Simulieren geht über Probieren
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<strong>Simulieren</strong><br />
<strong>geht</strong> <strong>über</strong><br />
<strong>Probieren</strong><br />
Auswertung: Plastische Verformung bei unterschiedlichen<br />
Umformgraden<br />
Die technologischen Anforderungen an<br />
Schmiedeteile werden zunehmend komplexer.<br />
Im krassen Gegensatz dazu steht der Zwang,<br />
Kosten und Entwicklungszeiten zu minimieren.<br />
Unternehmen, die auch zukünftig erfolgreich<br />
ihre Position behaupten wollen, sind<br />
daher mehr denn je gezwungen, den gesamten<br />
Entwicklungs- und Fertigungsprozeß zu <strong>über</strong>denken<br />
und effizienter zu gestalten.<br />
Ca. 70 % der gesamten Produktionskosten<br />
werden heute bereits in der Entwicklungsphase<br />
festgelegt. Die Devise für die Umgestaltung<br />
der Prozesse muß also lauten: „Wissen verschaffen,<br />
bevor Kosten entstehen“. Je mehr<br />
Informationen <strong>über</strong> Produkt und Fertigung<br />
schon in der Entwicklungsphase zur Verfügung<br />
stehen, desto höher ist die Zeit- und<br />
Kostenersparnis in den folgenden Phasen, indem<br />
z. B. die Anzahl der Konstruktionsänderungen<br />
und Versuche reduziert werden können.<br />
SCHMIEDE-JOURNAL MÄRZ 2001<br />
SPEKTRUM<br />
Dipl.-Ing. Ulrich Feldhaus, Düsseldorf<br />
Computergestützte Simulationssysteme für die Massivumformung<br />
sollen die Entwickler in den Schmieden dabei<br />
unterstützen, frühzeitig neue Technologien zu evaluieren und<br />
in die Fertigung zu integrieren, um so den Produktionsprozess<br />
zu optimieren. Über positive Erfahrungen mit<br />
dem Einsatz von Simulationssystemen für die<br />
Massivumformung berichtet dieser Beitrag.<br />
Integrierte virtuelle Produktdatenmodelle<br />
tragen<br />
wesentlich dazu bei, das bestehende<br />
Informationsdefizit<br />
zu eliminieren und Knowhow<br />
abteilungs<strong>über</strong>greifend<br />
verfügbar zu machen. Dazu<br />
werden alle entwicklungsund<br />
fertigungsrelevanten Informationen<br />
EDV-mäßig erfaßt,<br />
gesammelt und mit entsprechenden<br />
Systemen<br />
(EDM/PDM) den beteiligten<br />
Abteilungen und Personen<br />
verfügbar gemacht.<br />
Der erste Schritt in diese<br />
Richtung ist es, die vorhandenen<br />
CAD-Daten umfassender<br />
als bisher zu nutzen. Zwar<br />
setzen alle namhaften<br />
Schmiedeunternehmen heute<br />
bereits 3D-CAD- und CAM-<br />
Systeme für die computergestützte<br />
Konstruktion und Fertigung<br />
ein, doch nicht immer<br />
werden diese Daten auch in<br />
anderen Entwicklungsphasen<br />
genutzt. In das Zentrum des<br />
Interesses rückt daher die Verwendung von<br />
Werkzeugen, die es erlauben, Kreativität und<br />
Erfahrung der Fachleute verstärkt bereits früh<br />
in die Entwicklung einfließen zu lassen. Prädestiniert<br />
dazu sind Systeme für die computergestützte<br />
Bauteilanalyse und Fertigungssimulation.<br />
Wo liegen die Vorteile der Simulation?<br />
Die Entwicklungpläne werden heute fast<br />
ohne Reserven kalkuliert. So wird das Risiko,<br />
ohne Erfolgsgarantie zusätzlich Zeit und<br />
Kosten zu investieren, meist nur ungern eingegangen.<br />
Mit der computergestützten Umformsimulation<br />
können mit relativ geringem Arbeitsaufwand<br />
neue Verfahren, Materialien etc.<br />
schnell und kostengünstig am Computer auf<br />
ihre Einsetzbarkeit getestet werden. Der<br />
Entwickler hat zusätzlich den Vorteil, nicht nur<br />
30<br />
schnell zu erkennen, ob etwas funktioniert oder<br />
nicht, sondern kann dar<strong>über</strong> hinaus detailliert<br />
die Zusammenhänge analysieren, die zu dem<br />
vorliegenden Resultat geführt haben. Dazu<br />
kann er zu jedem Zeitpunkt der Simulation „in“<br />
den Umformvorgang oder „in“ das Bauteil hineinsehen.<br />
So können leicht mehrere Varianten<br />
analysiert und verglichen werden. Das<br />
Erarbeiten einer optimierten Lösung erfolgt<br />
wesentlich zielgerichteter und die Entwickler<br />
erhalten die größtmögliche Sicherheit, daß ihr<br />
Konzept auch in die Praxis umsetzbar ist.<br />
Simulation – wie funktioniert das?<br />
Die Anfänge der computergestützten Analyse<br />
gehen auf die 50er Jahre zurück. Seitdem<br />
werden diese Systeme, die <strong>über</strong>wiegend nach<br />
der Finite Elemente Methode (FEM) arbeiten,<br />
mit wachsendem Erfolg für die Untersuchung<br />
komplexer hochbeanspruchter Bauteile eingesetzt.<br />
Es dauerte jedoch relativ lange, bis eine<br />
praktikable Lösung auch für die Umformsimulation<br />
verfügbar war, denn die FE-Methode<br />
ließ sich nicht ohne weiteres auf diese Problematik<br />
anwenden. Zwar wurden recht<br />
schnell Systeme vorgestellt, die zufriedenstellende<br />
Simulationsergebnisse lieferten, sie<br />
benötigten dazu jedoch teilweise mehrere Tage<br />
auf teuren High-End-Computern und waren so<br />
nicht geeignet für die industrielle Praxis.<br />
Erst in den letzten Jahren wurden Problemlösungen<br />
entwickelt. Bei MSC.Software<br />
wurde z. B. in dem Simulationsprogramm<br />
MSC.Superforge ein anderer mathematischer<br />
Ansatz benutzt (Finite Volumen Methode).<br />
Mit dem Resultat, daß die Laufzeiten nun in<br />
der Größenordnung von einigen Stunden<br />
lagen.<br />
Für eine Umformsimulation werden im wesentlichen<br />
vier Arbeitsschritte durchlaufen:<br />
Die grafische Geometrieaufbereitung, die Eingabe<br />
der Prozeßparameter, die eigentliche<br />
Berechnung und die Ergebnisauswertung.<br />
Die Bedienung erfolgt <strong>über</strong> eine grafische<br />
Menüoberfläche, deren Aufbau und Syntax<br />
sich an der Praxis orientiert und dem Benutzer<br />
keine besonderen EDV-Kenntnisse abverlangt.
Nachdem die Geometriedaten aus dem<br />
CAD-System eingelesen und entsprechend<br />
ihrer Einbaulage positioniert wurden, erfolgt<br />
die Eingabe der Technologiedaten (Pressencharakteristik<br />
und -daten, Materialdaten und<br />
Temperaturen) sowie die Angabe, in wie viele<br />
Zeitschritte der Umformvorgang unterteilt<br />
werden soll. Ist danach die Berechnung einmal<br />
gestartet, kann der Entwickler die Ergebnisse<br />
für jeden abgeschlossenen Zeitschritt noch<br />
während der Berechnung begutachten und<br />
frühzeitig die Simulation abbrechen, sollten<br />
Eingabefehler vorliegen oder aber der Trend in<br />
eine falsche Richtung laufen.<br />
All diese Schritte können in 30 bis 60 Minuten<br />
bewerkstelligt werden, die Berechnung<br />
selbst kann je nach Komplexität einige Stunden<br />
in Anspruch nehmen. Für jeden berechneten<br />
Zeitschritt werden dabei die Spannungen,<br />
Verformungen, Kräfte, Temperaturen etc.<br />
gespeichert und sind so jederzeit wieder abrufbar.<br />
Ebenso können die Technologiedaten<br />
in einer Datenbank<br />
gespeichert und bei späteren<br />
Berechnungen wieder abgerufen<br />
werden.<br />
Die eigentliche Arbeit für den<br />
Entwickler ist jedoch die Auswertung<br />
und Interpretation der<br />
Ergebnisse. Mit dem sogenannten<br />
Postprocessor kann er zwischen<br />
einer Vielzahl von Darstellungsarten<br />
wählen, die es erlauben, alle<br />
Bereiche und Komponenten in beliebiger<br />
Kombination nach unterschiedlichen<br />
Kriterien detailliert<br />
zu untersuchen (Bild auf Seite 30)<br />
und die Ergebnisse <strong>über</strong>sichtlich,<br />
z. B. als Animation, darzustellen.<br />
Die praktischen Erfahrungen<br />
im Betrieb<br />
All das hört sich wunderbar an, aber wie<br />
sieht die praktische Umsetzung aus? Viele<br />
Praktiker konnten sich anfangs nur schwer vorstellen,<br />
wie so ein komplexes System in den<br />
Tagesablauf integriert werden könnte, ohne<br />
<strong>über</strong> fundiertes EDV-Wissen zu verfügen. Die<br />
Praxis beweist jedoch, daß diese Befürchtungen<br />
unbegründet sind, und so sind die positiven<br />
Erfahrungen, die man z. B. bei der Firma<br />
TRW Presswerk Krefeld bis heute gesammelt<br />
hat, durchaus kein Einzelfall.<br />
Für die Konstrukteure bei TRW in Krefeld<br />
bedeutete der Einstieg in die Simulation das<br />
Betreten von völligem Neuland. Man verfolgte<br />
daher einen pragmatischen Ansatz, um die<br />
Tauglichkeit des eingesetzten Systems<br />
MSC.SuperForge der Firma MSC.Software,<br />
installiert auf einer Compaq SP700 NT-Workstation<br />
mit zwei 500 MHz Pentium III-Prozessoren,<br />
für die Auslegung von Schmiedewerkzeugen<br />
zu testen.<br />
Die Schulung anhand eines in der<br />
Produktion befindliches Schmiedeteils nahm<br />
nicht mehr als einen Nachmittag in Anspruch.<br />
SPEKTRUM<br />
Verantwortlich für die schnelle Einarbeitung<br />
ist u. a. die praxisorientierte Benutzeroberfläche,<br />
die durch ihre schmiedespezifische<br />
Syntax dem Fachmann keinerlei Rätsel aufgibt.<br />
Die Geometrien wurden direkt aus dem<br />
CAD-System Pro/E als 3D-STL-Daten <strong>über</strong>nommen<br />
und ohne weitere Nachbearbeitung in<br />
MSC.SuperForge verwendet. Um einen<br />
Parameterabgleich vorzunehmen und Vertrauen<br />
in die Simulation zu erarbeiten, befaßte<br />
man sich anfangs mit Teilen aus der laufenden<br />
Produktion. Schon bald ging man jedoch<br />
daran, auch Neuteile zu analysieren. Auf der<br />
Basis der Simulationsergebnisse wurden<br />
Werkzeuge bestellt und die Ergebnisse anhand<br />
von Versuchsschmiedungen verifiziert. Im<br />
Schnitt waren bereits nach zwei Simulationsiterationen<br />
die Ergebnisse für optimierte<br />
Schmiedeabläufe vorhanden. In ca. 6 Wochen<br />
wurden so insgesamt 6 komplexe 3D-Schmie-<br />
Doppelschmiedeteil in der Presse Bilder: TRW<br />
deteile durchsimuliert. Dabei handelte es sich<br />
um 3 Flansch- und 3 Schaftschmiedeteile.<br />
Nur ideeller Nutzen?<br />
Laut TRW Presswerk Krefeld wären ohne<br />
Hilfe der Simulationen deutlich mehr Versuchsschmiedungen<br />
erforderlich gewesen, um<br />
zu gleichen Optimierungsergebnissen zu kommen.<br />
Nach Firmenschätzungen konnten innerhalb<br />
der Erprobungsphase 11 Versuchsschmiedungen<br />
eingespart werden, was einer Einsparung<br />
von ca. 60 TDM Kosten entspräche.<br />
Noch gravierender fiel die Reduzierung der<br />
Entwicklungszeiten aus: Laut einer konservativen<br />
Schätzung konnten ca. 3 Wochen pro Bauteil<br />
eingespart werden, die ansonsten durch die<br />
Fertigung von Erprobungswerkzeugen angefallen<br />
wären. Insgesamt betrug die in der<br />
Erprobungsphase erwirtschaftete Gesamteinsparung<br />
ca. 30 Wochen Entwicklungszeit.<br />
Auch beim Materialeinsatz konnten deutliche<br />
Einsparungen erzielt werden. Beim Anlauf<br />
eines komplizierten Neuteils wurde schon vor<br />
der ersten Versuchsschmiedung eine Materialreduktion<br />
von ca. 20 Prozent gegen<strong>über</strong> der<br />
konservativen Fertigungsplanung erzielt. Bei<br />
einer Losgröße von ca. 500000 Stück pro Jahr<br />
entspräche das einer Kosteneinsparung von ca.<br />
125 TDM pro Jahr. Diese Materialreduzierung<br />
wäre ohne Simulation nur mit ca. 3 kostenintensiven<br />
Versuchsschmiedungen möglich<br />
gewesen, da zur Umformung jeweils ein verändertes<br />
Reckwerkzeug mit 4 Stufen erforderlich<br />
gewesen wäre.<br />
Innerhalb der Erprobungsphase wurden<br />
mehrere Schmiedeprozesse mit Hilfe von<br />
MSC.SuperForge auf ihre schmiedetechnische<br />
Machbarkeit untersucht. Darunter befindet<br />
sich z. B. die Umstellung eines Bauteils von<br />
einer Einzelschmiedung mit Kaltabgratung auf<br />
eine Doppelschmiedung mit Warmabgratung<br />
(siehe Bild) und die unkonventionelle<br />
Schmiedung eines Flanschbauteils, bei der<br />
man Erkenntnisse für die Umformung erhielt,<br />
die <strong>über</strong> das bisherige Schmiedeverständnis<br />
hinausgingen.<br />
Perspektiven<br />
Der Markt für die Umformsimulation<br />
ist <strong>über</strong>schaubar, und so<br />
haben die Softwareentwickler<br />
engen Kontakt zu ihrem Zielmarkt<br />
und können entsprechend schnell<br />
auf Wünsche und Forderungen reagieren.<br />
Die hochkomplexe Thematik<br />
und die relativ niedrigen Stückzahlen<br />
spiegeln sich letztendlich<br />
jedoch auch in den Kosten für solche<br />
Systeme wider. Speziell für<br />
kleinere Betriebe sind die Anfangsinvestitionen<br />
erheblich. Der Nutzen<br />
der Umformsimulation ist jedoch<br />
inzwischen unbestritten. Die erzielbaren<br />
technologischen Fortschritte<br />
und die Einsparmöglichkeiten werden<br />
sicherlich dazu führen, daß<br />
immer mehr Unternehmen zukünftig auf die<br />
neuen Möglichkeiten zurückgreifen werden.<br />
Die Anwender dieser Technologie stehen<br />
denn auch voll hinter ihrer Entscheidung. So<br />
hat das TRW Presswerk Krefeld aufgrund der<br />
Erfolge mit MSC.SuperForge ehrgeizige Pläne<br />
für die Zukunft: Sämtliche der ca. 20 Neuteile<br />
pro Jahr sollen schon in der Phase der<br />
Werkzeugkonstruktion analysiert und optimiert<br />
werden. Dabei stehen die Prozeßsicherheit,<br />
die Minimierung des Materialeinsatzes<br />
und die Erhöhung der Standzeiten im<br />
Vordergrund.<br />
Besonders angetan ist man bei TRW am<br />
Ende der Erprobungsphase von der leichten<br />
Handhabbarkeit des Simulationsprogramms,<br />
der Simulationsmöglichkeit vieler unterschiedlicher<br />
Produkte sowie von dem schnellen<br />
Zugriff auf Ergebnisse. Man ist zuversichtlich,<br />
daß sich MSC.SuperForge schon bei alleiniger<br />
Betrachtung der mit Hilfe dieses Programms<br />
realisierten Materialeinsparungen und Standzeitenerhöhungen<br />
in ca. 6 Monaten amortisieren<br />
wird.<br />
31 SCHMIEDE-JOURNAL MÄRZ 2001<br />
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