfügbar zu machen. Dazu
werden alle entwicklungsund
fertigungsrelevanten Informationen
EDV-mäßig erfaßt,
gesammelt und mit entsprechenden
Systemen
(EDM/PDM) den beteiligten
Abteilungen und Personen
verfügbar gemacht.
Der erste Schritt in diese
Richtung ist es, die vorhandenen
CAD-Daten umfassender
als bisher zu nutzen. Zwar
setzen alle namhaften
Schmiedeunternehmen heute
bereits 3D-CAD- und CAM-
Systeme für die computergestützte
Konstruktion und Fertigung
ein, doch nicht immer
werden diese Daten auch in
anderen Entwicklungsphasen
genutzt. In das Zentrum des
Interesses rückt daher die Verwendung von
Werkzeugen, die es erlauben, Kreativität und
Erfahrung der Fachleute verstärkt bereits früh
in die Entwicklung einfließen zu lassen. Prädestiniert
dazu sind Systeme für die computergestützte
Bauteilanalyse und Fertigungssimulation.
Wo liegen die Vorteile der Simulation?
Die Entwicklungpläne werden heute fast
ohne Reserven kalkuliert. So wird das Risiko,
ohne Erfolgsgarantie zusätzlich Zeit und
Kosten zu investieren, meist nur ungern eingegangen.
Mit der computergestützten Umformsimulation
können mit relativ geringem Arbeitsaufwand
neue Verfahren, Materialien etc.
schnell und kostengünstig am Computer auf
ihre Einsetzbarkeit getestet werden. Der
Entwickler hat zusätzlich den Vorteil, nicht nur
30
schnell zu erkennen, ob etwas funktioniert oder
nicht, sondern kann darüber hinaus detailliert
die Zusammenhänge analysieren, die zu dem
vorliegenden Resultat geführt haben. Dazu
kann er zu jedem Zeitpunkt der Simulation „in“
den Umformvorgang oder „in“ das Bauteil hineinsehen.
So können leicht mehrere Varianten
analysiert und verglichen werden. Das
Erarbeiten einer optimierten Lösung erfolgt
wesentlich zielgerichteter und die Entwickler
erhalten die größtmögliche Sicherheit, daß ihr
Konzept auch in die Praxis umsetzbar ist.
Simulation – wie funktioniert das?
Die Anfänge der computergestützten Analyse
gehen auf die 50er Jahre zurück. Seitdem
werden diese Systeme, die überwiegend nach
der Finite Elemente Methode (FEM) arbeiten,
mit wachsendem Erfolg für die Untersuchung
komplexer hochbeanspruchter Bauteile eingesetzt.
Es dauerte jedoch relativ lange, bis eine
praktikable Lösung auch für die Umformsimulation
verfügbar war, denn die FE-Methode
ließ sich nicht ohne weiteres auf diese Problematik
anwenden. Zwar wurden recht
schnell Systeme vorgestellt, die zufriedenstellende
Simulationsergebnisse lieferten, sie
benötigten dazu jedoch teilweise mehrere Tage
auf teuren High-End-Computern und waren so
nicht geeignet für die industrielle Praxis.
Erst in den letzten Jahren wurden Problemlösungen
entwickelt. Bei MSC.Software
wurde z. B. in dem Simulationsprogramm
MSC.Superforge ein anderer mathematischer
Ansatz benutzt (Finite Volumen Methode).
Mit dem Resultat, daß die Laufzeiten nun in
der Größenordnung von einigen Stunden
lagen.
Für eine Umformsimulation werden im wesentlichen
vier Arbeitsschritte durchlaufen:
Die grafische Geometrieaufbereitung, die Eingabe
der Prozeßparameter, die eigentliche
Berechnung und die Ergebnisauswertung.
Die Bedienung erfolgt über eine grafische
Menüoberfläche, deren Aufbau und Syntax
sich an der Praxis orientiert und dem Benutzer
keine besonderen EDV-Kenntnisse abverlangt.

Nachdem die Geometriedaten aus dem
CAD-System eingelesen und entsprechend
ihrer Einbaulage positioniert wurden, erfolgt
die Eingabe der Technologiedaten (Pressencharakteristik
und -daten, Materialdaten und
Temperaturen) sowie die Angabe, in wie viele
Zeitschritte der Umformvorgang unterteilt
werden soll. Ist danach die Berechnung einmal
gestartet, kann der Entwickler die Ergebnisse
für jeden abgeschlossenen Zeitschritt noch
während der Berechnung begutachten und
frühzeitig die Simulation abbrechen, sollten
Eingabefehler vorliegen oder aber der Trend in
eine falsche Richtung laufen.
All diese Schritte können in 30 bis 60 Minuten
bewerkstelligt werden, die Berechnung
selbst kann je nach Komplexität einige Stunden
in Anspruch nehmen. Für jeden berechneten
Zeitschritt werden dabei die Spannungen,
Verformungen, Kräfte, Temperaturen etc.
gespeichert und sind so jederzeit wieder abrufbar.
Ebenso können die Technologiedaten
in einer Datenbank
gespeichert und bei späteren
Berechnungen wieder abgerufen
werden.
Die eigentliche Arbeit für den
Entwickler ist jedoch die Auswertung
und Interpretation der
Ergebnisse. Mit dem sogenannten
Postprocessor kann er zwischen
einer Vielzahl von Darstellungsarten
wählen, die es erlauben, alle
Bereiche und Komponenten in beliebiger
Kombination nach unterschiedlichen
Kriterien detailliert
zu untersuchen (Bild auf Seite 30)
und die Ergebnisse übersichtlich,
z. B. als Animation, darzustellen.
Die praktischen Erfahrungen
im Betrieb
All das hört sich wunderbar an, aber wie
sieht die praktische Umsetzung aus? Viele
Praktiker konnten sich anfangs nur schwer vorstellen,
wie so ein komplexes System in den
Tagesablauf integriert werden könnte, ohne
über fundiertes EDV-Wissen zu verfügen. Die
Praxis beweist jedoch, daß diese Befürchtungen
unbegründet sind, und so sind die positiven
Erfahrungen, die man z. B. bei der Firma
TRW Presswerk Krefeld bis heute gesammelt
hat, durchaus kein Einzelfall.
Für die Konstrukteure bei TRW in Krefeld
bedeutete der Einstieg in die Simulation das
Betreten von völligem Neuland. Man verfolgte
daher einen pragmatischen Ansatz, um die
Tauglichkeit des eingesetzten Systems
MSC.SuperForge der Firma MSC.Software,
installiert auf einer Compaq SP700 NT-Workstation
mit zwei 500 MHz Pentium III-Prozessoren,
für die Auslegung von Schmiedewerkzeugen
zu testen.
Die Schulung anhand eines in der
Produktion befindliches Schmiedeteils nahm
nicht mehr als einen Nachmittag in Anspruch.
SPEKTRUM
Verantwortlich für die schnelle Einarbeitung
ist u. a. die praxisorientierte Benutzeroberfläche,
die durch ihre schmiedespezifische
Syntax dem Fachmann keinerlei Rätsel aufgibt.
Die Geometrien wurden direkt aus dem
CAD-System Pro/E als 3D-STL-Daten übernommen
und ohne weitere Nachbearbeitung in
MSC.SuperForge verwendet. Um einen
Parameterabgleich vorzunehmen und Vertrauen
in die Simulation zu erarbeiten, befaßte
man sich anfangs mit Teilen aus der laufenden
Produktion. Schon bald ging man jedoch
daran, auch Neuteile zu analysieren. Auf der
Basis der Simulationsergebnisse wurden
Werkzeuge bestellt und die Ergebnisse anhand
von Versuchsschmiedungen verifiziert. Im
Schnitt waren bereits nach zwei Simulationsiterationen
die Ergebnisse für optimierte
Schmiedeabläufe vorhanden. In ca. 6 Wochen
wurden so insgesamt 6 komplexe 3D-Schmie-
Doppelschmiedeteil in der Presse Bilder: TRW
deteile durchsimuliert. Dabei handelte es sich
um 3 Flansch- und 3 Schaftschmiedeteile.
Nur ideeller Nutzen?
Laut TRW Presswerk Krefeld wären ohne
Hilfe der Simulationen deutlich mehr Versuchsschmiedungen
erforderlich gewesen, um
zu gleichen Optimierungsergebnissen zu kommen.
Nach Firmenschätzungen konnten innerhalb
der Erprobungsphase 11 Versuchsschmiedungen
eingespart werden, was einer Einsparung
von ca. 60 TDM Kosten entspräche.
Noch gravierender fiel die Reduzierung der
Entwicklungszeiten aus: Laut einer konservativen
Schätzung konnten ca. 3 Wochen pro Bauteil
eingespart werden, die ansonsten durch die
Fertigung von Erprobungswerkzeugen angefallen
wären. Insgesamt betrug die in der
Erprobungsphase erwirtschaftete Gesamteinsparung
ca. 30 Wochen Entwicklungszeit.
Auch beim Materialeinsatz konnten deutliche
Einsparungen erzielt werden. Beim Anlauf
eines komplizierten Neuteils wurde schon vor
der ersten Versuchsschmiedung eine Materialreduktion
von ca. 20 Prozent gegenüber der
konservativen Fertigungsplanung erzielt. Bei
einer Losgröße von ca. 500000 Stück pro Jahr
entspräche das einer Kosteneinsparung von ca.
125 TDM pro Jahr. Diese Materialreduzierung
wäre ohne Simulation nur mit ca. 3 kostenintensiven
Versuchsschmiedungen möglich
gewesen, da zur Umformung jeweils ein verändertes
Reckwerkzeug mit 4 Stufen erforderlich
gewesen wäre.
Innerhalb der Erprobungsphase wurden
mehrere Schmiedeprozesse mit Hilfe von
MSC.SuperForge auf ihre schmiedetechnische
Machbarkeit untersucht. Darunter befindet
sich z. B. die Umstellung eines Bauteils von
einer Einzelschmiedung mit Kaltabgratung auf
eine Doppelschmiedung mit Warmabgratung
(siehe Bild) und die unkonventionelle
Schmiedung eines Flanschbauteils, bei der
man Erkenntnisse für die Umformung erhielt,
die über das bisherige Schmiedeverständnis
hinausgingen.
Perspektiven
Der Markt für die Umformsimulation
ist überschaubar, und so
haben die Softwareentwickler
engen Kontakt zu ihrem Zielmarkt
und können entsprechend schnell
auf Wünsche und Forderungen reagieren.
Die hochkomplexe Thematik
und die relativ niedrigen Stückzahlen
spiegeln sich letztendlich
jedoch auch in den Kosten für solche
Systeme wider. Speziell für
kleinere Betriebe sind die Anfangsinvestitionen
erheblich. Der Nutzen
der Umformsimulation ist jedoch
inzwischen unbestritten. Die erzielbaren
technologischen Fortschritte
und die Einsparmöglichkeiten werden
sicherlich dazu führen, daß
immer mehr Unternehmen zukünftig auf die
neuen Möglichkeiten zurückgreifen werden.
Die Anwender dieser Technologie stehen
denn auch voll hinter ihrer Entscheidung. So
hat das TRW Presswerk Krefeld aufgrund der
Erfolge mit MSC.SuperForge ehrgeizige Pläne
für die Zukunft: Sämtliche der ca. 20 Neuteile
pro Jahr sollen schon in der Phase der
Werkzeugkonstruktion analysiert und optimiert
werden. Dabei stehen die Prozeßsicherheit,
die Minimierung des Materialeinsatzes
und die Erhöhung der Standzeiten im
Vordergrund.
Besonders angetan ist man bei TRW am
Ende der Erprobungsphase von der leichten
Handhabbarkeit des Simulationsprogramms,
der Simulationsmöglichkeit vieler unterschiedlicher
Produkte sowie von dem schnellen
Zugriff auf Ergebnisse. Man ist zuversichtlich,
daß sich MSC.SuperForge schon bei alleiniger
Betrachtung der mit Hilfe dieses Programms
realisierten Materialeinsparungen und Standzeitenerhöhungen
in ca. 6 Monaten amortisieren
wird.
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