Gemeinsamer FuE-Abschlussbericht des Verbundprojektes Durchgängige Virtualisierung der Entwicklung und Produktion von Fahrzeugen (VIPROF)

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1 Gemeinsamer FuE-Abschlussbericht des Verbundprojektes Durchgängige Virtualisierung der Entwicklung und Produktion von Fahrzeugen (VIPROF) Förderkennzeichen: 02PC1090 bis 1097 Autoren: Dr.-Ing. Cord Steinbeck-Behrens, Tobias Menke (CADFEM GmbH) Jochen Steinbeck, Matthias Schroeder, Hongzhi Duan (ESI GmbH) Alexander Hoffmann, Uwe Brylla (ARC Solutions GmbH) Dr.-Ing. Steffen Kulp, Sebastian Pinner (Volkswagen AG) Prof. Dr.-Ing. Martin Rambke, Lena Leck (Ostfalia HaW) Prof. Dr.-Ing. Birgit Awiszus, Dr.-Ing. Susanne Bolick, Jeannette Katzenberger (TU Chemnitz) Marcel Schulz (TU Berlin) Dr.-Ing. Christoph Runde, Achim Czaykowska (VDC Fellbach) Dr.-Ing. Klaus Mager (Ingenieurbüro Mager, Unternehmensberatung) Januar 2012

2 Inhaltsverzeichnis 1 Einführung, Motivation und Zielstellung Ablauf des Vorhabens Lösungsansätze, durchgeführte Arbeiten und Teilergebnisse Überblick Prozesskettensimulation Datenübertragung in der Prozesskette (Ostfalia HaW) Simulationsprogramme in der Prozesskette Mapping Sensitivitätsanalyse Teilprozesskette Umformen und Fügen (ESI) Simulation der Bauteilerzeugung mittels Umformen Methode der Neuvernetzung Untersuchte Baugruppe Sensitivität der Datenübergabe in Relation zur Netzfeinheit Simulation des Schweißverzugs mit dem Weld Planner Sensitivität des Schweißverzugs hinsichtlich der aus der Fertigungshistorie übertragenen Größen Schweißverzugssimulation mit der Methode der Neuvernetzung Simulation der Lacktrocknung in der Prozesskette (CADFEM) Ergebnisse der Sensitivitätsanalyse Untersuchung von Einflüssen des Bake-Hardening-Effektes Zusammenfassung der Ergebnisse von CADFEM Abgleich der Simulationsprozesskette an Praxisbeispielen (VW) Katalog gewerkespezifischer Eingangsgrößen Übertragung von Simulationsdaten mit XML-Konverter Vergleich OneStep- und inkrementelle Umformsimulation Bewertung der Prozesskettensimulation Validierung der Prozesskettensimulation Modulcockpit Strukturierte Ablage heterogener Daten im Kontext von Wiederverwendbarkeit und Weiterverwendbarkeit (TU Berlin) Allgemeines Konversion Das VIPROF-XML-Datenformat Funktionsweise und Begrenzungen des XML-Konverters

3 3.7 Entwicklung einer systemübergreifenden Datenablage im PDM-System zur Realisierung einer durchgängigen Simulationsprozesskette (TU Chemnitz, ARC Solutions GmbH) Problemstellung und Ziele Durchgängiges Datenmanagement Entwicklung von Datenablagestrukturen Ableitung von Referenzprozessketten zur Datenablage Automatisierung von Referenzprozessketten mittels Workflows Kopplung der Prozesssimulation Umformen Fügen Lackieren VIPROF Modulcockpit zur Erhöhung der Transparenz im Entwicklungsprozess Perspektiven des Mittelstands (VDC) Zusammenfassung der Ergebnisse Bewertung der Ergebnisse Darstellung der durchgängigen Simulationsprozesskette VIPROF anhand eines Anwendungsbeispiels Ausblick Ausblick Volkswagen Transfer der Ergebnisse von CADFEM Transfer der Ergebnisse von ESI für Zulieferer mit VisualDSS Ausblick der ARC Solutions GmbH Ausblick der Ostfalia HaW Datentechnischer Ausblick der TU Berlin Ausblick Professur Virtuelle Fertigungstechnik Öffentlichkeitsarbeit Das diesem Bericht zugrunde liegende Vorhaben wurde mit Mitteln des Bundesministeriums für Bildung und Forschung im Programm Management und Virtualisierung der Produktentstehung im Rahmenkonzept Forschung für die Produktion von morgen gefördert und unter der Projektträgerschaft des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) durchgeführt. Die Verantwortung für den Inhalt dieser Veröffentlichung liegt bei den Autoren. 3

4 1 Einführung, Motivation und Zielstellung Wie auch andere Branchen, die sich im globalen Wettbewerb befinden, ist die Automobilindustrie mit ihren komplexen Produkten steigenden Kundenanforderungen, einem hohen Kostendruck, kürzer werdenden Produktlebenszyklen und einer Zunahme an Produktvarianten ausgesetzt. Gerade die steigenden Anforderungen an Verbrauchseffizienz und CO 2 -Reduzierung werden zukünftig verstärkt zu weiteren Fahrzeugvarianten mit alternativen Antrieben sowie Leichtbaukarosserien führen. Die Abbildung 1 verdeutlicht, dass der Trend der kontinuierlichen Zunahme der Fahrzeugsegmente von 1985 bis heute ungebrochen ist. [PINSB11] Abbildung 1: Anstieg der Fahrzeugsegmente seit 1985 [PINSB11] Um die mannigfaltigen Anforderungen zu erfüllen, sind neue Strategien in der Produktentwicklung erforderlich. Dazu zählen u.a. verschiedene Strategien zur Gleichteilenutzung in der Pkw-Karosserie. Während man früher eine reine Plattformstrategie verfolgte, setzt man heute schon verstärkt auf Module (Lenkung, Motor, Getriebe, Interieur), die über verschiedene Fahrzeugklassen eingesetzt werden. Für die Zukunft wird das Ziel verfolgt, diese Strategie weiter auszubauen und zu einer reinen Modulstrategie, z. B. Modularer Diesel Baukasten oder modularer Vorderwagen etc., überzugehen. Die Module bilden dabei einen Baukasten mit kombinierbaren Elementen. Die Standardisierung für Produkt und Prozess sichert die konzernweite Kompati- 4

5 bilität ab. Somit soll ein maximales Maß an Synergien erzielt werden (siehe Abbildung 2). [PINSB11] Abbildung 2: Übergang von der Plattform zur Modulstrategie [PINSB11] Um die Komplexität, die aus dieser Strategie erwächst, zukünftig noch beherrschen zu können, müssen vor allem Techniken und Strategien zum Produktdatenmanagement weiterentwickelt werden. Weiterhin muss im verstärkten Maße auf eine virtuelle Produktabsicherung entlang der Prozesskette gesetzt werden. Die Absicherung der Produkteigenschaften erfolgt entsprechend der Entwicklungsdisziplinen (Aufbau, Aggregate, Fahrwerk, etc.) mit unterschiedlichen Simulationsmethoden. Eine virtuelle Absicherung der Herstellbarkeit entlang der Produktionsprozesskette (Einzelteil, Karosseriebau, Lackierung) findet nachfolgend in den Planungsbereichen statt (siehe Abbildung 3). Durch die vornehmlich disziplinorientierte Arbeitsweise und eine fehlende Transparenz erfolgt die belastbare Validierung der Herstellbarkeit in der Regel erst nach der maßgeblichen Produktgestaltung. Weiterhin ist ein prozessübergreifender Ergebnistransfer (Umformung, Fügen, Lackierung) auf Grund fehlender Schnittstellen und methodischen Unterschieden in den Prozesssimulationen bisher nicht möglich. Darüber hinaus werden fertigungstechnische Einflüsse auf die Produkteigenschaften (insbesondere die Crash-Performance) immer noch nicht detailliert erfasst und während der Produktentwicklung berücksichtigt. [PIN109] 5

6 Aufbau Aggregate Fahrwerk.. Entwicklungsdisziplinen Virtuelle Produktentwicklung Crash Steifigkeit Betriebsfestigkeit Aerodynamik Aeroakustik... Simulationsmethoden Produktentwicklung Produktlastenheft, Konstruktionsdaten, Stücklisten etc. Virtuelle Prozessabsicherung Umformsimulation Fügesimulation Lackiersimulation Ergonomiebetrachtung Gießsimulation... Simulationsmethoden Prozessabsicherung Umformprozesse Karosseriebau Lackierung Montage Abbildung 3: Virtuelle Produktentwicklung und Prozessabsicherung [PIN109] In den letzten Jahren hat neben der Automatisierung in vielen Bereichen der Produktionstechnik das Engineering mit CAE-Werkzeugen (Computer Aided Engineering) Einzug gehalten. Für die Entwicklung und Planung von Produkten, Maschinen und Anlagen sind leistungsfähige Methoden und Softwareapplikationen entstanden. Gerade kritische Bereiche, wie z. B. Festigkeitsbetrachtungen, Umformtechnik, thermische Belastungen oder Schweißanwendungen, sind inzwischen durch Simulationswerkzeuge abgedeckt, mit denen virtuell Optimierungen vorgenommen werden können. Somit sind CAE-Technologien nicht als Neuerung zu betrachten, da sie in vielen Bereichen der Produktentstehung als Einzelanwendung bereits integriert sind. Jedoch handelt es sich meist um isolierte Insellösungen, die einen bestimmten Problembereich behandeln, und nicht um durchgängige Planungsinstrumente. [PIN109] Es fehlt insbesondere eine auf der Informations- und Kommunikationstechnologie (IKT) basierte Verknüpfung zwischen der Konstruktion und Entwicklung auf der einen Seite und der Fertigungsplanung auf der anderen Seite. Bisher können Daten zwischen den Simulationsprogrammen für einzelne Prozesse meistens nur von Hand übertragen werden. Übertragungs-Tools wenn überhaupt vorhanden verbinden maximal zwei Glieder der Simulationskette, wie z. B. der SCAI-Mapper zwischen Umform- und Crash-Simulation. Automatische Verknüpfungen dieser Werkzeuge, die zumeist von unterschiedlichen Herstellern stammen, gibt es kaum. Strategien zur Datenhaltung im Sinne des Produktdatenmanagements befinden sich noch im Forschungsstadium. In der Folge können bisher Änderungen, die sich in einem Bereich 6

7 ergeben, nur mit hohem Aufwand in anderen Bereichen berücksichtigt werden. Da prozessübergreifende Werkzeuge fehlen, können Fehler in der Produktentwicklung nach wie vor erst spät aufgedeckt werden und verursachen hohe Kosten. [PIN109] Daher bestand das Ziel des Projekts VIPROF in der Verknüpfung von Produktentwicklung und Fertigungstechnik zu einer durchgängigen, digitalisierten und kooperativen Entwicklungs- und Produktionsplanung. Ein besonderer Schwerpunkt wurde auf die durchgängige Verknüpfung der Simulationen des Umformens, Fügens und Lackierens gelegt. Die Auswirkungen der Berücksichtigung der Fertigungshistorie auf die Produkteigenschaften sollten in der Crash-Simulation bewertet werden. Am Projekt haben die folgenden Partner teilgenommen: Partner / Profil CADFEM GmbH (Software-Haus) ESI GmbH (Software-Haus) ARC Solutions GmbH (Dienstleister) VW AG (Anwender) ITP Ostfalia HaW (F&E) Professur Virtuelle Fertigungstechnik (VIF) der TU Chemnitz (F&E) Institut für Wirtschaftsinformatik und Quantitative Methoden der TU Berlin (F&E) VDC Fellbach (Dienstleister) Beitrag im Projekt Koordination des Verbundprojektes, Integration der Lackiertrocknungssimulation VPS/DRY in die Prozesskettensimulation Integration der Umform- und Fügesimulation in die Prozesskettensimulation Implementierung von Daten- und Variantenmanagement, Umsetzung des Workflow-Managements Erstellung Lastenheft, Erprobung und Validierung der Prozesskettensimulation Umformsimulation, Mapping zwischen den Prozessen, Abgleich OneStep Solver zur inkrementellen Simulation, Erprobung Entwicklung der Referenzprozesse und modelle Entwicklung Datenarchitektur, Datenmodellierung und - integration, Schnittstellenkonzeption, Datenmapping, Standardisierung der Simulationsdaten Analyse bei den meist mittelständischen Mitgliederfirmen zur Bedarfslage hinsichtlich einer Prozesskettensimulation, Aufbau Web-Präsenz, Aufbau eines Industriearbeitskreises Virtualisierung. 7

8 Literatur: [PIN109] Pinner, S. et al.: Durchgängige Virtualisierung der Entwicklung und Produktion von Fahrzeugen, Fachtagung Digitales Engineering, Fraunhofer Wissenschaftstage, Juni, Magdeburg, [PINSB11] Pinner, S.; Steinbeck-Behrens, C.: Übersicht Prozesskettensimulation. 2. VIPROF Industriearbeitskreis, 22. November, Stuttgart,

9 2 Ablauf des Vorhabens Das Vorhaben war in 12 Arbeitspakete (AP) eingeteilt, die in Tabelle 1 aufgeführt sind. Ein Pert-Diagramm des Arbeitsplans mit einer Kennzeichnung der mehr daten- oder mehr prozessbezogenen Arbeitspakete ist in Abbildung 4 gezeigt. AP Titel Federführung Mitarbeit 1 Analyse des Ist-Zustandes VW Alle Partner 2 Untersuchung und Bewertung der Prozessgrößen in der Prozesskette IPT CADFEM, ESI, VW 3 Aufbau Architektur für Daten- und Variantenmanagement TUB VIF, ARC, VW 4 Kopplung der Prozesssimulationen Umformen TUB Alle Partner Fügen Lackieren 5 Implementierung Daten- und Variantenmanagement als VIPROF-Module ARC CADFEM, ESI, VW, VIF, TUB 6 Bewertung der Ergebnisgüte VW CADFEM, ESI, IPT 7 Definition von Referenzprozessen und -modellen für durchgängige Prozesskette VIF ARC, VW, IPT, TUB, VDC 8 Erweiterung der Prozesskette mit komplexen CADFEM ESI, ARC, IPT Modellen 9 Test und Validierung VW CADFEM, ESI, ARC, VIF 10 Entwicklung VIPROF-Modulcockpit ARC VW, IPT, VIF, TUB 11 Verbreitung der Projektergebnisse VDC Alle Partner 12 Projektmanagement CADFEM Alle Partner Tabelle 1: Übersicht der Arbeitspakete und der Verantwortlichkeiten (IPT = Institut für Produktionstechnik der Ostfalia HaW, VIF = Professur Virtuelle Fertigungstechnik, TU Chemnitz, TUB = Institut für Wirtschaftsinformatik und Quantitative Methoden der TU Berlin) 9

10 1. Analyse des Ist-Zustandes 12. Projektmanagement 2. Untersuchung / Bewertung Prozessgrößen 3. Aufbau Datenarchitektur 4. Kopplung der Prozesssimulationen 5.Implementierung VIPROF-Module 6. Bewertung Ergebnisgüte 7. Definition Referenzprozesse und -modelle 8. Erweiterung mit komplexen Modellen 9. Test und Validierung 11. Verbreitung der Ergebnisse 10. Entwicklung VI- PROF-Modulcockpit Abbildung 4: Pert-Diagramm des Arbeitsplanes (Daten Prozesse) Entsprechend der Einteilung Daten und Prozesse wurden zu Beginn des Projektes die Arbeitsgruppe Daten (VW, ARC, VIF und TUB), die eine Bestandsaufnahme des PDM-Systems durchführte, und die Arbeitsgruppe Mapping (CADFEM, ESI, VW und IPT), die sich mit dem SCAIMapper 1 und den Sensitivitätsanalysen (AP 2) befasste, gegründet. Die Arbeitsgruppe Mapping verständigte sich darauf, den SCAI- Mapper im VIPROF-Projekt einzusetzen. Das IPT stand hierzu im Kontakt mit dem Fraunhofer SCAI-Institut, das sich bereit erklärte, projektspezifische Anpassungen am SCAIMapper vorzunehmen. 1 Mit dem SCAIMapper können durch Modellinterpolation die Umform- und Crash-Simulation gekoppelt werden. Diese Software wurde vom Fraunhofer SCAI-Institut und dem ISD der Universität Stuttgart entwickelt. 10

11 Als Anwendungspartner lieferte die VW AG geeignete Musterbauteile (siehe Abbildung 5) zur Bestandsaufnahme von Daten und Prozessen und zur späteren Validierung der Prozessverkettung. Die notwendigen Bauteil- und Prozessdaten wurden von VW erhoben. Den Partnern wurden die CAD-Daten und Prozessbeschreibungen für die Musterbauteile zur Verfügung gestellt. Abbildung 5: Musterbauteile des VW Touran als Gegenstand der Prozesskettensimulation Die Musterbauteile stammten vom Serienfahrzeug VW Touran GP. Die Teileauswahl sollte eine Crash-relevante Baugruppe, jedoch keine warm umgeformten Bauteile beinhalten. Die Auswahl fiel auf die Baugruppe B-Säule mit Schwellerverstärkung, da nur dort Laserschweißverfahren eingesetzt werden. Der Sitzquerträger ist für die Crash-Simulation relevant. Um den Schweißverzug zu analysieren, besteht bei VW für die gewählte Baugruppe eine Messeinrichtung. Die Verwendung von Teilen des Serienfahrzeuges Touran hatte einerseits den Vorteil, dass umfangreiche Daten und Prozesserfahrungen vorlagen, die an die Kooperationspartner weitergegeben werden konnten. Andererseits traten bei diesem schon in Serie befindlichen Fahrzeug keine Schwachstellen auf, die durch die Prozesskettensimulation hätten aufgedeckt werden können, wie es bei Neukonstruktionen der Fall wäre, da alle Teile auskonstruiert und getestet waren. 11

12 3 Lösungsansätze, durchgeführte Arbeiten und Teilergebnisse 3.1 Überblick Prozesskettensimulation Im Rahmen der virtuellen Absicherung werden heute fertigungstechnische Einflüsse auf die Produkteigenschaften noch nicht detailliert erfasst und während der Produktentwicklung berücksichtigt. Die Herstellungsprozesse haben jedoch einen umfangreichen Einfluss auf die Produkteigenschaften und müssen in der Simulation berücksichtigt werden, denn die Produkteigenschaften resultieren aus der Summe der durchlaufenen Prozesse, welche sich gegenseitig überlagern und beeinflussen. Derartige Einflussgrößen für den Bereich Karosseriebau sind in Abbildung 6 dargestellt. Abbildung 6: Einflussgrößen der Fertigungsprozesse auf die Produkteigenschaften [PIN209] Besonders Eigenspannungen und Verzug bedingen sich gegenseitig und können sich negativ auf die erforderlichen Produkteigenschaften, wie z. B. Form- und Maßhaltigkeit oder das Crash-Verhalten, auswirken. Wechselwirkungen innerhalb der Prozesskette Presswerk Karosseriebau Lackierung sind beispielsweise: Blechdicken- und Spannungsverteilung im Bauteil nach dem Tiefziehen, Entstehung von lokalen Entfestigungen und Spannungen in den Bauteilen durch thermische Fügeverfahren, 12

13 Induzierung thermischer Spannungen in die Karosserie durch hohe Temperaturen im Lacktrockner (lokal unterschiedliche Wärmekapazitäten bedingt durch die Blechdickenverteilung in den Bauteilen). Zukünftige Karosseriekonzepte werden - getrieben vom Leichtbau - immer komplexer. Als Beispiel sei hier der zunehmende Einsatz an pressgehärteten Strukturbauteilen oder der immer häufiger eingesetzte Materialmix in heutigen Automobilkarosserien genannt. Moderne Materialien, wie z. B. Mehrphasenstähle, besitzen Eigenschaften, die vorrangig von der Fertigungshistorie abhängig sind. Umso bedeutender wird es zukünftig sein, die aus den durchlaufenen Herstellungsprozessen resultierende Fertigungshistorie der Bauteile und Baugruppen bei der Simulation der Produkteigenschaften durch Kopplung der Simulationstools zu berücksichtigen. [PIN209] 3.2 Datenübertragung in der Prozesskette (Ostfalia HaW) Um das Ziel einer durchgängigen Prozesskette erreichen zu können, müssen die einzelnen Simulationen miteinander verbunden werden. Die dafür notwendige Datenübertragung besteht aus den zwei Teilbereichen Konversion und Transformation. Der Bereich der Konversion wird in diesem Kapitel nur angerissen; er wird in Kapitel 3.6 ausführlich dargestellt. Der Bereich der Transformation wird im Abschnitt näher erläutert. Da der Zeitaufwand für die Datenübertragung wirtschaftlich bleiben sollte, ist es sinnvoll zu ermitteln, welche Ergebnisdaten die nachfolgenden Simulationen wie stark beeinflussen. Dazu wird eine Sensitivitätsanalyse (Abschnitt 3.2.3) durchgeführt. Anhand der Ergebnisse kann dann entschieden werden, für welche Ergebnisdaten die Datenübertragung wirtschaftlich ist Simulationsprogramme in der Prozesskette In diesem Projekt wurden entlang der Prozesskette Simulationsprogramme der Softwarepartner ESI GmbH und CADFEM GmbH eingesetzt. Die Umformsimulation wurde mit einem in der Automobilindustrie etablierten inkrementellen Solver (PAM-STAMP) durchgeführt. Da der Einsatz der inkrementellen Umformsimulation aufgrund der notwendigen Methodenplanung und der Entwicklung der Ziehanlage einen hohen Zeitaufwand erfordert, wird diese in der Praxis erst durchgeführt, wenn der Konstruktionsstand der Karosseriebauteile einen entspre- 13

14 chenden Reifegrad erreicht hat. Dies hat zur Folge, dass die Simulationsdaten der Umformsimulation im frühen Entwicklungsprozess bei der Auslegung der Produkteigenschaften, insbesondere bei der Crash-Berechnung, nicht zur Verfügung stehen. Aus diesem Grund wird im Projekt VIPROF zusätzlich ein One-Step-Solver (FormingSuite) als alternative Simulationsmethode für die frühe Produktentwicklungsphase eingesetzt. Bei der inversen Simulation (One-Step-Simulation) wird die Geometrieänderung in einem Schritt rückwärts vom Bauteil zur Platine berechnet. Für die Durchführung werden nur die CAD-Geometrie und die Werkstoffdaten benötigt. Der gegenüber der inkrementellen Umformsimulation fehlende Werkzeugkontakt führt z. B. zur Einschränkung der Faltenvorhersagbarkeit. Für die Fügesimulation wurde eine Berechnung des Schweißverzugs mit dem Weld Planner durchgeführt. Die Lacktrocknung wurde mit VPS/DRY und der Crash mit PAM-CRASH simuliert Mapping Die Analyse der Import und Export-Schnittstellen dieser Software zeigten, dass die erste Herausforderung bei der Übertragung von Daten zwischen den Simulationsprogrammen unterschiedlicher Hersteller unterschiedliche Schnittstellen sind. Diese Schnittstellen unterscheiden sich in den kompatiblen Formaten, so dass ein Einlesen der Ergebnisdaten in die nachfolgende Simulationssoftware in der Regel nicht ohne Zwischenschritte möglich ist. Zusätzlich unterscheiden sich auch die FEM-Netze und die verwendeten Bezugskoordinatensysteme. Abbildung 7: Vernetzung Umformsimulation; Links: Dreieckelemente; rechts: Viereckelemente Die auffälligsten Unterschiede zwischen den FEM-Netzen sind - wie in Abbildung 7 zu erkennen ist - die Elementform und die Elementgröße. Die Elemente aller in der 14

15 Prozesskette betrachteten Simulationen sind Schalenelemente, so dass eine Betrachtung der Datenübertragung zwischen Schalen- und Volumenelementen nicht stattgefunden hat. Bei den Schalenelementen gibt es Dreieck- und Viereckelemente. Weiterhin ist in Abbildung 8 zu erkennen, dass die Netze abhängig von der Simulation unterschiedlich fein sind. Die Netze der Umformsimulationen sind in den Radien feiner vernetzt, weil die Geometrie der Radien nur mit kleinen Elementen ausreichend genau diskretisiert werden kann und zusätzlich in diesen Bereichen die stärksten Verformungen auftreten. Bei der Fügesimulation sind die Bereiche, in denen die Schweißnähte liegen, feiner vernetzt, während die anderen Bauteilbereiche grob vernetzt sind. Die Vernetzung für die Crash-Simulation und die Lacktrockungssimulation ist gleichmäßig grob, weil in diesen Simulationen die gesamte Karosserie berechnet wird und bei einer feineren Vernetzung der Zeitaufwand zu groß wäre. a) Umformsimulation b) Fügesimulation c) Crash-Simulation Abbildung 8: FEM-Netze Zusätzlich zu diesen auf den ersten Blick sichtbaren Unterschieden gibt es weitere in der Elementdefinition. Schalenelemente haben, wie in Abbildung 9 dargestellt ist, Gauss- und Integrationspunkte. Die Gauss-Punkte sind Integrationspunkte (Gauss- Quadratur) in der Elementebene, während mit der Bezeichnung Integrationspunkte in der Regel Integrationspunkte über der Elementdicke gemeint sind. Wie viele Integrationspunkte für die Berechnung benötigt werden, hängt von dem Simulationsverfahren und dem simulierten Prozess ab. Weiterhin werden abhängig vom Format die skalaren und tensoriellen Größen pro Integrationspunkt oder pro Knoten abgelegt. Was bedeutet, dass selbst bei identischen Netzen eine Interpolation der Daten von den Knoten auf die Integrationspunkte oder andersherum erfolgen muss. Bei den tensoriellen Größen gibt es zusätzlich noch Unterschiede in den Bezugskoordinatensystemen. Einige Formate speichern die Größen im globalen System, andere jeweils im Elementkoordinatensystem. Dadurch ist für die tensoriellen Größen eine Koordinatentransformation der Tensoren notwendig. 15

16 Software/Format FormingSuite/ Sysweld/ PAMSTAMP/ PAMCRASH/ Eigenschaften *.key *.asc *.M01 *.pc Koordinatensystem Fahrzeug Fahrzeug Werkzeug Fahrzeug Knoten pro Element 3 (3)4 (3)4 (3)4 Gauss-Punkte 1 (1)4 1 1 Integrationspunkte über der Dicke Blechdicke Abhängig von Nein Ja Ja Ja Gauss-Punkten Abhängig von Integrationspunkten Nein Nein Nein Nein Bezug Knoten Knoten Element Element Spannungen Abhängig von Ja Ja Ja Ja Gauss-Punkten Abhängig von Integrationspunkten Ja Nein Ja Ja Bezug Element Knoten Element Element Dehnungen Abhängig von Nein Ja Nein Nein Gauss-Punkten Abhängig von Integrationspunkten Nein Nein Nein Nein Bezug Element Knoten Element Element Plastische Abhängig von Ja Ja Ja Ja Vergleichsdehnung Gauss-Punkten Abhängig von Integ- Ja Nein Ja Ja rationspunkten Bezug Element Knoten Element Element Tabelle 2: Eigenschaften bzw. Standardeinstellungen der im Projekt eingesetzten Formate Abbildung 9: Integrations- und Gauss-Punkte Darüber hinaus werden die Bauteile abhängig von dem simulierten Prozess in unterschiedlichen Koordinatensystemen beschrieben. In der im Projekt VIPROF aufgebauten Prozesskette liegen die Bauteile in der inversen Umformsimulation im Fahrzeug- 16

17 koordinatensystem, weil die Simulation auf der CAD-Geometrie aufbaut und das Bauteil im CAD-System in der Gesamtkarosserie eingebaut ist. Die inkrementelle Umformsimulation dagegen verwendet ein Bauteilkoordinatensystem und ein Ziehkoordinatensystem. Die Lage der Bauteile zueinander nach den Umformsimulationen ist in Abbildung 10 dargestellt. Das Fügenetz liegt - wie das Netz der inversen Umformsimulation - in Einbaulage vor, weil es auf der CAD-Geometrie aufbauend erstellt wurde. Auch Lacktrocknungsund Crashsimulation bauen beide auf der Gesamtkarosserie auf, so dass die Netze ebenfalls im Fahrzeugkoordinatensystem liegen. Abbildung 10: Bauteillage inkrementelle Umformsimulation (rot) und Fügesimulation (grün) In der betrachteten Prozesskette sind alle Netze außer dem der inkrementellen Umformsimulation in der Einbaulage definiert. Eine Koordinatentransformation für das gesamte Netz muss also für alle Mapping-Prozesse erfolgen, in denen Daten der inkrementellen Umformsimulation übertragen werden sollen. Allgemein müssen also für eine Übertragung der Ergebnisgrößen zum einen Koordinatentransformationen zwischen den unterschiedlichen Koordinatensystemen und zum anderen Interpolationen der Daten zwischen den Elementen, Knoten, Integrations- und Gauss-Punkten erfolgen. Um diese Funktionen nicht neu entwickeln zu müssen wurde eine Literatur- und Software-Recherche durchgeführt. Eine Untersuchung unterschiedlicher Methoden zur Übertragung von Geschichtsvariablen aus der Umform- in die Crashsimulation ist zum Beispiel in [Zöll04] dargestellt. Neben den herstellerinternen Methoden [Cafo03] hat sich der SCAIMapper, durch seine Möglichkeit unterschiedliche Formate einzulesen, für die Kopplung von Umform- und Crashsimulation als herstellerunabhängiges und damit universelles Werkzeug herausgestellt. Der SCAIMapper hat die Möglichkeit zur automatisierten Lageausrichtung der Bauteile (im Folgenden als Einschwimmen bezeichnet), kann die Dateiformate unterschiedlicher Software- Hersteller einlesen und die Interpolation der Daten auf das Zielnetz durchführen 17

18 [Oeck10, Peetz03, Scho07, Wallm04, Shep68, Wolf09]. Für das Projekt stellte der SCAIMapper alle benötigten Mapping-Funktionen zur Verfügung, so dass er in die Prozesskette als Mappingtool eingebunden wurde. Das Mapping von der Umform- in die Crashsimulation war mit dem SCAIMapper problemlos möglich, was jedoch noch keine Aussage über die Eignung für die anderen Prozesse zuließ, da der Mapper genau für diese Anwendung entwickelt wurde. Das Einlesen der Netze der Füge- und Lacktrocknungssimulation war aufgrund von Format-Inkompatibilitäten zunächst problematischer. Diese konnten durch Anpassungen des SCAIMappers durch den Entwickler beim Fraunhofer SCAI behoben werden. In Abbildung 11 sind die Mapping-Ergebnisse von der inkrementellen Umformsimulation auf alle in der Prozesskette eingesetzten Netze dargestellt. a) b) c) d) Abbildung 11: Darstellung der Blechdicke im Mappingprozess: a) Bauteil Übersicht B- Säule mit Umformergebnissen, b) Umformnetz, c) Fügenetz, d) Lacktrocknungs- und Crash-Netz Die Bewertung der Mapping-Genauigkeit erfolgte zum einen mit den im SCAIMapper verfügbaren Funktionen zur Validierung und zum anderen manuell mit Messpunkten auf den virtuellen Bauteilen. In Abbildung 11 ist zu erkennen, dass die Mapping- Ergebnisse nur so genau sein können wie es die Netzgröße des Zielnetzes zulässt. Das heißt, dass zwei Effekte die Qualität der Mapping-Ergebnisse beeinflussen, zum einen die Genauigkeitsverluste durch die Interpolation zwischen den Netzen und zum anderen die schlechtere Auflösung des Zielnetzes. Bei der gezeigten B-Säule in Abbildung 11 ist zu erkennen, dass Extremwerte aus dem Umformprozess bei der Über- 18

19 tragung auf das grobe Crashnetz geglättet werden. Es ist daher wichtig, dass bei der Weiterverwendung der Ergebnisse nach dem Mapping beachtet wird, dass möglicherweise kritische Werte durch die geglätteten Ergebnisse verloren gegangen sind. In kritischen Bauteilbereichen sollten diese Informationen daher zusätzlich zu der Mapping-Datei weiter gegeben werden. Abbildung 12: Abweichung der Blechdicke nach dem Mapping der Umformergebnisse (inkrementell) auf das Crash-Netz Die Datenübertragung der skalaren Größen Blechdicke und plastische Dehnung funktioniert für alle Mappingprozesse in der untersuchten Kette problemlos. Die Werte werden mit Hilfe von Interpolationsalgorithmen [Oeck10, Shep68] auf das neue Netz übertragen. Die Bewertung der Qualität wurde zunächst mit Hilfe der Validierungsfunktion des SCAIMappers durchgeführt. In Abbildung 12 ist die Differenz zwischen Original Blechdickenverteilungen und der gemappten Blechdickenverteilung auf dem Bauteil aufgetragen. Die Abweichungen sind kleiner als 40 µm. Nur in Bereichen, in denen die Geometrie nicht übereinstimmt z. B. aufgrund von in der Umformsimulation nicht berechneten Ausschnitten - liegen die Abweichungen darüber. Die zweite Methode zur Bewertung der Mapping-Qualität besteht in einem Vergleich der Blechdicken an 20 definierten Messpunkten vor und nach dem Mapping-Prozess. Die Messpunkte werden vorrangig in Bauteilbereichen mit großen Veränderungen der Blechdicke sowie Netzbereichen mit sehr grober und sehr feiner Diskretisierung platziert. In Abbildung 13 ist die Lage der Messpunkte auf dem Bauteil dargestellt. An den betrachteten Messpunkten werden die Werte jeweils über die umgebenden Elemente gemittelt, um die Empfindlichkeit des Verfahrens gegen singuläre Spitzen möglichst gering zu halten. In jedem Punkt wird der auf die Ausgangsblechdicke vor dem Mappingprozess bezogene relative Fehler berechnet: F rel = s s s % mit: s: Blechdicke nach dem Mapping s 0 : Blechdicke vor dem Mapping 19

20 P1 P2 + + P6 P7 P8 P P14 + P15 P20 P3 P4 P P9 P10 P11 P P16 P17 P18 P19 Abbildung 13: Lage der 20 Messpunkte für die Ergebnisgröße Blechdicke auf der Bauteilgeometrie Abbildung 14 zeigt die Auswertung des relativen Fehlers beim Mapping der Blechdicke auf die unterschiedlichen Zielnetze an den 20 Messpunkten. Abweichungen bis maximal 5% werden dabei als gut bewertet und grün dargestellt. In gelb gestellt und als befriedigend bewertet werden Abweichungen im Bereich von 5% bis 10%. Während Messpunkte mit einem relativen Fehler über 10% als mangelhaft eingestuft und rot dargestellt werden Anzahl Messpunkte % 5-10% 5% 0 rel. Fehler Umformen inkrementell -> Fügenetz rel. Fehler Umformen invers -> Fügenetz rel. Fehler Umformen inkrementell -> Crashnetz rel. Fehler Umformen invers -> Crashnetz Abbildung 14: Relativer Fehler beim Mapping der Blechdickenverteilung auf Füge- und Crashnetz 20

21 Die Abweichung für 84% der Messungen an diesem Bauteil liegt insgesamt unter 5%. Die Mapping-Qualität kann damit für die skalare Ergebnisgröße Blechdicke als gut bewertet werden. Dieses Ergebnis stimmt mit der Aussage von Abbildung 12 gut überein. An insgesamt sechs Messpunkten (P2, P4, P7, P10, P14 und P15) wurde die Mapping-Genauigkeit als befriedigend oder mangelhaft eingestuft. Diese Punkte liegen alle in Bauteilbereichen mit starker Ausdünnung bzw. Aufdickung oder engen Radien. Große Gradienten in der Blechdicke bei feiner Vernetzung im Ausgangsnetz und deutlich größere Elementkantenlängen im Zielnetz im gleichen Bereich führen durch die in diesen Bereichen dann notwendige Interpolation der Blechdickenwerte zu größeren Abweichungen in den Mapping-Ergebnissen. Dies zeigt sich auch im Vergleich der Mapping-Ergebnisse für die betrachteten FEM-Netze. Je größer die Unterschiede in den verwendeten Netzen sind, desto größer sind auch die Abweichungen. Abbildung 15: Plastische Dehnungen nach der inkrementellen Umformsimulation (unten) und nach dem Mapping auf das Crash-Netz (oben) In der Prozesskette werden zusätzlich zu der Blechdickenverteilung auch die plastischen Dehnungswerte als Maß für die Werkstoffverfestigung übertragen. Beim Mapping der plastischen Dehnungen müssen in Abhängigkeit von der Anzahl der Integrationspunkte über der Bauteildicke mehrere Werte übertragen werden. Abbildung 15 zeigt die plastischen Dehnungen nach dem Umformprozess (unten) und die nach dem Mapping auf ein Crashnetz (oben). Es ist zu erkennen, dass die Werte qualitativ richtig übertragen werden. In den blau dargestellten Bereichen sind die plastischen Dehnungen sehr gering. 21

22 Abbildung 16: Absolute Abweichung der plastischen Dehnung nach dem Mapping der Umformergebnisse (inkrementell) auf das Crash-Netz In Abbildung 16 ist die Differenz zwischen den plastischen Dehnungen nach dem Umformprozess und den plastischen Dehnungen auf dem Crash-Bauteil nach dem Mapping-Prozess aufgetragen. Die Abweichungen liegen in den meisten Bauteilbereichen mit signifikanten plastischen Dehnungen bei unter 25%.In den Bauteilbereichen mit geringen plastischen Dehnungen (blaue Bereiche in Abbildung 15), führen bereits geringe Interpolationsfehler zu großen Abweichungen. In diesen Bereichen ist aufgrund der geringen plastischen Dehnung kein großer Einfluss auf die nachfolgenden Simulationsprozesse zu erwarten. Der Einfluss auf die nachfolgenden Prozesse wird in Kapitel untersucht und bewertet. Abbildung 17: Vergleichsspannungen in Pa auf dem Umformnetz (unten) und Crash-Netz (oben) nach dem Mapping Die Datenübertragung von tensoriellen Größen ist dagegen schwieriger, da die soren formatabhängig in unterschiedlichen Koordinatensystemen gespeichert werden. Dadurch ist ein Vergleich der Tensoren nicht direkt möglich. In der grafischen Darstellung werden daher in der Regel Vergleichswerte gezeigt. In Abbildung 17 ist zu erkennen, dass die Abweichungen des dargestellten skalaren Vergleichswertes 22

23 nach dem Mapping deutlich größer sind als bei den skalaren Größen Blechdicke und plastische Dehnung. Abbildung 18 zeigt die Differenz der Vergleichsspannungen zwischen den Netzen nach der Übertragung der Umformergebnisse auf das Crash- Netz. Abbildung 18: Differenz der Vergleichsspannungen in Pa zwischen Umformnetz und Crash-Netz nach dem Mapping a) 1.Hauptspannung b) 2.Hauptspannung Abbildung 19: 1. und 2. Hauptspannung jeweils nach der Umformsimulation (oben) und nach dem Mapping auf das Crash-Netz (unten) 23

24 In Abbildung 19 sind die 1. und 2. Hauptspannung an der äußeren Oberfläche der B- Säule dargestellt. Es ist zu erkennen, dass lokale Maxima und Minima bei der Übertragung auf das deutlich gröber vernetzte Crash-Netz stark geglättet werden. Die Abweichungen entstehen durch die Interpolation der Größen auf das gröbere Netz. Das Mapping von tensoriellen Größen scheint - soweit es anhand der skalaren Vergleichsspannung beurteilt werden kann - im Rahmen der durch das Zielnetz vorgegebenen maximalen Auflösung ausreichend genau zu sein. Die Interpretation der gemappten Daten in den nachfolgenden Simulationen führt jedoch teilweise zu Abweichungen, so dass im Einzelfall geprüft werden muss, ob die Daten von der nachfolgenden Simulation richtig interpretiert werden. In der Sensitivitätsanalyse wird geprüft, ob das Übertragen von Spannungen in die Folgesimulationen sinnvoll ist und wie empfindlich die Simulationen auf Abweichungen reagieren Sensitivitätsanalyse Das Ziel der Sensitivitätsanalysen ist es zu ermitteln, welche Ergebnisgrößen einen so großen Einfluss haben, dass sie übertragen werden sollten um eine Genauigkeitssteigerung zu erreichen. Dazu werden sowohl die Umformergebnisse aus der inkrementellen als auch aus der inversen Umformsimulation in alle Folgesimulationen übertragen. Es wurden zunächst für alle Bauteile der Baugruppe (Abbildung 20 a) Umformsimulationen durchgeführt. Die Hauptbauteile B-Säule innen, Verstärkung B-Säule, Verstärkung Stegblech Schweller und Sitzquerträger wurden sowohl mit der inkrementellen Umformsimulation (PAMSTAMP 2G) berechnet (Abbildung 20 b), als auch mit der inversen Simulation (FormingSuite) (Abbildung 20 c). Die kleinen Bauteile (Abbildung 20 c) Schottteil B-Säule, Verstärkung Wagenheberaufnahme und Schottteil Schweller vorn wurden nur mit der inversen Umformsimulation berechnet. Diese Ergebnisse wurden in unterschiedlichen Kombinationen in die nachfolgenden Simulationen übertragen, um zu prüfen ob dadurch die Simulationsergebnisse beeinflusst werden können. Einen Überblick über die untersuchten Varianten gibt Abbildung

25 a) Baugruppe b) Umformsimulation (inkrementell) B-Säule innen Verstärkung Stegblech Schweller Verstärkung B-Säule innen c) Umformsimulation (invers) Schottteil B-Säule Sitzquerträger B-Säule innen Verstärkung Stegblech Schweller Verstärkung Wagenheberaufnahme Verstärkung B-Säule innen Schottteil Schweller Sitzquerträger Abbildung 20: Bauteilumfang 25

26 Die Fügesimulation wurde dazu mit unterschiedlichen Eingangsdaten durchgeführt: 1. Standard Eingangsdaten inkl. Ausgangsblechdicken 2. Standard Eingangsdaten und Blechdicken aus der Umformsimulation 3. Standard Eingangsdaten und plastische Dehnungen aus der Umformsimulation 4. Standard Eingangsdaten, Blechdicken und plastische Dehnungen aus der Umformsimulation Ein Vergleich der Ergebnisse dieser Fügesimulationen hat gezeigt, dass nur bei Berücksichtigung von Blechdicken aus der Umformsimulation die in Abbildung 21 dargestellte Verdrehungsrichtung der Baugruppe richtig vorhergesagt werden kann. Weiterhin führt das Weitergeben der plastischen Dehnungen zu geringen Verbesserungen. Die Spannungen können von dem für die Fügesimulation eingesetzten Weldplanner nicht weiter verwendet werden, so dass eine Übertragung hier nicht sinnvoll ist. In Kapitel 3.3 werden diese Ergebnisse weiterführend beschrieben. a) b) c) Abbildung 21: a) Verdrehungsrichtung im Versuch, b) Simulationsergebnis ohne Umformergebnisse, c) Simulationsergebnis mit Blechdicken und plastischen Dehnungen aus der Umformsimulation Die Ergebnisse der Fügesimulation werden für die mit unterschiedlichen Eingangsdaten durchgeführten Berechnungen jeweils in eine Mapping-Datei geschrieben und für die nachfolgenden Simulationen zur Verfügung gestellt. In der Lacktrocknungssimulation wurden Berechnungen mit den Ergebnissen aus Umform- und/oder Fügesimulationen durchgeführt. Bei der Berücksichtigung von 26

27 Blechdicken, Spannungen und plastischen Dehnungen aus dem Umformprozess konnten an dieser Baugruppe jedoch keine Auswirkungen auf das Beulverhalten der Baugruppe festgestellt werden. Da die betrachtete Baugruppe aus einem Fahrzeug stammt, welches bereits beulfrei produziert wird, war das aber auch nicht zu erwarten. Da während des Trocknungsprozesses im Ofen die Werkstoffe auf Temperaturen erhitzt werden bei denen der Bake-Hardening-Effekt auftreten kann, ist es sinnvoll die dadurch auftretende Verfestigung in die nachfolgende Crash-Simulation weiter zu geben. Weiterführende Informationen zur Lacktrocknungssimulation und zur Übertragung des Bake-Hardening-Effekts in die Crashsimulation sind in Kapitel 3.4 zu finden. Die Crash-Simulation wurde ohne und mit den Ergebnissen der Umform- und Fügesimulation durchgeführt. Anhand der Ergebnisse der Crash-Simulation wird die gesamte Prozesskette bewertet. Die Ergebnisse der Crashsimulation zeigen, dass mit der Berücksichtigung von Blechdicken und plastischen Dehnungen aus Umform- und Fügesimulation die Art des Bauteilversagens in der Simulation näher an der Realität liegt, als ohne Berücksichtigung der Fertigungshistorie. Die Ergebnisse der Crashsimulation werden in Kapitel 3.5 ausführlich dargestellt. Zusammenfassend ist für die Datenübertragung zwischen den Prozessen festzuhalten, dass die Übertragung von Blechdicken und plastischen Dehnungen in die Fügesimulation zu genaueren Simulationsergebnissen führt. Die Übertragung von Ergebnissen in die Lacktrocknungssimulation zeigt dagegen für die betrachtete Baugruppe keine Verbesserung. Die Ergebnisse der Crash-Simulation werden wiederum durch die Übertragung der Blechdicken und plastischen Dehnungen positiv beeinflusst. Zusätzlich kann es sinnvoll sein den aus der Lacktrocknung resultierenden Bake- Hardening-Effekt in die Crashsimulation zu übertragen. Literatur [Zöll04] Zöller, A.; Frank, T. & Haufe, A.: Berücksichtigung von Blechumformergebnissen in der Crashberechnung, 3. LS-DYNA Anwenderforum, 2004, B-I-1bis B-I-12 [Cafo03] Cafolla, J.; Hall, R. W.; Norman, D. P. & Mc Gregor, I. J.: ''Forming to Crash'' Simulation in Full Vehicle Models, 4th European LS-Dyna Users Conference, 2003, 4, E-II-17 - E-II-26 27

28 [Oeck10] Oeckerath, A. & Wolf, K.: Improved Product Design Using Mapping In Manufacturing Process Chains, 9. LS-DYNA Forum, DYNAmore GmbH, 2010 [Peetz03] Peetz, J.-V.; Post, P.; Scholl, U.; Wang, Y.; Wolf, K.; D39Ottavio, M.; Kröplin, B. & Waedt, M.: Verbesserung der Crashvorhersage von Karosseriebauteilen durch Einbeziehung von Ergebnissen aus der Umformsimulation., Symposium 16Simulation in der Produkt- und Prozessentwicklung 17, 2003, [Scho07] Scholl, U.: SCAIMapper Kopplung von Umform- und Crashsimulation 6. LS-DYNA Anwenderforum, DYNAmore GmbH, 2007, 6., H-II-1-H-II-6 [Wallm04] Wallmersperger, T.; Waedt, M.; D'Ottavio, M.; Kröplin, B.; Wolf, K.; Post, P.; Peetz, J.-V. & Scholl, U.: Kriterien zur Bewertung des Mappings von Umform- auf Crashsimulation, 3. LS-DYNA Anwenderforum, DYNAmore GmbH, 2004, D - I - 1 bis D - I - 11 [Shep68] Shepard, D.: A two-dimensional interpolation function for irregularlyspaced data, Proceedings of the rd ACM national conference, 1968, [Wolf09] Wolf, K.; Schilling, R.; Lüthjens, J.; Hunkel, M.; Wallmersperger, T.; Jankowski, U.; Sihling, D.; Wiegand, K.; Zöllner, A. & Heuse, M.: Coupled FEM Calculations - A CAE Tool to Improve Crash-Relevant Automotive Body Components by Local Hardening, 7th European LS-DYNA Conference, DYNAmore GmbH,

29 3.3 Teilprozesskette Umformen und Fügen (ESI) Simulation der Bauteilerzeugung mittels Umformen Die Simulation der Herstellung von Bauteilen aus Feinblech mittels Tiefziehen darf als etablierter Stand der Technik angesehen werden. In diesem Projekt wurde dazu das Programm PAM-STAMP 2G der ESI Group verwendet. Ziel der Umformsimulation für sich betrachtet, ist die Überprüfung der Herstellbarkeit des Bauteils und außerdem die virtuelle Erprobung der gewählten Methode, sowie deren Optimierung. Darüber hinaus ist es möglich, z. B. den Aufsprung des Bauteils durch virtuelle Überbiegung des Werkzeugs zu reduzieren. Im Vordergrund des Projektes stand jedoch weniger die Herstellbarkeit des Bauteils, sondern die Darstellung der durchgängigen Prozesskette und Betrachtung der auftretenden Sensitivitäten. Zur Überprüfung der Herstellbarkeit hat sich die Simulation der Hauptumformstufe bewährt. Die Simulation weiterer Nachform- und Schnittstufen wird bisher von Automobilherstellern als wenig Nutzen bringend angesehen. Dies ist für Zulieferer anders, denn diese müssen das Bauteil in einer vorgegebenen Toleranz anfertigen, die sich heute schon in erster Näherung virtuell überprüfen lässt. Betrachtet man nicht mehr den einzelnen Herstellprozess, sondern die gesamte Herstellprozesskette, so stehen das virtuelle Bauteil und dessen Verbaubarkeit im Fokus. Eine Übertragung der Bauteileigenschaften nur aus der Hauptumformstufe auf die CAD-Form des Bauteils ist machbar, führt jedoch in nicht beschriebenen Bereichen zu biegeschlaffen Zonen. Diese entsprechen dann dem Ausgangszustand des Bleches ohne Änderung der Blechdicke und Kaltverfestigung. Im Projekt wurden daher alle erforderlichen Nachformoperationen und Beschnitte mitgeführt, und somit vollständig umgeformte Bauteile erzeugt (Abbildung 22). Abkanten Verprägen Abbildung 22: Nachformoperationen zur Erstellung virtueller Bauteile 29

30 Ein weiterer wesentlicher Aspekt, der sich nur sinnvoll mit einem über alle Umformstufen erstellten Bauteil betrachten lässt, ist die Rückfederung. Auch für sogenannte kompensierte Bauteile verbleibt nach der Entlastung durch die Werkzeuge ein Auffederungseffekt. Dieser führt bei der üblichen Methode der Datenübertragung zu Abbildungsfehlern zwischen der aufgesprungenen Umformgeometrie und der Zielgeometrie, einem Netz basierend auf CAD-Daten und Lage (Abbildung 23). Ein Weg dies zu umgehen, ist die Vernachlässigung des Aufsprungs, d.h. es wird das Ergebnis nach der letzten Umformstufe ohne Rückfederungsrechnung übertragen. Dies bedeutet ein Verbleiben der Eigenspannungen im Bauteil, sofern diese übertragen werden. Da die Entlastungsrechnung in der Regel nicht zu plastischen sondern nur elastischen Effekten führt, ist der Fehler bei einer Vernachlässigung der Spannungsseite, d.h. der Übertragung von Blechdicken und plastischen Dehnungen, eher als gering anzusehen. 1. und Torsion am Kopf 2. Aufsprung in der Zarge 3. unterschiedlicher Beschnitt Abbildung 23: Abbildungsfehler bei der Datenübertragung (Mapping) Methode der Neuvernetzung Um der Problematik des Aufsprungs zu begegnen wurde im Projekt die Methode der Neuvernetzung entwickelt. Neben der Übertragung der physikalischen Eigenschaften des umgeformten Bauteils, wie Kaltverfestigung, Blechdickenänderung und optional der Eigenspannungen, wird mittelfristig in der Betrachtung der Prozesskette auch die Berücksichtigung der Gestaltänderung eine Rolle spielen. Gestaltänderung ist hier der Unterschied zwischen der CAD-Geometrie des Bauteils nach der Umformung und dem virtuellen Bauteil nach der Umformung. Abbildung 24 verdeutlicht die drei denkbaren Varianten zur Übertragung der Herstellungshistorie, die abstrahiert auf beliebige Kopplungen zwischen Gewerken übertragbar sind. 30

31 CAD Ziehanlage CAD Daten CAD A ohne Entlastung PAM- AUTOSTAMP Umformsimulation Netz umgeformt CAD A Mapping Sysweldnetz CAD A PAM- AUTOSTAMP Rückfederung entlastet Mapping Sysweldnetz Netz entlastet entlastet a) b) c) PANEL SHOP CAD B Mapping Sysweldnetz Route 1 SYSWELD Schweißsimulation SYSWELD Schweiß Verzug Route 2 SYSWELD Schweißsimulation SYSWELD Schweiß Verzug Neuvernetzung SYSWELD Schweißsimulation SYSWELD Spannen SYSWELD Schweiß Verzug Abbildung 24: Übertragung der Umformhistorie in die Schweißsimulation: a) und b) ohne Berücksichtigung der Gestaltänderung und c) mit Gestaltänderung Als Referenzprozess lässt sich heute mit einer überschaubaren Methode die aktuelle Bauteilgeometrie des entlasteten Bauteils aus Gewerk A in ein Gewerk B überführen. Das Eingangsnetz für Gewerk B kann also auf Basis von Bauteil A generiert werden und damit können auch die Daten ohne Abbildungsfehler übertragen werden. Zur Darstellung der Methode wurde im Projekt das Programm PanelShop der Firma icapp verwendet. Aus dem Lageunterschied der Netze zwischen der letzten Umformstufe und nach der Entlastungsrechnung wird ein Verschiebungsfeld ermittelt, dass PanelShop nutzt, um die CAD-Bauteilgeometrie zu überbiegen und damit in die Lage des aufgefederten Bauteils zu bringen (Abbildung 25). Diese aktualisierte Bauteilgeometrie wird dann mit dem Eingangsnetz für Gewerk B neu vernetzt und an- 31

32 schließend die Herstellungshistorie aus Gewerk A ohne Abbildungsfehler darauf übertragen (gemappt). Damit ist ein wesentliches Modul für die End to End Prozesskettensimulation verfügbar, das der Gestaltabweichung in adäquater Weise Rechnung trägt. + + CAD Bauteil Umformnetz Verschiebungsfeld CAD Bauteil entlastet Abbildung 25: Mit PanelShop (Fa. icapp) generierte CAD-Daten des entlasteten Bauteils als Basis zur Neuvernetzung Alternativ wurde im Programm PAM-STAMP 2G ein Mapping von Netz B auf Netz A betrachtet. Dies war jedoch nicht zielführend, da in PAM-STAMP bisher nur eine lineare Projektion implementiert ist. Diese führt für einen Bauteilbereich mit vertikaler Projektionsrichtung zu Verzerrungen (Abbildung 26). Eine Verbesserung würde hier eine Projektion unter Berücksichtigung der jeweiligen Elementnormalen ergeben. Dies sollte aber durch ein vorheriges Einschwimmen von Netz A zu B ergänzt werden. So wie es auch im SCAIMapper möglich ist. Denn selbst wenn sich beide Netze in Fahrzeuglage befinden, kann der Aufsprung durch die Lagerbedingungen zu einer Verschiebung eines Bauteils führen. 32

33 Abbildung 26: Mögliche Projektionsfehler bei linearer Projektion von Netz A auf Netz B Untersuchte Baugruppe Von der untersuchten Schweiß-Baugruppe Seitenwandrahmen vorn wurden drei Hauptbauteile für die inkrementelle Umformsimulation ausgewählt und drei Zusatzbauteile mit geringer Umformung wurden mittels Onestep-Simulation betrachtet. Hinzu kommen für die Schweißung noch zwei Gewindeplatten und ein weiteres Bauteil, um den Zusammenbau mit dem Serienstand vergleichbar zu machen (Abbildung 27). 33

34 Hauptbauteile jeweils in rot dargestellt Zusatzbauteile Säule B innen Verstärkung Säule B Verstärkung Stegblech innen Schweller innen Verstärkung A-Säule nur als CAD-Daten eingefügt Schottteil Säule B Verstärkung Schottteil Schweller vorn Wagenheberaufnahme Abbildung 27: Untersuchte Schweiß-Baugruppe Sensitivität der Datenübergabe in Relation zur Netzfeinheit Für das VIPROF-Projekt wurde die durchgängige Verwendung von Netzen mit Schalenelementen festgelegt. Diese haben dann noch unterschiedliche Elementformulierungen, sind aber im Wesentlichen durch vier Knoten bestimmbar. Trotzdem existieren je nach physikalischem Schwerpunkt der einzelnen Gewerke unterschiedliche Netzausprägungen hinsichtlich der Feinheit und betrachteter Teilbereiche. Dies zeigt Abbildung 28 mit dem Netz aus der Umformung mit verfeinerten Radienbereichen, dem Schweißnetz mit Nahtbereichen und dem typischen 5 mm Crashnetz. Umformen Schweißen Crash Abbildung 28: Unterschiedliche Netzausprägungen 34

35 Um die Sensitivität der Datenübertragung in Relation zur Netzausprägung zu untersuchen, wurden die wesentlichen drei Mappinggrößen: Blechdicke, plastische Dehnung und Spannungstensor in PAM-STAMP 2G jeweils vom Umformnetz auf das Schweiß- und Crashnetz gemappt. Für die betrachteten Bauteile ergab sich eine gute Übertragbarkeit der Blechdicken und mit kleineren Verlusten auch der plastischen Dehnungen (Abbildung 30). Eine deutliche Abnahme der oberen Spannungswerte und damit verbundene Nivellierung der Spannungen zu niedrigeren Niveaus zeigte sich bei der Übertragung der Spannungstensoren. Abbildung 30 zeigt dies anhand der Gegenüberstellung der Vergleichsspannungen nach dem Mapping. Deutlicher noch wird dies über eine Betrachtung der Histogramme, die die statistische Verteilung der Spannungen auf den jeweiligen Netzen darstellt (Abbildung 31). Stamp Weld Crash Stamp Weld Crash Abbildung 29: Einfluss der Netzausprägung auf die Übertragung der Blechdicken (links) und plastischen Dehnungen (rechts) vom Tiefziehen zum Schweißen und zum Crash Im Projekt wurden in erster Linie die Übertragung der Blechdicken und plastischen Formänderungen betrachtet. Die Eigenspannungen schienen nicht nur wegen der Verluste bei der Übertragung der Spannungstensoren für den betrachteten Zusammenbau nicht relevant zu sein, sondern auch weil dieser mit MAG- und Laser- Linienschweißungen robust verbunden wurde. Interessanter wäre die Berücksichtigung der Eigenspannungen für die Untersuchung von punktgeschweißten Zusammenbauten, die bekannterweise sensibler gegenüber eingebrachten Vorspannungen sind. 35

36 Stamp Weld Crash Abbildung 30: Einfluss der Netzausprägung auf die Übertragung der Vergleichs- spannungen vom Tiefziehen zum Schweißen und zum Crash 36

37 Stamp Weld Crash Abbildung 31: Verluste bei der Übertragung von Spannungstensoren Simulation des Schweißverzugs mit dem Weld Planner Mit dem Programm Weld Planner wurde das Fügen der Baugruppe Seitenwandrahmen vorn hinsichtlich des auftretenden Verzuges simuliert. Abbildung 32 verdeutlicht die Lage der Nähte und die beiden eingesetzten Schweißverfahren. Als Lagerbedingung nach der Abkühlung wurden die von VW bereitgestellten RPS- Punkte verwendet (Abbildung 33). Das Referenzpunktesystems (RPS) umfasst u.a. die Maßbezüge und Positionierungen für Bauteile und Schweißgruppen und wird im CAD festgelegt. Die virtuelle Schweißung beschränkt sich beim Weld Planner auf die Einbringung der Prozesswärme an den jeweiligen Fügestellen und in der vom Anwender vorgegebenen Schweißreihenfolge. Sie gibt wesentliche Hinweise zur Optimierung der Schweißnahtlage und Reihenfolge. 37

38 Abbildung 32: Laserschweißnähte (a) und MAG-Schweißnähte (b) der Baugruppe Abbildung 33: RPS-Spannpunkte der Messaufnahme Sensitivität des Schweißverzugs hinsichtlich der aus der Fertigungshistorie übertragenen Größen In der Sensitivitätsanalyse zum Schweißverzug wurde der Einfluss des Übertragens unterschiedlicher Ergebnisgrößen und des Einsatzes verschiedener Berechnungsmethoden zur Simulation des Tiefziehens verglichen. Neben der Simulation mit dem inkrementellen Berechnungsprogramm PAM-STAMP 2 G wurde der inverse Einschrittlöser (Onestep-Solver) FTI FormingSuite eingesetzt. Betrachtet wurden jeweils die drei Hauptbauteile, die entweder inkrementell oder invers simuliert wurden. Die Zusatzbauteile wurden für die Umformung jeweils nur invers berechnet. Dazu wurde 38

39 zum Vergleich noch der Schweißverzug auf Basis der CAD-Daten ohne Fertigungshistorie einbezogen. Untersucht wurden die in Tabelle 3 aufgeführten Varianten. Variante Simulationtool Software Blechdicke plastische Dehnung Haupbauteile Nebenbauteile 0 WeldPlanner nur CAD nur CAD - - 1a WeldPlanner PAM-STAMP 2G nur CAD x - 1b WeldPlanner PAM-STAMP 2G nur CAD - x 1c WeldPlanner PAM-STAMP 2G nur CAD x x 2a WeldPlanner FTI FormingSuite nur CAD x - 2b WeldPlanner FTI FormingSuite nur CAD - x 2c WeldPlanner FTI FormingSuite nur CAD x x 3a WeldPlanner PAM-STAMP 2G FTI FormingSuite x x 3b WeldPlanner FTI FormingSuite FTI FormingSuite x x 4 WeldPlanner PAM-STAMP 2G nur CAD x x Neuvernetzung Tabelle 3: Varianten des Mappings der Herstellungshistorie aus der Umformung Im Folgenden werden wesentliche Ergebnisse beispielhaft aufgezeigt. Der Vergleich des Übertragens einzelner Ergebnisgrößen, wie dem Blechdickenverlauf und der plastischen Dehnung, ergab, dass die alleinige Übertragung der plastischen Dehnungen nicht sinnvoll ist. Während die alleinige Übertragung der Blechdicke für eine gute Ergebnisübereinstimmung mit den Messungen hinreichend sein kann. Dieses Phänomen lässt sich mit dem dominanten Einfluss der Blechdicke auf die Steifigkeit des Zusammenbaus erklären. Die Beulsteifigkeit kann je nach Geometrie bis in die 2. oder 3. Potenz von der Blechdicke abhängig sein. Dies dokumentiert beispielhaft die Abbildung

40 Verschiebungen in y-richtung Mit beiden Größen Nur Blechdicken Nur plastische Dehnung Abbildung 34: Übertragung unterschiedlicher Größen. Hauptbauteile und Zusatzbauteile invers simuliert Eine Gegenüberstellung der untersuchten drei Hauptbauteile mit inkrementeller und inverser Simulation zeigt, dass für den betrachteten Fall der Verzug basierend auf der inversen Umformung etwas stärker ist, als der der inkrementellen Simulation (Abbildung 35). Dies ist damit zu erklären, dass die inverse Umformung, wie von Volkswagen berichtet, zum Teil geringere Umformgrade erzielt. Die Richtung und der Trend des Verzugs sind bei beiden Methoden identisch. Verschiebungen in y-richtung Hauptbauteile inkrementell und Zusatzbauteile invers simuliert Alle Bauteile invers simuliert Abbildung 35: Schweißverzüge der inkrementellen und inversen Simulation der Umformung im Vergleich 40

41 Da der betrachtete Schweiß-Zusammenbau einem Serienstand entspricht, ist der auftretende Verzug sehr gering und damit eine Aussage über die Güte der Ergebnisse nur eingeschränkt möglich. Auf der Grundlage der von Volkswagen durchgeführten Vergleichsstudie zur Güte inverser Simulationen kann angenommen werden, dass die Resultate in der vorliegenden Form repräsentativ sind. So dass in der frühen Phase Onestep-Simulationen zur Planung der Schweißmethode mit ausreichender Genauigkeit eingesetzt werden können. Die Frage nach der Notwendigkeit der Berücksichtigung von Umformergebnissen für die richtige Vorhersage des Schweißverzugs wurde mit der Variante 0 (Tabelle 3) betrachtet. Eine Gegenüberstellung der Messergebnisse mit der Simulation des Schweißverzugs ohne Berücksichtigung der Fertigungshistorie ergab für diese Baugruppe abweichende Resultate hinsichtlich des Verzugs und der Verdrillungsrichtung (Abbildung 36). Beide Ergebnisgrößen des Schweißverzugs wurden demgegenüber von der Variante mit Übernahme der Blechdicken und plastischen Formänderungen für die betrachteten Bauteile dem Messergebnis vergleichbar dargestellt. Die Vermessung der Schweißbaugruppe bei VW (Abbildung 72) ergab eine gute Übereinstimmung mit der Simulationsvariante mit Berücksichtigung der vollständigen Fertigungshistorie sowie nur der Blechdicke (siehe Kapitel , Abbildung 72 und Abbildung 73). Abbildung 36: Schweißverzug mit Basis CAD-Daten (links), Blechdicken (mitte) und Umformhistorie (rechts); Verschiebungen in Y-Richtung (normal zur Ansichtsrichtung) 41

42 3.3.7 Schweißverzugssimulation mit der Methode der Neuvernetzung Die Notwendigkeit der Untersuchung des Einflusses der Auffederung am Ende der Umformung verdeutlicht Abbildung 37. Die in Tabelle 3 aufgeführte Variante der Neuvernetzung wurde im Rahmen des VIPROF-Projektes entwickelt und exemplarisch untersucht. Basierend auf der aufgesprungenen Bauteilgeometrie (siehe Abschnitt 3.3.2) wurde ein neues Netz für die Schweißverzugssimulation erstellt und die Ergebnisse des entlasteten Bauteils aus der Umformung darauf übertragen. CAD-Bauteilgeometrie Werkzeugentwurf Umformsimulation Rückfederungsrechnung Route 1 Route 2 Aufgabenstellung: Übertragen der Umformergebnisse (Spannungen, plastische Dehnungen, Blechdickenverteilung) aus dem Umformen auf ein entsprechendes Modell für eine Fügesimulation thermisch oder mechanisch Route 1 Geometrisch passendes Mapping mit Eigenspannungen im Modell Route 2 Mappen des entlasteten Bauteils mit geometrischer Abweichung Simulation des Fügens Neuvernetzung Route 3 Route 3 Mappen des entlasteten Bauteils auf ein kongruentes, dediziertes Netz zum Fügen. Im Fügen ist ggf. ein Spannvorgang erfoderlich Abbildung 37: Mögliche Vorgehensweisen zum Übertragen der Herstellungshistorie in die nachfolgende Fügesimulation Der Unterschied der in Abbildung 38 dargestellten Ergebnisse für Route 1 und 2 ist relativ gering, was auf die im Projekt gewählte Vernachlässigung der Spannungstensoren beim Mapping zurückzuführen ist. Betrachtet man aber das deutlich abweichende Ergebnis der Methode der Neuvernetzung, bei der das Bauteil beim Fügen aufgrund der Lageabweichung gespannt werden muss, so ist der Verzug für dieses Bauteil aus der Baugruppe sogar geringer ausfallend. Daraus ergibt sich die Frage, wie sich das Verhalten anderer Baugruppen mit dieser erweiterten Betrachtungsweise darstellt. Da dies im Projekt nicht weiter geklärt werden konnte, soll an dieser Stelle die Fortführung der Untersuchung der vorgeschlagenen Methode der Neuvernetzung im Rahmen anderer Förderprogramme angeregt werden. 42

43 Die darüber hinaus interessierende Fragestellung ist, ob die Route 1 bei zusätzlicher Berücksichtigung der Spannungstensoren eine hinreichende Lösung darstellen könnte. Wäre so der Aufwand der Neuvernetzung vermeidbar? Nicht zuletzt ließe sich auch die Variante der direkten Projektion des Fügenetzes auf das aufgefederte Umformnetz verbessern und damit eine einfachere Lösung schaffen. Min: 0,003 Max: 0,932 Min: 0,003 Max: 0,946 Min: 0,001 Max: 0,596 Route 1 Route 2 Route 3 Abbildung 38: Ergebnis der Neuvernetzung mittels Flächenrückführung Verformung [mm] in Normalenrichtung unter RPS Spannbedingungen 3.4 Simulation der Lacktrocknung in der Prozesskette (CADFEM) Als wichtige Voraussetzung und als Bestandteil der betrachteten Prozesskette kann das Trocknungsmodul des VirtualPaintShop (VPS/DRY) von CADFEM genannt werden. Es hat sich bei Firmen wie AUDI und BMW im Bereich der lackiergerechten Konstruktion etabliert, um eine Simulation der Lacktrocknung von Autokarosserien in großen Trocknungsöfen durchzuführen. Zwischen den einzelnen Lackierschritten ist jeweils eine Trocknung des Lackes erforderlich, wobei die Bauteile aufgeheizt und anschließend über eine vorgegebene Zeitdauer auf einem bestimmten Temperaturniveau gehalten werden. Mit VPS/DRY kann das Aushärten von Lacken auf Wasserbasis in diesem thermischen Trocknungsvorgang simuliert werden. Denn im Gegensatz zu lösemittelbasierten Lacken, die selbst nachtrocknen, ist bei wasserbasierten Lacken eine Vernetzung nur durch Aufheizung möglich. Lackanteile, die beim Trocknen nicht aushärten, können später nicht nachhärten. Falls im Trockner die Mindesttemperatur und -haltezeit unterschritten oder eine obere Grenztemperatur und -haltezeit überschritten werden, sind Qualitätsmängel zu erwarten. Mit VPS/DRY können kritische Stellen von Bauteilelackierungen ausgemacht sowie die Lackierund Trocknungsvorgänge entsprechend vorausgeplant und optimiert werden. 43

44 Im Projekt VIPROF wurde die Lacktrocknungssimulation in die Prozesskette mit aufgenommen, um den Einfluss vorgelagerter Fertigungsschritte auf das Verhalten der Karosserie im Trocknungsofen zu überprüfen. Auch der Einfluss von Effekten, die bei der Lacktrocknung auftreten, wie z. B. des Bake-Hardening-Effektes, auf das Crash- Verhalten waren von Interesse Ergebnisse der Sensitivitätsanalyse CADFEM hat eine Sensitivitätsanalyse der Lacktrocknung durch eine begleitende Eigenwertanalyse vorgenommen, um die Sensitivität des Ofenprozesses bezüglich Einflüssen aus dem Umform- und dem Fügeprozess zu bewerten. Dicken, Spannungen und Dehnungen aus dem Umformen und Fügen wurden in verschiedenen Zusammenstellungen in der Trocknungssimulation VPS/DRY berücksichtigt. Für die VPS/DRY Simulation wurden gleichmäßig vernetzte Crash-Netze der VW AG verwendet. Vereinfachungen an den Karosseriemodellen zur Beschleunigung der Berechnungen in der Mechanik wurden durch Weglassen von Türen und Klappen sowie durch Betrachtung halber Modelle mit Symmetriebedingungen vorgenommen, wie in Abbildung 39 gezeigt. Die Berechnungsvarianten sollten Rückschlüsse erlauben, wie stark Spannungen und Dehnungen aus der Vorgeschichte das Berechnungsergebnis bei der Trocknung beeinflussen. Abbildung 39: Entkerntes Halbmodell für die begleitende Eigenwertanalyse Das Vorgehen zur Durchführung des mechanischen Verfahrens der begleitenden Eigenwertanalyse (engl. mode tracking) zur Erkennung von Beulgefahren ist in Abbildung 40 gezeigt. Die Analyse beruht darauf, dass sich unter der thermischen Last der Aufheizung und Abkühlung im Ofen der Spannungszustand von Blechen und Strukturen verändert, was einen Einfluss auf die Eigenfrequenzen der Bauteile hat. 44

45 Als begleitende Eigenwertanalyse ermittelt CADFEM die Veränderung der Eigenfrequenzen unter der Temperaturlast im Trocknungsofen. Von besonderem Interesse sind sprunghafte Änderungen, da dann die Gefahr plastischer Verformungen durch Beulen der Struktur besteht. Solche sprunghaften Änderungen sind beispielhaft für eine Blechwanne in Abbildung 41 anhand eines Aufheizvorganges gezeigt. Im Projekt wurde die Methodik der begleitenden Eigenwertanalyse verfeinert und automatisiert. Temperaturberechnung in VPS/DRY Mechanische Berechnung mit Temperaturrandbedingungen Vorgespannte Modal- analyse Mode Tracking Abbildung 40: Begleitende Eigenwertanalyse zum Erkennen einer Beulgefahr Eine Herleitung und Erläuterung dieses Sachverhaltes findet man der Literatur z. B. bei W. Rust, Nichtlineare Finite-Elemente-Berechnungen, Vieweg + Teubner Verlag, Abschnitt Modalanalyse (Eigenfrequenzanalyse) und Stabilitätsprobleme sowie Abschnitt Begleitende Eigenwertanalyse. Die folgenden Absätze enthalten Anlehnungen und Zitate aus dem genannten Buch. Ein Beispiel für den Einfluss des Spannungszustandes auf die Eigenfrequenz kennt man aus der Spannung einer Saite eines Musikinstrumentes. Durch Änderung der Spannung in der Saite wird das Instrument gestimmt. Bei Biege- oder Druckspannungen sinkt die Eigenfrequenz. Im Falle eines Stabilitätsproblems kann das System ausgelenkt werden, ohne dass es nach Wegnahme der Last hier in Form der inhomogen verteilten Temperaturdehnungen in die vorherige Lage zurückkehrt. Eine Eigenfrequenz zu diesem Verformungsmuster wird zu Null. Werden Eigenwerte begleitend zur Last aufgetragen, erlaubt der Verlauf der Eigenwerte Rückschlüsse auf das Stabilitätsverhalten, wenn sich zwei Kurven eines Untersuchten Bereiches kreuzen oder zu Null werden. 45

46 Abbildung 41: Begleitende Eigenwertanalyse (rechts) bei einem stark zum Beulen neigenden Bauteil (nicht VW-Touran) Da die Steifigkeiten einer Struktur und die Wärmekapazität durch die Blechdickenverteilung beeinflusst werden, hat CADFEM die Einflüsse des Umformens auf das Verhalten der Karosserie beim Trocknen nach der Lackierung untersucht. Aus Onestep-Berechnungen bei Volkswagen wurden Blechdicken in die Lacktrocknungssimulation VPS-DRY importiert. Der Transfer erfolgte exemplarisch auch über das vereinbarte Zwischenformat (M01) unter Verwendung des SCAIMappers. Aus den Untersuchungen an den Musterbauteilen des VW Touran ist festzuhalten, dass im Verlauf der Eigenwerte während des Trocknungsvorgangs zwar Unterschiede zwischen konstanter und variabler Blechdicke ausgemacht werden konnten, wie in Abbildung 42 gezeigt, dass diese Unterschiede jedoch nicht signifikant waren. Damit sind in der B-Säule keine kritischen Bauteile enthalten, die zum Beulen führen könnten. Außerdem nimmt die Beulneigung durch Übertragung von Blechdickenverteilungen aus der Umformsimulation nicht zu. Damit konnten bei den Untersuchungen am VW Touran keine Beulgefahren identifiziert werden, was daran liegt, dass es sich um ein ausgereiftes Serienfahrzeug handelt. Da die Berücksichtigung der Umformhistorie aber rechentechnisch die Simulation weder vergrößert noch verlangsamt ist es ratsam die Dicken zu berücksichtigen. Bei Neukonstruktionen ist zu erwarten, dass mehr Beulneigungen bestehen. Die Biegesteifigkeit ist in der dritten Potenz abhängig von der Blechdicke. Damit kann bei festgestellter Beulneigung die Blechdicke als Modellfehler ausgeschlossen werden. 46

47 Abbildung 42: Begleitende Eigenwertanalyse während der Trocknungssimulation der B-Säule unter Verwendung konstanter Blechdicken (links) und bei Übertragung der Blechdickenverteilung aus dem Umformen (rechts) Das unkritische Verhalten der B-Säule gegenüber Beulen zeigte sich auch auf einem virtuellen Teststand (siehe Abbildung 43), mit dem Sensitivitäten hinsichtlich der Übertragung von Ergebnissen aus vorgelagerten Prozesssimulationen aufgezeigt werden können. Anhand der unten fixierten und oben künstlich belasteten B-Säule können die Einflüsse von linearem vs. nichtlinearem Materialgesetz bzw. von konstanten vs. variablen Blechdicken aus der Umformsimulation untersucht werden. Indem sehr hohe Belastungen bis in den Bereich der Plastizität aufgegeben werden, kann der Einfluss der Umformhistorie auf die begleitende Eigenwertanalyse gezeigt werden. Zunächst diente dies zur Verifikation der Vorgehensweise. Gleichzeitig zeigt es aber auch die Anwendbarkeit bei anderen Belastungen auf. 47

48 Abbildung 43: Sensitivitätsanalyse der B-Säule im virtuellen Teststand. Ein Angriffspunkt ist gelagert, auf den anderen werden steigende Belastungen aufgebracht, bis sich Auswirkungen in der begleitenden Eigenwertanalyse zeigen. Die Ergebnisse einer zunehmenden Belastung der B-Säule im virtuellen Prüfstand zeigt Abbildung 44, wobei die Kurven für konstante bzw. variable Dicke nahe beieinander liegen. Dies zeigt einen gewissen, aber im vorliegenden Fall nicht gravierenden Einfluss der Blechdicken auf die Eigenfrequenzen. Größere Veränderungen der Eigenfrequenzen würden auf Beulen oder Durchschlagen hindeuten. Diese Ergebnisse wurden für ein nichtlineares Materialgesetz erzielt, das die elastische und die plastische Fließgrenze beinhaltet. Durch diese Nichtlinearität kann eine Verfestigung aus der Umformsimulation bzw. eine Änderung der Fließgrenze berücksichtigt werden. 48

49 Abbildung 44: Begleitende Eigenwertanalyse der B-Säule im virtuellen Prüfstand mit steigender Belastung (Dargestellt sind die Verläufe von Eigenfrequenzen über den Lastschritten, jeweils für ein Modell mit und ohne Berücksichtigung der Blechdickenverteilung.) Untersuchung von Einflüssen des Bake-Hardening-Effektes Die Ausprägung des Bake-Hardening-Effektes (Reckalterung) hat einen Einfluss auf die Crash-Eigenschaften der Karosserie. Wie stark dieser Effekt ausgeprägt ist wird vom Ofenprozess bei der Lacktrocknung mitbestimmt. Daher lag es nahe, in der Trocknungssimulation VPS/DRY die Festigkeitssteigerung im Trocknungsofen durch den Bake-Hardening-Effekt zu untersuchen. Bei dem mit Bake Hardening bezeichneten Effekt findet im Trockner bei Temperaturen über C im Metallgefüge eine Kohlenstoffdiffusion an freie Gitterversatzstellen sehr viel schneller statt, als bei Raumtemperatur. Durch den Ofenprozess wird somit eine Festigkeitssteigerung erzielt und die Fließgrenze ohne Gefügeumwandlung hinaufgesetzt. Diese Festigkeitssteigerung kann mit Hilfe von VPS/DRY bewertet werden. Der Bake-Hardening-Effekt kann dann aus der Trocknungssimulation VPS/DRY in das Crash-Modell übertragen werden. Aus Materialdatenblättern ist bekannt, dass z. B. für die Stahlsorte CPW800 der Bake-Hardening-Status erfüllt wird, wenn eine Haltezeit von 20 Minuten bei über 170 C erreicht wird. Die Zugfestigkeit des Werkstof fes kann von einem Wert von 800 MPa im Mittel um 70 MPa erhöht werden. Die Erhöhung ist abhängig von der 49

50 Verweilzeit des Materials auf einem Temperaturniveau. Während sich in Simulationen unterhalb dieses Temperaturniveaus keine so stark ausgeprägten inhomogenen Verteilungen der Haltezeit zeigten, änderte sich die ungleiche Verteilung für Temperaturen über 175 C deutlich, wie aus Abbildung 45 a m Außenblech der B-Säule erkennbar. Abbildung 45: Darstellung der Haltezeit in Sekunden auf einem bestimmten Temperaturniveau zur Untersuchung der Einflüsse von Bake-Hardening Ferner zeigt Abbildung 45, dass sich gerade in den Punkten der Lasteinleitung bei den Scharnieren eine geringere Haltezeit auf den jeweils betrachteten Temperaturniveaus einstellt. Dies ergibt sich aufgrund der Wärmekapazität der an diesen Stellen angebrachten, relativ massiven Scharniere. Ist die Verfestigung aufgrund des unvollständig ausgeprägten Bake-Hardening-Effektes hier geringer, könnte sich dies also überproportional auf die Steifigkeit der gesamten Konstruktion auswirken. In Kooperation mit VW wurden für verschiedene Stähle Excel-Dateien mit Fließkurven für die Simulation hinterlegt. Abhängig von verschiedenen Bake-Hardening- Zuständen (0% bis 100%) ergeben sich unterschiedliche Spannungs-Dehnungs- Diagramme. Der Bake-Hardening-Status, der mit der Material-ID verknüpft wird, wurde im LS-DYNA Format verfügbar gemacht. Ergebnisdateien können direkt aus VPS/DRY geschrieben werden. Eine knotenbasierte Datenablage wurde für die Temperaturen als Funktion der Zeit realisiert, da die Temperatur als Freiheitsgrad der 50

51 Simulation an den Knoten ermittelt wurde und so kein Informationsverlust entsteht. Für die Haltezeiten sind die Ergebnisse elementbasiert abgelegt, weil die Umrechnung der Haltezeit in einen Bake-Hardening-Status auf Elementebene erfolgte. Die Haltezeit muss nicht notwendigerweise abgelegt werden, da diese aus den Temperaturergebnissen nur abgeleitet wird Spannung (BH0) Spannung (BH1) Spannung (BH2) Spannung (BH3) Spannung (BH4) Spannung (BH5) Spannung (BH6) Spannung (BH7) Spannung (BH8) Spannung (BH9) Spannung (BH10) ,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 Abbildung 46: Unterschiedliche Bake-Hardening-Zustände, die aus verschiedenen Haltezeiten und Temperaturniveaus resultieren Um den Einfluss im Rahmen des Projektes exemplarisch aufzuzeigen wurde die Ausprägung des Bake-Hardening-Effektes linear abhängig zur Haltezeit oberhalb eines definierten Temperaturniveaus angenommen. Weiterhin wurde die mittlere Verfestigung aufgrund des Bake-Hardening proportional zur Ausprägung des Bake- Hardening-Effektes ansteigend angenommen. In 10 Stufen unterteilt ergeben sich unter diesen Annahmen Spannungs-Dehnungs-Kurven wie in Abbildung 46 gezeigt. BH0 Steht dabei für Material ohne Bake-Hardening-Effekt, BH10 für den voll ausgeprägten Effekt. 51

52 Abbildung 47: Unterschiedliche Materialeigenschaften aufgrund verschiedener Temperaturniveaus im Trocknungsofen Abbildung 47 zeigt die Verteilung der unterschiedlichen Materialkennungen am Verstärkungsblech der B-Säule mit den Temperaturgrenzen 170, 175 und 180 C als Basis zur Ermittlung der Haltezeit. Dargestellt ist jeweils das Ausgangsnetz der VPS/DRY Simulation und ein verfeinertes Netz für spätere Anwendungen. In der Simulation wurden die unterschiedlichen Bake-Hardening-Bereiche durch verschiedene Materialkennungen abgebildet. Die Übergabe des Bake-Hardening-Status an die Crash-Simulation kann in Form einer virtuellen plastischen Vergleichsformänderung oder einer je nach Status zugewiesenen Spannungs-Dehnungs-Kurve erfolgen. Häufig wird es so sein, das VPS/DRY und die Crash-Simulation das gleiche Netz verwenden und so nur eine Übertragung der Ergebnisse erforderlich ist. Im Projekt VIP- ROF war es sinnvoll für spätere Detailuntersuchungen ein feineres Netz zu verwenden. Da die Ausgangsbasis und Lage für das Netz aber identisch war, ist der Ergebnisübertrag auf die Neuvernetzung sogar innerhalb von VPS/DRY automatisiert möglich. Umformsimulation M apping Mapping Mapping Lacktrocknungssimulation Fügesimulation Crashsimulation Format_1 XML Fo rmat_2 XML Form at_3 XML Format_4 XML-K onverter Abbildung 48: Ergebnisübertragung durch Mapping oder innerhalb eines XMLbasierten Datenträgernetzes 52

53 Die Ergebnisübertragung kann aber auch über einen XML-basierten Mapping- Prozess erfolgen, der momentan noch manuell gestützt wird. Vom Kooperationspartner TU Berlin wurde ein sog. XML-Konverter programmiert, der die Ausgabeformate der im VIPROF-Projekt eingesetzten Simulationsprogramme (vorzugsweise.m01-format) einheitlich in das XML-Format überführen kann (siehe Abbildung 48). So können Bauteileigenschaften mit Berücksichtigung des Bake-Hardening auf das Zielnetz, z. B. für eine Crash-Simulation oder einen virtuellen 3-Punkt-Biegeversuch, übertragen werden. Der Bake-Hardening-Effekt kann in der Simulation durch Variation der Haltetemperatur in seiner Robustheit bewertet werden, um z. B. im Fall von Materialanhäufungen im Bereich von angeschweißten Scharnieren eine zu geringe Reckalterung zu vermeiden oder um herauszufinden, ob eine unvollständige Ausprägung des Bake-Hardening-Effektes bezüglich der Anforderungen aus der Crash- Simulation toleriert werden kann. Im VIPROF-Projekt wurden keine tensoriellen Größen aus vorgelagerten Prozessen in der mechanischen Analyse unter der Temperaturlast im Ofen berücksichtigt. Die für die Berücksichtigung der plastischen Vergleichsformänderung verwendete INIS- TATE-Funktion von ANSYS kann aber auch dazu verwendet werden. So kann wie in Abbildung 49 gezeigt der Spannungszustand aus einer Teillösung in eine weitere Teillösung übertragen werden. Richtig ist ein solches Vorgehen, falls keine geschlossene Lösung der beiden Lastschritte möglich oder gewollt ist und die Konfiguration nach dem ersten Lastschritt die Startkonfiguration des folgenden Lastschrittes ist. Abbildung 49: Mechanik-Simulation von Be- und Entlastung mit INISTATE Zusammenfassung der Ergebnisse von CADFEM Im Teilvorhaben von CADFEM ist ein Verfahren entstanden, mit dem die Beulneigung von Baugruppen oder einzelnen Blechen unter Berücksichtigung der Umformhistorie und im Zusammenhang mit der ganzen Karosserie identifiziert werden kann. Der Bedarf, den Ort einer Beulneigung belastbarer vorhersagen zu können, ist eine Motivation, das zugrunde liegende FE-Modell mit den Einflüssen aus der Herstellung zu verbessern. 53

54 Zur Definition von Ampelkriterien für die Lacktrocknungssimulation innerhalb des Modul-Cockpits ist sowohl ein Erreichen der geforderten Prozesstemperaturen, als auch das Einhalten der Haltedauern für diese Temperaturen erforderlich. Alle direkt aus der Temperatur ableitbaren Kriterien können ähnlich, einfacher oder komplexer wie das sog. Einbrennfenster des jeweiligen Lackes (siehe Abbildung 50) bestimmt werden. Eine Klassifizierung in Anforderungen erfüllt oder nicht erfüllt ist damit möglich. Die Methoden zur Automatisierung der begleitenden Eigenwertanalyse und damit die weitgehend automatisierte Identifikation der Beulneigung stellen dies auch für die Verformung der Karosserie im Trocknungsprozess in Aussicht. Abbildung 50: KTL-Einbrennfenster (beispielhaft für DuPont) Als Ergebnis der Sensitivitätsanalyse Umformen Lackieren ist festzuhalten, dass ein gewisser Einfluss der Übertragung der Blechdicken aus dem Umformen auf den Verlauf der Eigenwerte besteht. Im Projekt konnte jedoch kein Einfluss auf die Beulanfälligkeit der untersuchten Bauteile nachgewiesen werden. mit der Übertragung der plastischen Vergleichsdehnungen konnte an den untersuchten Bauteilen keine Änderung des Verhaltens identifiziert werden, da die Belastung mit den inhomogen verteilten Temperaturdehnungen die Fließgrenze nicht erreicht hat. Für nachgelagerte Prozesse wurde die Bedeutung der Kopplung der Lackiersimulation an die Prozesskette anhand der Übertragung des inhomogen ausgeprägten Bake-Hardening-Effektes aus der Lacktrocknung gezeigt. Dieser Effekt hat einen Einfluss auf das Crash-Verhalten. Ein Export von inhomogenen Bake-Hardening- Verteilungen aus der Trocknungssimulation wurde erfolgreich durchgeführt. 54

55 3.5 Abgleich der Simulationsprozesskette an Praxisbeispielen (VW) Volkswagen hat in das Projekt die Anforderungen eines Automobilherstellers an das Simulationsdatenmanagement eingebracht und war an der Durchführung von Sensitivitätsanalysen und der Erarbeitung eines XML-basierten Datenaustauschformates 2 beteiligt Katalog gewerkespezifischer Eingangsgrößen Um die Kopplung von Daten und Prozessen vorzubereiten, wurde von Volkswagen ein Katalog gewerkespezifischer Eingangsgrößen aufgestellt. Dazu wurde eine Struktur erarbeitet, die eine Kategorisierung in Materialdaten, Geometriedaten und Prozessparameter vorsieht. Diese Struktur ist in Abbildung 51 gezeigt. Der Katalog wurde prozessspezifisch aufgebaut und umfasst die für die einzelnen Simulationsstufen notwendigen Eingangsdaten. Tabelle 4 zeigt einen groben Auszug aus dem Katalog, der im Verlauf des Vorhabens detailliert wurde. Abbildung 51: Kategorisierung des Kataloges gewerkespezifischer Eingangsgrößen 2 Die Extensible Markup Language (Abk. XML; engl. für erweiterbare Auszeichnungssprache) erlaubt die Beschreibung beliebiger Daten. Sie stellt einen Standard zur Modellierung von strukturierten Daten in Form einer Baumstruktur dar, der vom World Wide Web Consortium (Abk. W3C) definiert wird. 55

56 Eingangsdaten Umformsimulation Fügesimulation Lacktrocknungssimulation Geometriedaten Prozessdaten Materialdaten Bauteile (.igs) und Ziehanlagen (.igs) Blechhalterhub Blechhalterkraft Reibwert und Reibwertverteilung Sickenersatzkräfte Blechdicke E-Modul Querkontraktion Bauteile (.igs) Position der Schweißpfade Mechanische Randbedingungen Prozesszeiten E-Modul Querkontraktion Crashnetz, Schweißpunktinformationen Bauart/Abmessungen des Trockners Positionierung/ Maße der Düsen Temperaturen (Ofen/Karosserie) Typ Schweißprozess Vorschub- Geschwindigkeit E-Modul Querkontraktion Dichte Anisotropiewerte Fließkurve Thermischer Ausdehnungskoeff. Fließkurve Thermischer Ausdehnungskoeff. Fließkurve Tabelle 4: Katalog gewerkespezifischer Eingangsgrößen Übertragung von Simulationsdaten mit XML-Konverter Zusammen mit den Kooperationspartnern ARC Solutions GmbH, TU Berlin und TU Chemnitz war Volkswagen an der Konzeption des Datenmodells und eines Datenträgernetzes beteiligt, mit dem Simulationsdaten zwischen den einzelnen Prozessstufen übertragen und auch visualisiert werden können. Eine Anlehnung an das Produktdatenmanagement (PDM) der VW AG wurde angestrebt, das mit dem System CON- NECT auf Basis von TEAMCENTER bewerkstelligt wird. Das bevorzugte Datenaustauschformat in CONNECT ist *.JT 3 (Jupiter Tessellation) für eine Softwareunabhängige Visualisierung im PDM-System. Als einheitliches Datenformat für das Datenträgernetz wurde das standardisierte XML-Format avisiert. Mit dem Datenträgernetz sollte eine durchgängige Übertragung von Ergebnisdaten aus den einzelnen Simulationsstufen bis hin zur Crash-Simulation gelingen sowie eine Ankopplung an das PDM von VW. 3 Das lizenzkostenfreie JT-Format unterstützt unterschiedlichste Repräsentationen von CAD- Geometrien und erlaubt eine 3D-Visualisierung. 56

57 Zur Anbindung an TEAMCENTER/CONNECT wurde von der TU Berlin ein sog. XML-Konverter programmiert, der die Ausgabeformate der im VIPROF-Projekt eingesetzten Simulationsprogramme (vorzugsweise.m01-format) einheitlich in das XML-Format überführen kann. Diese Ausbaustufe 1 ist in Abbildung 52 gezeigt. Unabhängig von der Anzahl unterschiedlicher Datenformate ist nur eine XML- Schnittstelle zu TEAMCENTER/CONNECT erforderlich. Somit gelingt eine Standardisierung von Simulationsdaten zur Integration in das PDM-System. Innerhalb von TEAMCENTER/CONNECT können.jt-dateien aus XML zur Visualisierung generiert werden. Im Auftrag von VW wurde dazu vom Fraunhofer IGD in Darmstadt ein Konverter zur Übertragung von VIPROF-XML-Daten in das JT-Format entwickelt. Durch Übertragung von XML- in das JT-Format können auch lizenzfreie Standard-Viewer genutzt werden, da direkt binäre JT-Files ohne Nutzung des JT- Toolkits von Siemens erzeugt werden. Dies erlaubt zudem eine Unabhängigkeit von zukünftigen Änderungen seitens Siemens. Unabhängig von der Anzahl unterschiedlicher Datenformate ist nur eine Visualisierung innerhalb des PDM-Systems notwendig. [PIN110] Abbildung 52: Ausbaustufe 1: Anbindung der einzelnen Simulationsstufen an TEAM- CENTER/CONNECT mit einem XML-Konverter [PIN110] In Ausbaustufe 2 könnte das Mapping-Tool um eine XML-Schnittstelle erweitert werden, wie in Abbildung 53 gezeigt. Dies wurde aber im Vorhaben nicht mehr realisiert. In Ausbaustufe 3 könnte der Mapping-Prozess sogar ganz in den XML-Konverter integriert werden (siehe Abbildung 54), so dass kein separates Mapping-Tool mehr erforderlich wäre. Ob mit oder ohne diese beiden Ausbaustufen können die Ergebnisse zwischen den Simulationsstufen nahezu automatisch übertragen werden. 57

58 Abbildung 53: Ausbaustufe 2: Anbindung Mapping-Tool [PIN110] Abbildung 54: Ausbaustufe 3: Ergebnisübertragung innerhalb eines XML-basierten Datenträgernetzes [PIN110] Im Projekt letztlich realisiert wurde der in Abbildung 55 gezeigte Prototyp der Prozesskettensimulation. Über den XML-Konverter gelingt die Übertragung von Simulationsergebnissen aller Stufen in das Produktdatenmanagement. Die Ergebnisübertragung zwischen den Simulationsstufen erfolgt vorzugsweise über den SCAI- Mapper, kann aber prinzipiell auch durch Abruf von Informationen aus dem PDM via XML-Konverter erfolgen. 58

59 Abbildung 55: Realisierter Prototyp der Kopplung der Simulationsstufen [PIN110] Volkswagen hat einen Unterauftrag an das Fraunhofer IGD, Darmstadt, zur Entwicklung eines Konverters zur Generierung von JT-Dateien aus dem VIPROF-XML- Format für Simulationsergebnisse der Umformsimulation vergeben. Für die Visualisierung wurden u.a. die folgenden Möglichkeiten geschaffen: Falschfarbendarstellung von Blechdicke, plastischer Vergleichsdehnung, Vergleichsspannungen (von Mises) mit einstellbarem Farbintervall. Die Darstellung der Ergebnisgrößen (Minimal-Wert = blau, Maximal-Wert = rot ) kann in true color mit kontinuierlichem oder auch mit diskretem Farbübergang erfolgen. Die Farbskalierung wird beim Schreiben des JT-Files erzeugt. Gruppierung von Bauteilen (siehe Abbildung 56). Unterschiedliche JT-Dateien können als Baugruppe dargestellt werden. Die Bauteile können separat ein- und ausgeblendet werden. Abbildung 56: Gruppierung von Bauteilen als Möglichkeit der Visualisierung von CAE-Daten in JT-Viewern [PIN110] 59

60 Die erzeugten JT-Geometrien repräsentieren das ursprüngliche FEM Netz. Das Ein- und Ausblenden des FEM-Netzes in der JT-Visulisierung ist möglich (Abbildung 57). Abbildung 57: Darstellung des FEM-Netzes im JT-Viewer [PIN111] Durch die Visualisierung von CAE-Daten im JT-Format sind die FEM-Ergebnisse im Kontext des Digital Mock-up des Gesamtfahrzeuges darstellbar und auswertbar, wie in Abbildung 58 gezeigt. Abbildung 58: Visualisierung der FEM-Daten im VisMockup [PIN110] 60

61 Zu dem im Unterauftrag von VW vom Fraunhofer IGD entwickelten Konverter zur Generierung von JT-Dateien aus dem VIPROF-XML-Format hat VW eine GUI programmiert, mit der Ergebnisgrößen auf verschiedene Weise gemäß Benutzervorgaben dargestellt werden können, z. B. mit fließender oder diskreter Farbanzeige, mit Angaben von Dickenänderungen in mm oder % usw. Verschiedene CAE-Teile sind als Baugruppe darstellbar. Sie können im Kontext ihrer Umgebung oder des Gesamtfahrzeuges gezeigt werden. Die Unabhängigkeit der JT-basierten Visualisierung von Lizenzkosten kommt auch der Nutzbarkeit durch mittelständische Lieferanten entgegen. Die Vorteile der Visualisierung im JT-Format sind in Abbildung 59 zusammengefasst. Abbildung 59: Visualisierung von CAE-Ergebnissen im CAD-Gesamtfahrzeugkontext [PIN111] Vergleich OneStep- und inkrementelle Umformsimulation mit Benchmark OneStep-Solver Um in der frühen Produktentwicklungsphase, d.h. zu einem Zeitpunkt, bei dem noch keine Angaben zu Fertigungsprozessen, wie z. B. CAD-Daten zu Umformwerkzeugen, vorliegen, dennoch eine Aussage zur Herstellbarkeit von Bauteilen zu erhalten, ist es sinnvoll, die inverse Umformsimulation (OneStep-Solver) in die Prozesskette einzubeziehen. Sie benötigt lediglich die CAD-Geometrie des Bauteils sowie die Materialdaten. Durch eine Rückrechnung der umgeformten Geometrie auf die ebene Platine werden die plastischen Dehnungen und die Blechdickenverteilung berechnet. 61

62 Auch eine Abschätzung der erforderlichen Platinengröße gelingt mit einem OneStep- Solver. [PIN209] Von Interesse war die mit einem OneStep-Solver erreichbare Genauigkeit, verglichen mit der Realität und der inkrementellen Umformsimulation. Um die Ergebnisqualität von OneStep-Solvern der Umformsimulation beurteilen zu können hat Volkswagen einen Praxisabgleich von Simulationsergebnissen vorgenommen. Für die folgenden drei OneStep-Solver wurde ein Benchmark durchgeführt. FTI-FormingSuite 7.2 ESI PAM-TFA for Catia V5 AutoForm Onestep for Catia 1.1 Als Bewertungsgrundlage für den Benchmark wurde die Ergebnisgröße Blechdicke gewählt, da diese eine hohe Relevanz für das Mapping entlang der Prozesskette besitzt und am Ziehteil der Praxis sowie am Ziehteil der Simulation gut messbar ist. Um die Blechdicke am realen Bauteil zu erfassen, wurde ein Ultraschallmessgerät eingesetzt. Es wurden fünf Crash-relevante Strukturbauteile mit einem breiten Spektrum von Nennblechdicken und unterschiedlichen Werkstoffen untersucht. An den realen Bauteilen wurden in kritischen und unkritischen Bereichen Messpunkte definiert. Wie in Abbildung 60 dargestellt, wurden Abweichungen der Ergebnisgröße bewertet (grüner Bereich falls relativer Fehler 5%, gelb falls 5-10%, rot falls >20%). [PIN209] Abbildung 60: Bewertungskriterien des Benchmarks [PIN209] 62

63 Ebenfalls untersucht wurde der Einfluss der Rückhaltekraft am Bauteilrand, wobei diese Kraft beim Umformen schrittweise erhöht wurde (siehe Abbildung 61). Abbildung 61: Untersuchung Einfluss Rückhaltekraft am Bauteilrand bei Benchmarkteil 3 (Abschlussblech). Aufgetragen ist die bewertete Zahl der Messpunkte über der Rückhaltekraft für die Solver A, B und C. [PIN209] Als Resultat ist festzuhalten, dass diese Rückhaltekräfte am Bauteilrand für die OneStep-Simulation notwendig sind, um den Einfluss der Ankonstruktion näherungsweise in der One-Step Simulation zu berücksichtigen und realistische Ergebnisse zu erzielen. Es zeigte sich eine relativ gute Übereinstimmung der mit den One- Step Solvern berechneten Blechdicken mit den gemessenen Werten der Realität. [PIN209] Außerdem wurden die Ergebnisse der drei OneStep-Solver mit inkrementellen Simulationsergebnissen verglichen. Um eine Gütekennzahl für den Vergleich der Ergebnisqualität zu erhalten wurden den Solvern für jedes Ergebnis eines Messpunktes entsprechend der einzelnen Wertebereiche folgende Punkte vergeben: grün = 1 Punkt, gelb = 0,5 Punkte, rot = 0 Punkte. Die Ergebnisqualität in Form der Gütekennzahl als Summe dieser Punkte ist für die betrachteten Solver in Abbildung 62 dargestellt. Es wird ersichtlich, dass die Ergeb- 63

64 nisqualität der OneStep-Solver in Bezug auf die berechneten Blechdicken an die der inkrementellen Umformsimulation heranreicht, so dass ein Mapping der OneStep- Ergebnisse auf nachfolgende Simulationen sinnvoll erscheint. Die Berechnungszeiten der OneStep-Solver waren, in Abhängigkeit der Bauteilkomplexität, mit Zeiten zwischen 3 s und 6 min recht moderat. [PIN209] Abbildung 62: Vergleich der Ergebnisgüte der OneStep-Solver [PIN209] Wird die Blechdickenverteilung für die B-Säule des Touran betrachtet, liefert die OneStep-Simulation ein qualitativ gutes Ergebnis (siehe Abbildung 63), welches es plausibel erscheinen lässt, in der frühen Entwicklungsphase die OneStep-Ergebnisse in nachfolgende Simulationen entlang der Prozesskette zu übertragen, anstatt mit konstanten Blechdicken weiter zu rechnen. Betrachtet man hingegen die Ergebnisgröße plastische Vergleichsdehnung werden größere Abweichungen, insbesondere im Flankenbereich, zu den Ergebnissen der inkrementellen Simulation sichtbar (Abbildung 64). Während die Biegeeffekte in den Radien gut wiedergegeben werden, ist dies für Flächen in Ziehrichtung aufgrund der Biegung-Rückbiegung weniger der Fall, da dieser Effekt durch die OneStep-Methode nicht abgebildet wird. Gegenüber der inkrementellen Umformsimulation liefert die OneStep-Simulation in Bereichen größerer Ziehtiefen um den Faktor zwei geringere plastische Vergleichsdehnungen. Da die plastische Vergleichsdehnung ein Maß für die Kaltverfestigung des Blechwerkstoffes ist, fallen die Ergebnisverbesserungen bei der Crashsimulation mit Umformhistorie aus der OneStep-Simulation nur ca. halb so groß aus wie die Ergebnisverbesserungen der Crashsimulation mit Umformhistorie aus der inkrementellen Umformsimulation (siehe Abbildung 65). [PIN311] 64

65 Abbildung 63: Vergleich der Ergebnisgröße Blechdicke aus inkrementeller und OneStep-Umformsimulation [PIN311] Abbildung 64: Vergleich der Ergebnisgröße plastische Vergleichsdehnung aus inkrementeller und OneStep-Umformsimulation [PIN311] 65

66 Abbildung 65: Vergleich der Barriere-Crash-Simulation unter Berücksichtigung der inkrementellen oder der OneStep-Umformsimulation (Dargestellt ist die Verbesserung der max. Intrusionen an der B-Säule in [mm].) [PIN311] Schließlich ist zu beachten, dass die OneStep-Simulation gegenüber der genaueren inkrementellen Berechnung einen erheblichen Zeitvorteil aufweist: Während eine OneStep-Berechnung weniger als eine Minute dauert, benötigt die inkrementelle Umformsimulation mehrere Stunden. Ein weiterer Vorteil für die Anwendung in der frühen Produktentwicklungsphase ist, dass für die OneStep-Simulation keine Werkzeugwirkflächen benötigt werden. [PIN209] Bewertung der Prozesskettensimulation Zur Bewertung der Prozesskettensimulation hat VW eine Untersuchungsmatrix aufgestellt (siehe Abbildung 66), in der die Kopplung verschiedener Prozesssimulationen in ihrer Auswirkung auf das Crash-Verhalten als wichtige Produkteigenschaft des Fahrzeuges analysiert wird. Ein Crash-Modell für die Variantenrechnungen wurde aufgebaut. Betrachtet wurden nur die definierten Musterbauteile im Seitencrash, da die Berechnungen für die Gesamtkarosserie viel zu umfangreich gewesen wären. Entsprechende Mappings für die bis zu 11 Varianten wurden vorbereitet. Alle Varianten wurden miteinander verglichen und mit Hilfe des Standard-Auswerteprotokolls von VW anhand des Crash-Ergebnisses bewertet. Damit waren die Auswirkungen unterschiedlicher Einflüsse auf das Berechnungsergebnis erfassbar, und nicht zuletzt konnte das Verhältnis von Aufwand zu Nutzen hinsichtlich einzubeziehender Prozesssimulationen beurteilt werden. 66

67 Abbildung 66: Bewertung der Prozesskettensimulation anhand von Crash- Simulationen [PIN309] Mapping von Umform- auf Crash-Simulation (Varianten 1 und 2) Als weiterer Vergleich der beiden Solver-Varianten wurde im Rahmen einer globalen Sensitivitätsanalyse ein Mapping der Onestep- und der inkrementellen Umformsimulation auf die Crash-Simulation durchgeführt und ausgewertet (entsprechend den Varianten 1 und 2 in Abbildung 66). Die Auswirkungen werden durch die Ergebnisgrößen Eindringtiefe und Größe des Überlebensraums aus der Crash-Simulation bewertet. Betrachtet wird dabei ein Seitenaufprall als Pfahl- und als Barriere-Crash. Diese gemäß der Euro-NCAP-Vorschrift durchgeführten Crash-Simulationen sind in Abbildung 67 gezeigt. Neben den Musterbauteilen der B-Säule wurde mit dem Sitzquerträger ein zusätzliches Bauteil einbezogen (siehe Abbildung 68). [PIN210] Mit der maximalen Eindringtiefe (Intrusion) und dem Überlebensraum wurden Kriterien definiert, mit denen verschiedene Varianten der Berücksichtigung der Fertigungshistorie bewertet werden können (siehe Abbildung 69). 67

68 Abbildung 67: Crashmodell für globale Sensitivitätsanalysen im Seitenaufprall (links: Pfahl-Crash, rechts: Barriere-Crash) [PIN210] Abbildung 68: Sitzquerträger für Crash-Simulation [PIN210] Abbildung 69: Kriterien zur Bewertung unterschiedlicher gekoppelter Berechnungsvarianten [PIN210] 68

69 Gegenüber der Referenz ohne Berücksichtigung der Umformhistorie (Blechausdünnung und plastische Dehnung) zeigten sich beim Mapping der Umformergebnisse aus der inkrementellen Simulation Verbesserungen im Crash-Verhalten. Auch das Mapping der Umformhistorie aus der Onestep-Simulation verbesserte die Vorhersage des Crash-Verhaltens. Die Ergebnisse tendierten deutlich in Richtung der Crash- Ergebnisse mit Umformhistorie aus der inkrementellen Simulation. Die Auswertung der Crash-Simulation unter Berücksichtigung der Umformhistorie ergab die in Tabelle 5 gezeigten Ergebnisse, wobei erneut deutlich wird, dass die Crashergebnisse mit inverser Umformsimulation zwischen den Ergebnissen ohne Berücksichtigung der Historie und denen der inkrementellen Umformsimulation liegen, was auf die halb so großen plastischen Vergleichsdehnungen aus der OneStep-Simulation zurückzuführen ist. [PIN311] Ergebnisgrößen bei Pfahl-Crash Inkrementelle Umformsimulation ESI PAM-STAMP Strukturverhalten: Max. Intrusion Verbesserung um 4 mm Inverse Umformsimulation Forming Suite 8.1 Verbesserung um 2 mm Überlebensraum: Verbesserung um 6 mm Verbesserung 3 mm um Tabelle 5: Ergebnisverbesserung der Crash-Vorhersage mit Umformhistorie [PIN311] Für die Kopplung von der Umform- zur Crash-Simulation wurden folgende Aussagen abgeleitet bzw. relevante Ergebnisgrößen identifiziert [PIN311]: Die Auswertung der Crash-Berechnungen hat gezeigt, dass die Blechausdünnung und die plastische Dehnung den größten Einfluss auf das Crash-Ergebnis haben. Diese Größen sollten in die Crash-Simulation übertragen werden. Die jeweils einzelne Übertragung von Blechausdünnung und plastischen Dehnungen ist nicht zielführend. Durch Mapping der Ausdünnung ohne die zugehörige Werkstoffverfestigung wird die Bauteilstruktur künstlich geschwächt und die Crash-Ergebnisse verschlechtern sich. Das Mapping der plastischen Dehnungen 69

70 (als Maß für die Verfestigung) ohne die zugehörige Materialausdünnung führt zu einer künstlichen Verbesserung des Crash-Verhaltens in der Simulation. Ein Mapping von Spannungen erscheint wenig sinnvoll, da die Einflüsse im Bereich des Grundrauschens des Crash-Modells liegen. Die Feststellung, dass die OneStep-Methode in Bereichen hoher Ziehtiefe zu geringe plastische Vergleichsdehnungen liefert, hat sich in der Crash-Simulation unter Berücksichtigung der Umformhistorie bestätigt. Die Ergebnisse mit Berücksichtigung der OneStep-Ergebnisse zeigen im Vergleich zu den Crash- Simulationen mit inkrementeller Umformhistorie den Einfluss der um die Hälfte reduzierten plastischen Vergleichsdehnung (Kaltverfestigung). Daraus leitet sich die Empfehlung ab, die OneStep-Simulation für Bauteile mit sehr großen Ziehtiefen nicht einzusetzen Mapping von Umform- über Füge- auf Crash-Simulation (Varianten 3, 4 und 5) Volkswagen hat Schweißverzugssimulationen der B-Säule auf Basis von Daten von ESI durchgeführt und einen Praxisabgleich der Simulationsvarianten mit und ohne Umformhistorie im Messlabor der VW AG anhand mehrerer realer Schweißbaugruppen der B-Säule durchgeführt (siehe auch Kapitel ). Werden die Blechdicken und die plastischen Dehnungen aus der inkrementellen Umformsimulation in die Schweißverzugssimulation übertragen, zeigt sich ein signifikanter Einfluss. Am Kopf der B-Säule stellen sich die richtigen Verzugswerte und die richtige Drehrichtung ein (siehe Abbildung 70) [PIN310]. Werden nur die Blechdicken oder nur die plastischen Vergleichsdehnungen übertragen, weichen die vorhergesagten Verzugswerte stärker ab. Die Verbesserung der Ergebnisqualität der Schweißverzugssimulation konnte auch mit Berücksichtigung der Umformhistorie (Blechdicken und plastische Vergleichsdehnungen) aus der OneStep-Simulation erzielt und im Praxisabgleich bestätigt werden (siehe Abbildung 71). [PIN311] 70

71 Abbildung 70: Auswirkungen der Berücksichtigung der Historie aus der inkrementellen Umformsimulation in der Schweißverzugssimulation [PIN310] Abbildung 71: Vergleich Auswirkungen der Historie aus der inkrementellen Umformsimulation (oben) und OneStep (unten) in der Schweißverzugssimulation [PIN311] Auch ein Mapping von Spannungen oder Verzügen aus dem Fügeprozess in die Crash-Simulation erscheint wenig sinnvoll, da die Einflüsse im Bereich der numerischen Streuung des Crash-Modells liegen. Die Schweißprozesse (Laser- und Wiederstands-Punkt-Schweißen) führen nicht zu großflächig signifikanten Änderungen 71

72 der Blechdicken und plastischen Vergleichsdehnungen, so dass diese Größen direkt aus dem Umformen in die Crash-Simulation weitergeleitet werden können. Die Erkenntnis, dass die Übertragung von Blechdickenverteilung und Verfestigung sinnvoll ist, von Spannungen dagegen nicht, kommt dem Übertragungsprozess entgegen: Während die Blechdicken und Verfestigungen als skalare Größe leicht übertragen werden können, müsste in die Übertragung der Spannungstensoren mehr Aufwand investiert werden. Anders sieht dieser Sachverhalt aus, wenn man anstelle des verwendeten Schweißverzugssimulationstools Weld Planner (Nutzung von Fügestellenersatzmodellen) ein transientes Schweißverzugssimulationstool verwendet (z. B. mit SYSWELD). Hier können die Eigenspannungszustände durchaus einen signifikanteren Einfluss auf das Simulationsergebnis haben Mapping von Umform- über Füge- auf Lacktrocknungssimulation (Varianten 6, 7 und 8) Ähnlich wie bei der Fügesimulation die Verfestigung einen untergeordneten Einfluss auf das Simulationsergebnis hat, ist dies auch in der Ofensimulation der Fall. Dies wurde in einem Vergleich zwischen elastischem Materialverhalten und plastischem Verhalten mit sehr niedriger Fließgrenze gezeigt. Es waren praktisch keine Unterschiede in der Beulneigung bei den mechanischen Belastungen im Ofen zu erkennen. Zur Verifikation des Vorgehens wurden noch Belastungen in einem virtuellen Prüfstand aufgebracht, die auf jeden Fall zum Beulen führen. Bei Berücksichtigung der Blechdicken konnte man den Einfluss der Blechdicke in den ermittelten Eigenfrequenzen der begleitenden Eigenwertanalyse zwar erkennen, aber alle im Projekt untersuchten Blechteile einschließlich des Seitenrahmens waren bei den vorgegebenen Ofenlasten so unkritisch gegenüber Beulverhalten, dass hier der Einfluss auf die Beulneigung nicht quantifiziert werden konnte. Dies war auf den Reifegrad der verwendeten Serienbauteile zurückzuführen. [CSB11] Mapping von Umform- über Lacktrocknungs- auf Crash-Simulation (Varianten 9 und 10) Die Sensitivitätsanalyse vom Umformen auf die Lacktrocknung zeigte, dass die Übertragung der Blechdickenverteilung einen geringen Einfluss auf die Eigenwerte der Bauteile hat. Bei den plastischen Vergleichsdehnungen konnte kein Einfluss festgestellt werden. In der begleitenden Eigenwertanalyse von CADFEM, die Beulgefahren aufdecken soll, ergaben sich nur geringe Unterschiede in den Eigenwerten zwischen den Ausgangs- und den umgeformten Blechdicken. Hierbei muss beachtet werden, 72

73 dass es sich bei den Musterbauteilen des VW-Touran um ausgereifte Serienteile handelt. Bei Neukonstruktionen ist zu erwarten, dass mehr Beulneigungen bestehen, was den Einsatz der Methode der begleitenden Eigenwertanalyse rechtfertigt. [CSB11] Ebenfalls hatten die Verfestigung und die Änderung der Fließgrenze aufgrund des Umformens einen vernachlässigbaren Einfluss [CSB11]. Die Übertragung der Blechdickenverteilung kann einen Einfluss auf die Lacktrocknung haben, da sich durch unterschiedliche Blechdicken die Wärmeleitung verändert [CSB11] Mapping von Lacktrocknungs- auf Crash-Simulation (Variante 11) Da sich durch den Trocknungsprozess sowohl die Blechdicken als auch die plastischen Vergleichsdehnungen der Versuchsteile nicht änderten, war eine Übertragung dieser Ergebnisgrößen aus der Lacktrocknungssimulation in die Crash-Simulation nicht notwendig. Bei Bauteilen aus Bake-Hardening-Materialien hat es sich jedoch als sinnvoll erwiesen, die mit der Lacktrocknungssimulationssoftware von CADFEM errechneten Bake-Hardening-Zustände der Bauteile mit den zugehörigen modifizierten Fließkurven in der Crash-Simulation zu berücksichtigen. [CSB11] Validierung der Prozesskettensimulation Validierung durch Messung des Schweißverzugs Volkswagen hat einen Praxisabgleich der Schweißverzugssimulation (ESI- WELDPLANNER) für die gewählte Musterbaugruppe (siehe auch Kapitel 3.3.5, Abbildung 32) durchgeführt. Es wurden zwei Simulationsvarianten der Baugruppe untersucht. Einerseits das sog. CAD-Modell, wobei hier alle Einzelkomponenten die aus der Konstruktion festgelegten Blechdicken erhalten und ein spannungs- und dehnungsfreier Anfangszustand vorliegt. Andererseits das Kopplungs-Modell, wobei hier die Blechdicken und die plastischen Dehnungen aus der Umformsimulation im Gesamtmodell als Anfangsbedingungen vorliegen. Die Ergebnisse dieser zwei Varianten der Schweißverzugssimulation werden nachfolgend vorgestellt und mit dem an der realen Baugruppe ermittelten Schweißverzug verglichen. Die Messergebnisse des Verzuges in y-richtung sind in Abbildung 72 dargestellt. Für eine statistische Absicherung wurden mehrere Schweißbaugruppen vermessen. Die berechnete Verdrehung aus den Simulationsmodellen zeigt Abbildung 73. [PIN310] 73

74 Y +0,0 Y -0,1 Y -0,2 Y +0,5 Y +0,5 z -y x Abbildung 72: Messergebnisse des y-verzuges an der B-Säule (in mm) und Verdrehungsrichtung [PIN310] a) b) z y x z -0,1 y x 0,0 Abbildung 73: Verzug in y-richtung der B-Säule: CAD-Modell (a) und Kopplungs-Modell (b) [PIN310] Es zeigt sich deutlich der Einfluss der Umformhistorie auf das Ergebnis der Schweißverzugssimulation. Während die B-Säule des CAD-Modelles sich weitestgehend in positive y-richtung verzieht, stellt sich an der B-Säule des Kopplungs-Modelles teilweise ein negativer y-verzug ein. Noch deutlicher wird der Einfluss der Umformhistorie auf das Simulationsergebnis bei Betrachtung der Verdrehungsrichtung am Kopf der B-Säule im Vergleich mit der Praxismessung. Erst mit Berücksichtigung der Umformhistorie (Blechausdünnung und plastische Dehnungen) wird die am Kopf der B-Säule auftretende Verzugsrichtung in der Schweißverzugssimulation entsprechend der Praxismessung richtig berechnet. [PIN310] 74

75 Validierung mit 3-Punkt-Biegeversuch Volkswagen hat einen 3-Punkt-Biegeversuch für die B-Säule aufgebaut, wie in Abbildung 74 gezeigt. Darauf wurden die B-Säule und die Verstärkung der B-Säule zerstörend geprüft, um den Einfluss der Umformhistorie in der Crash-Simulation in der Praxis zu validieren. Zur Kalibrierung des Simulationsmodells wurde eine ARAMIS- Berasterung vorgesehen. Verschiedene Varianten mit und ohne Umformhistorie, d.h. mit / ohne Blechausdünnung und mit / ohne plastischer Vergleichsdehnung sowie mit / ohne Eigenspannungen, wurden berechnet und verglichen. [PIN311] Abbildung 74: Schematischer Aufbau des 3-Punkt-Biegeversuches bei VW zum Praxisabgleich der Simulation eines Seitencrashs an der B-Säule [nach PIN311] Der Vergleich der Versuchsergebnisse mit der Simulation, in der die Umformhistorie mit Blechdicken und plastischen Dehnungen berücksichtigt wurde, zeigte eine sehr gute Übereinstimmung des Biegeverhaltens und des Kraftverlaufs, wie aus Abbildung 75 erkennbar. Die Übertragung von Eigenspannungen aus der Umformsimulation hatte keinen Einfluss auf das Ergebnis. [PIN311] 75

76 Abbildung 75: Vergleich Simulation und Biegeversuch an der B-Säule [PIN311] Weiterhin wurden Bauteile aus einem Material mit ausgeprägtem Bake-Hardening- Effekt getestet, um Ergebnisse aus der Trocknungssimulation zu validieren, indem unbehandeltes Material mit einer vorbehandelten Charge aus dem Trocknungsofen verglichen wurde. Die Ergebnisse zeigten, dass eine Berücksichtigung des Bake- Hardening-Effektes in der Simulationsprozesskette sinnvoll ist. [PIN311] Modulcockpit Um Transparenz entlang der Prozesskette zu schaffen, wurde ein Modulcockpit realisiert. Damit kann der Reifegrad einer Produktentwicklung jederzeit abgefragt werden. Jeder relevante Prozess muss erst abgesichert sein bzw. für jedes relevante Einzelteil muss die Herstellbarkeit gegeben sein, bevor es durch eine grüne Ampel für den nächsten Fertigungsprozess freigegeben wird (siehe Abbildung 76). [PIN109] Abbildung 76: Reifegrad-Cockpit für die simulationsbasierte Herstellungsbewertung [PIN109] 76

77 Die Definition von Ampelkriterien wird nachfolgend beispielhaft für die Lacktrocknungssimulation erläutert. Für eine ausreichende Lacktrocknung ist sowohl das Erreichen der geforderten Prozesstemperaturen, als auch das Einhalten der Haltedauern für diese Temperaturen erforderlich. Diese Kriterien können für den jeweiligen Lack dem sog. Einbrennfenster (siehe Abschnitt 3.4, Abbildung 50) entnommen und in den Workflow aufgenommen werden. Analog dieser Vorgehensweise wurden auch für die anderen Simulationsgewerke Ampelkriterien für die Herstellbarkeit definiert. Literatur: [PIN109] Pinner, S. et al.: Durchgängige Virtualisierung der Entwicklung und Produktion von Fahrzeugen, Fachtagung Digitales Engineering, Fraunhofer Wissenschaftstage, Juni, Magdeburg, [PIN209] Pinner, S. et al.: Einsatz inverser Solver innerhalb der Prozesskettensimulation im Bereich Karosseriebau, ANSYS Conference & 27. CADFEM Users Meeting, Leipzig, [PIN309] Pinner, S. et al.: Integrierte Prozesskettensimulation bei der Karosserieherstellung im Projekt VIPROF, ANSYS Conference & 27. CADFEM Users Meeting, Leipzig, [PIN110] Pinner, S.: Universelle Visualisierung von Simulations-Ergebnisdaten im JT-Format. 16. JT User Group Treffen, Fraunhofer IGD, 30. März, Darmstadt, [PIN210] Pinner, S.: Lieferantenintegration am Beispiel der Prozesskette Umformen-Fügen-Lackieren, VIPROF Industriearbeitskreis Prozesskettensimulation, 08. Juni, Fellbach bei Stuttgart, [PIN 310] Pinner, S. et al.: Prozesskettensimulation im Karosseriebau am Beispiel der Kopplung von Umform- und Fügesimulation, 15. Internationale Konferenz für Simulation und Berechnung - SIM- VEC, November, Baden-Baden,

78 [PIN111] Pinner, S.: Visualisierung von CAE-Ergebnisdaten im JT-Format. Fachkonferenz Berechnung im Produktprozess, 10. Februar, Braunschweig, [PINSB11] Pinner, S.; Steinbeck-Behrens, C.: Übersicht Prozesskettensimulation. 2. VIPROF Industriearbeitskreis, 22. November, Stuttgart, [PIN311] Pinner, S.: Prozesskettensimulation im Karosseriebau. 2. VIP- ROF Industriearbeitskreis, 22. November, Stuttgart, [CSB11] Steinbeck-Behrens, C.; Menke, T.: Lackiersimulation in der Prozesskette. 2. VIPROF Industriearbeitskreis, 22. November, Stuttgart, Strukturierte Ablage heterogener Daten im Kontext von Wiederverwendbarkeit und Weiterverwendbarkeit (TU Berlin) Allgemeines Teilprozesse heutiger Simulationsprozessketten sind weitestgehend ungekoppelt, d.h., dass einzelne Teilprozesse keine datentechnische Verbindung mit ihren Nachfolgern/ Vorgänger besitzen. Dies ist durch Inkompatibilität der innerhalb der einzelnen Teilprozessschritte verwendeten Datenformate und ihrer verarbeitenden Programme untereinander zu begründen. Sollte doch eine Verbindung bestehen, ist diese meist mit viel Handarbeit also das Transformieren der Daten von Hand, um sie Folgeprozessen zugänglich zu machen verbunden. Dieser Umstand verhindert jedoch maßgeblich die Durchgängigkeit der Prozesskette und ist deshalb zu beseitigen. Wenn nun Daten eines Teilprozessschrittes von Programmen eines folgenden Teilprozessschrittes verwendet werden sollen, gilt es zwei grundlegende Problemstellungen zu beheben. Dies sind: 1. Die verschiedenen Programme der einzelnen Teilprozessschritte müssen die unterschiedlichen Datenformate lesen können. 2. Die verschiedenen Programme der einzelnen Teilprozessschritte müssen die unterschiedlichen Daten auf die gleiche Art interpretieren. 78

79 Die Lösungen für diese Problemstellungen sind zu 1.) Konversion also die Überführung eines Datenformates in ein anderes mittels Datenkonverter und zu 2.) Transformation also die Anpassung der Bedeutung eines Datenformates auf eine anderes mittels z. B. Mapping. Die Problemstellung 2 und ihre Lösung wurde durch das Institut für Produktionstechnik der Ostfalia Hochschule für angewandte Wissenschaften Wolfenbüttel von Herrn Prof. Dr.-Ing. M. Rambke bearbeitet und in Abschnitt 3.2 behandelt Konversion Um Durchgängigkeit innerhalb der Prozesskette mittels Konversion, also die Überführung eines Datenformates in ein anderes, zu realisieren, existieren zwei sich teilweise überdeckende Lösungsansätze: 1. Das Herstellen der Durchgängigkeit innerhalb der Prozesskette durch Überführung der verschiedenen Datenformate ineinander. 2. Das Herstellen der Durchgängigkeit innerhalb der Prozesskette durch Überführung der verschiedenen Datenformate in ein generisches Format. Die Konversion mittels Überführung jeden Datenformates in jedes andere wird als Peer-to-Peer-Strategie bezeichnet und durch Abbildung 77 visualisiert. Abbildung 77: Peer-to-Peer-Strategie Diese Strategie ermöglicht es, jedes beliebige Datenformat aus jedem beliebigen anderen in nur einem Konversionsschritt zu erzeugen. Hierbei sind die Verluste an Informationen bei dieser Konvertierung als eher gering zu betrachten, die Kosten einer Konvertierung entwickelt sich konstant und ist damit eher günstig, jedoch konstante Kosten unterstellt wachsen die Kosten für den Konverterbau quadratisch, die Anzahl der Konverter innerhalb dieser Strategie beträgt dann n*(n-1), mit n = Anzahl der Datenformate. Da bei dieser Strategie die Definition eines Intermediärformates entfällt, entwickelt sich der Gesamtkostenverlauf der Peer-to-Peer-Strategie in Abhängigkeit von der Anzahl der Formate quadratisch. Diese Strategie scheint sich bei einer geringen Anzahl von Datenformaten zu empfehlen. 79

80 Aus dieser Strategie und seiner Nachteile, lässt sich eine weitere Strategie ableiten, die in Abbildung 78 zu sehen ist, als Ring-Strategie bezeichnet wird und für den Fall nur zweier existierender Datenformate identisch mit der Peer-to-Peer-Strategie ist. Abbildung 78: Ring-Strategie Innerhalb dieser Strategie werden Konverter erzeugt, die ein Datenformat in ein anderes übertragen. Hierdurch ergibt sich ein solcher Ring an Konvertern. Dieser Strategie ist es von Vorteil, das die Anzahl der Konverter linear mit der Anzahl der Datenformate steigt, somit also auch die Kosten für den Konverterbau n betragen, mit n = Anzahl der Datenformate. Dies bringt gegenüber der Peer-to-Peer-Strategie schnell Vorteile mit sich, steht jedoch dem Fakt entgegen, dass die Anzahl der Konvertierungsschritte und damit die Kosten der Konvertierung auf durchschnittlich n/2 (n = Anzahl der Datenformate) sinken, da im Mittel genauso viele Konversionsschritte notwendig sind, bis das Zielformat erreicht ist. Die Konvertierungsverluste entwickeln sich bei dieser Strategie eher unvorteilhaft, da im schlechtesten anzunehmenden Fall lediglich die Schnittmenge aller Formate verbleibt, die mit steigender Anzahl der Formate überproportional abnimmt. Innerhalb dieser Strategie entfallen ebenfalls die Kosten für die Definition eines Intermediärformates, sodass die Gesamtkosten der Konvertierung dieser Strategie überproportional zur Anzahl der Konverter steigt, sich jedoch flacher gestaltet als bei der Peer-to-Peer-Strategie. Die Konversion mittels Überführung jeden Datenformates in ein generisches Datenformat wird als Intermediär-Strategie bezeichnet und durch Abbildung 79 visualisiert. Abbildung 79: Intermediär-Strategie 80

81 Innerhalb der Intermediär-Strategie wird jedes Datenformat in ein generisches Datenformat überführt und zurück. Demnach sind innerhalb dieser Strategie lediglich 2*n Konverter (n = Anzahl der Datenformate) notwendig ein Konverter zur Überführung eines proprietären Datenformates in das generische Datenformat und einer in die Gegenrichtung. Im Gegensatz zu den beiden vorhergenannten Strategien ist hierbei jedoch eine Intermediärformat zu definieren, was Kosten verursacht. Diese Kosten sind jedoch einmalig und amortisieren sich mit steigender Anzahl der Formate. Das Zielformat einer Konversion ist in maximal zwei Schritten erreichbar (Datenformat A Intermediärformat Datenformat B), wobei die Ausführungskosten für diesen Fall gleich dem Doppelten des Durchschnitts einer Ausführung betragen. Konvertierungsverluste innerhalb der Intermediär-Strategie sind konstant, da sich Fehler nicht potenzieren können. Der Gesamtkostenverlauf verhält sich für diese Strategie linear, jedoch mit größerem Achsenabschnitt, was durch die Definition eines Intermediärformats bedingt ist. Die Kostenverläufe sind folgend, in Abhängigkeit von der Anzahl der Formate, dargestellt (Rot = Peer-to-Peer, Grün = Ring, Blau = Intermediär) (Siehe Abbildung 80). Abbildung 80: Gesamtkostenverlauf der Konversionsstrategien Die Peer-to-Peer-Strategie (rot) zeigt einen steileren Kostenanstieg als die Ring-Strategie (grün), was durch die Vielzahl der notwendigen Konverter zu begründen ist. Die Intermediär-Strategie (blau) besitzt höhere Anfangskosten, bedingt durch die Definition eines Intermediärformats, ist jedoch nur linear Abhängig von der Anzahl der Datenformate, sodass ein Punkt n* existiert, ab dem die Intermediär-Strategie der Ring- und Peer-to-Peer-Strategie kostenmäßig überlegen ist. Dieser Punkt n* ist sehr niedrig, weil Tools und Methoden sehr heterogen sind, was sich ungünstig auf die Konvertierungsverluste der Ring-Strategie auswirkt und weil die Definition eines Intermediärformats effizient und kostengünstig möglich ist, sodass der Fixkostenan- 81

82 teil der Intermediär-Strategie entlastet wird. Bei der Konversion von Daten ist also eine gewisse Anzahl von Datenformaten vorausgesetzt bzw. das Erreichen einer gewissen Anzahl von Datenformaten über den Lebenszyklus des datenverarbeitenden Prozesses die Intermediär-Strategie zu bevorzugen. Bei der Verwendung der Intermediär-Strategie ist, wie bereits mehrfach erwähnt ein Intermediärformat zu definieren. XML bildet ein solches Intermediärformat, welches bedingt durch seine Struktur gewisse Vor- und Nachteile mit sich bringt. XML ist ein offener, lizenzfreier Standard, der eine gewisse Popularität erreicht hat und somit software- und entwicklungsseitig gut unterstützt wird. Seine Popularität lässt sich mit der Beteiligung namhafter Firmen u.a. Intel, IBM, Oracle und Microsoft am Standard begründen. XML ist ein sehr flexibles Austauschformat, welches über die verschiedensten Kanäle verteilbar ist, z. B. , FTP und CD-ROM. Innerhalb von XML sind die Daten, ähnlich wie in einer Datenbank, frei modellierbar, solange man sich innerhalb gewisser Grenzen bewegt. Hieraus resultiert dann eine strukturierte Speicherung von Daten, welche die Lesbarkeit der Daten durch andere Anwendungen, und mit etwas Mühe und entsprechendem Sprachverständnis sogar die Lesbarkeit durch den Menschen garantiert. Da XML, wie bereits erwähnt, offen ist, lässt es sich problemlos an andere Systeme anbinden. XML wird text- und dateibasiert gespeichert, sodass die Informationen über jegliche Art von Netz verteilbar ist XML also plattformunabhängig ist. XML ist Unicode-fähig, also internationalisierbar und arbeitet mit beliebigen Zeichensätzen zusammen. Als Nachteile für XML sind sein höherer Speicherbedarf und die langsamere Verarbeitung zu nennen. Beide Nachteile sind jedoch zu vernachlässigen, da zum einen Speicherplatz immer günstiger wird und Prozessoren immer schneller und zum Anderen, bedingt durch die text- bzw. dateibasierte Speicherung von XML, XML gut komprimierbar ist, sodass die Vorteile den Nachteilen überwiegen Das VIPROF-XML-Datenformat Im Rahmen des Projektes musste folglich eine Informationsanalyse aller am Prozess beteiligter Daten vorgenommen werden, um in Folge dessen ein XML-Datenformat zu definieren, welches die benötigten Informationen aufnehmen kann. Abbildung 81 zeigt den Simulationsprozess und seine verwendeten Programme, aus denen sich die notwendigen Informationen ergeben. 82

83 Abbildung 81: Simulationsprozess inkl. der verwendeten Simulationstools Die Abbildung 82 zeigt am Beispiel des Datenformates der ESI GmbH die im Prozess anfallenden Daten. Abbildung 82: M01-Datenformat der ESI GmbH 83

84 Innerhalb der Informationsanalyse wurden hierbei folgende Informationsblöcke identifiziert, die im Rahmen der XML-Definition berücksichtigt werden mussten: Metainformationen (Daten, die die eigentlichen Informationen beschreiben) Knotendaten (Daten, die ein Netz aufspannen, aus welchem Elemente definiert werden können) Elementdaten (Daten, die Elemente auf einem Netz erzeugen und ihrerseits simulierbare Eigenschaften aufnehmen können) Attributinformationen (Daten, die die zu simulierenden Eigenschaften der Elemente beschreiben) Attributwerte (Daten, die die Simulationsergebnisse beschreiben) Innerhalb der Metainformationen waren seinerseits Informationen über das Bauteil zu finden, sein Name und das Datum der Simulation. Darüber hinaus waren Informationen über die Daten zu finden, wie die Anzahl der Knoten und Elemente innerhalb der Simulationsdatei, die Anzahl der simulierten Attribute (z. B. Dicke), Informationen über das verwendete Einheitensystem und Informationen über die Rotationsmatrix. In den Knotendaten wurden einzelne Knoten definiert. Hierzu wurde für jeden Knoten eine eindeutige Identifikationsnummer vergeben, sowie die Lage des Knotens im Raum mittels x-, y- und z-koordinate. In den Elementdaten wurden die einzelnen Elemente spezifiziert. Dies geschieht ebenfalls mit Hilfe einer eindeutigen Identifikationsnummer, seine Lage im Raum diesmal jedoch nicht nur Koordinaten, sondern durch die ihn aufspannenden Knoten -, seinen Materialeigenschaften in Form einer eindeutigen Materialidentifikationsnummer, der Anzahl der Gaußpunkte Stützstellen zur Integration der Ansatzfunktionen für die Berechnung von Elementmatrizen über die Fläche und Integrationspunkte Stützstellen zur Integration der Ansatzfunktionen für die Berechnung von Elementmatrizen über das Volumen. Die Attributinformationen enthalten ein Kürzel für das simulierte Attribut (z. B. THIC für die Dicke), die Anzahl der Ergebniswerte je Element, ihre Abhängigkeit vom Gauß- bzw. den Integrationspunkten (dies hat Einfluss auf die tatsächliche Anzahl der Ergebniswerte) und das Einheitensystem der Ergebniswerte spezifiziert durch die Faktoren für den Weg, die Masse und die Zeit. 84

85 Die Attributwerte enthalten Informationen über das ihnen zugehörige Element in Form der eindeutigen Elementidentifikationsnummer und die Ergebniswerte der Simulation. Diese Informationen (Metainformationen, Knotendaten, Elementdaten, Attributinformationen und Attributwerte) lagen jedoch, je nach Datenformat, nicht in derselben Art und Weise, und am selben Ort bzw. im selben Block vor, waren jedoch in allen Datenformaten enthalten und fanden somit Einzug in das XML-Datenformat. Dieses XML-Datenformat teilt sich nun in zwei grundlegende Blöcke: die Metadaten und die Simulationsdaten. Die XML-Metadaten enthalten, wie in Abbildung 83 zu sehen, nun alle Informationen, die die eigentlichen Daten näher beschreiben. Abbildung 83: Metainformationen des VIPROF-XML-Datenformates in Form einer XSD Innerhalb der Metainformationen waren nun Informationen über das Bauteil, sein Name, das Datum der Simulation, die Anzahl der Knoten und Elemente innerhalb der Simulationsdatei, die Anzahl der simulierten Attribute (z. B. Dicke), das verwendete Einheitensystem und die Rotationsmatrix zu finden. Darüber hinaus enthält dieser Informationsblock nun auch alle Metainformationen über die simulierten Attribute, wie ihren Namen, die Anzahl der Ergebniswerte, ihre Abhängigkeiten von Gauß- und Integrationspunkten und ihr Einheitensystem. Hinzugekommen ist ein eventuell vorhandener oder notwendiger Referenzwert für das Simulationsattribut (z. B. eine Referenzdicke). 85

86 Die XML-Simulationsdaten enthalten nun alle anderen Informationen der ursprünglichen Informationsblöcke, wobei hier zwei Blöcke alle Informationen aufnehmen (wie in Abbildung 84 zu sehen). Abbildung 84: Simulationsdaten des VIPROF-XML-Datenformates in Form einer XSD Dies sind zum Einen der Knotenblock, der alle Informationen über die Knoten enthält (eindeutige Knotenidentifikationsnummer und die Koordinaten im Raum) und zum Anderen der Elementblock, der alle Elementinformationen vorhält (Elementidentifikationsnummer, die Anzahl der Gauß- und Integrationspunkte, die Identifikationsnummern der das Element aufspannenden Knoten, die Materialeigenschaften durch Angabe einer eindeutigen Materialidentifikationsnummer, eine Identifikationsnummer für die Zugehörigkeit eines Elements zu einem bestimmten Part und die Simulationswerte in Form von Namen und Ergebniswerten). 86

87 Abbildung 85: Beispiel-VIPROF-XML-Datei Die Abbildung 85 zeigt nun dieselben Informationen bgzl. der proprietäre Daten wie Abbildung 82, jedoch in Form einer XML-Datei. Hieraus gestaltet sich nun ein Prozessablauf wie in Abbildung 86 zu sehen. Hierbei wird im Anschluss an einer der Teilsimulationen (z. B. Umformen) das proprietäre Datenformat (z. B. M01) mittels SCAIMapper des Fraunhofer SCAI für den nächsten Simulationsschritt aufbereitet. Parallel dazu werden die proprietären Daten in das VIPROF-XML-Format konvertiert, diese wiederum in das JT-Format, und beide Dateien (XML und JT) werden im PDM-System vorgehalten. Die ursprünglichen proprietären Daten werden nicht mehr benötigt und somit verworfen. Wesentliche Bestandteile dieser Lösung, nebst ihrer Funktion sind: Der SCAIMapper: Ein vom Fraunhofer SCAI entwickeltes Programm zur Verbindung und Anpassung der Daten vieler auf dem Markt erhältlicher FEM- Programme und ihrer Netze unter- bzw. aufeinander. Der VIPROF-XML-Konverter: Ein im Rahmen des Projektes Virtuelle Produktion und Fertigung von Fahrzeugen erzeugtes Programm zur Konversion der im Projekt anfallenden proprietären Daten und deren Rücktransformation (dies jedoch mit Einschränkungen, die später beleuchtet werden). 87

88 Der JT-Konverter: Ein vom Fraunhofer IGD und der Volkswagen AG entwickeltes Programm zur Konversion der im Projekt erzeugten XML-Daten mittels JT und deren Visualisierung über das frei erhältliche Programm JT2Go Abbildung 86: Ablauf des Simulationsprozesses mit Unterstützung durch das XML-Datenformat Diese Daten müssen nun im PDM/SDM-System abgelegt werden. Hierzu sind die Datengrößen zu untersuchen, um Aufschluss darüber zu erhalten, inwiefern das nun resultierende Datenaufkommen wirtschaftlich händelbar ist. Ausgehend von den proprietären Daten, den XML-Daten sowie deren JT-Visualisierung ergeben sich folgende Szenarien: Szenario 1 Ablage der proprietären Daten und deren XML-Repräsentation sowie der JT-Visualisierung: Innerhalb dieses Szenarios sind zum einen die ursprünglichen Daten im PDM/SDM-System abgelegt und deren XML. Die Visualisierung der einzelnen Ergebnisse ist mit wenigen hundert Kilobyte zu vernachlässigen, sodass mit einem Datenaufkommen von ca. 225% ggü. der ursprünglichen Datengröße zu rechnen ist. Dies macht ein Datenzuwachs von 125%. Dies ist datentechnisch die schlechteste Variante, da zum einen Redundanzen herrschen, und zum zweiten das erhöhte Datenaufkommen unwirtschaftlich erscheint. Szenario 2 Ablage der XML-Daten sowie der JT-Visualisierung: Innerhalb dieses Szenarios sind ausschließlich die XML-Daten im PDM/SDM-System abgelegt und deren Visualisierung. Durch die Einsparung der proprietären Daten ist mit ei- 88

89 nem Datenaufkommen von ca. 125% ggü. der ursprünglichen Datengröße zu rechnen ist. Dies macht ein Datenzuwachs von 25%. Dies ist datentechnisch die ideale Variante, da keine Redundanzen herrschen, und die Daten direkt verarbeitet werden können. Szenario 3 Ablage der XML-Daten in komprimierter Form sowie der JT- Visualisierung: Innerhalb dieses Szenarios sind die XML-Daten ggü. Szenario 2 in komprimierter Form (z. B. als zip-datei) im PDM/SDM-System abgelegt und deren Visualisierung. Durch die Komprimierung der XML-Daten ist mit einem Datenaufkommen von ca. 105% ggü. der ursprünglichen Datengröße zu rechnen ist. Dies macht ein Datenzuwachs von 5%. Dies ist datentechnisch die optimale Variante, bei der die Daten jedoch nicht direkt verarbeitet werden können, sondern vorher dekomprimiert werden müssen Funktionsweise und Begrenzungen des XML-Konverters Funktionsweise Der im Rahmen des Projektes entwickelte XML-Konverter ist in der Lage, Daten nach Maßgabe der ESI GmbH und der CADFEM GmbH bzw. ANSYS Inc. zu konvertieren; Abbildung 87 zeigt die möglichen Konversionsroutinen (gelb = Datenformat ESI GmbH, blau = Datenformat CADFEM GmbH bzw. ANSYS Inc.). Abbildung 87: XML-Konverter inkl. seiner Konversionsroutinen Hierbei ist der XML-Konverter in der Lage nicht nur aus den proprietäre Daten XML zu erzeugen, sondern ebenso aus den XML-Daten das ursprüngliche, proprietäre Datenformat zu generieren. Um aus den proprietären Daten ein einheitliches XML- Datenformat erzeugen zu können, sind Anpassungen an den ursprünglichen Infor- 89

90 mationen vorzunehmen, um innerhalb des XML Homogenität bzgl. der Information zu erreichen. Hierzu war es notwendig Anpassungen zwischen den Daten des CAD- FEM-Formates vorzunehmen, wo Programme, die dieses Datenformat erzeugten, vereinzelt im Aufbau zu unterscheiden waren. Der XML-Konverter erkennt nun den unterschiedlichen, strukturellen Aufbau, passt diesen an und konvertiert folgend in das XML-Format. Eine weitere Anpassung nimmt der XML-Konverter im Bereich der Elemente vor. Elemente innerhalb der proprietären Daten (sowohl der ESI GmbH als auch der CADFEM GmbH bzw. der ANSYS Inc.) werden so die Beschränkungen innerhalb des Projektes als Viereckselemente abgelegt, haben also vier Knoten, die ein solches Element aufspannen. Eine solche Definition lässt es jedoch zu, auch Dreieckselemente abzulegen, wofür es jedoch zwei potentiell zu unterscheidende Möglichkeiten gibt: Die Dreieckselemente werden mit vier Knoten abgelegt, wobei der letzte, nicht vorhandene Knoten, mit 0 belegt wird. Die Dreieckselemente werden mit vier Knoten abgelegt, wobei der letzte Knoten identisch dem Vorletzten ist, als zwei Knoten übereinander liegen und so ein Dreieckselement aufspannen. Der XML-Konverter erkennt beide Ablagemöglichkeiten und passt die Daten aufeinander an. Eine Weitere Anpassung nimmt der XML-Konverter im Bereich der Simulationswerte vor. So gibt es Programme am Markt, die ihre Simulationsergebnisse elementbasiert abspeichern, also an einem Punkt innerhalb des Elementes ablegen. Andere wiederum speichern ihre Ergebnisse knotenbasiert ab, d.h., dass jeder Knoten nun ein solches Simulationsergebnis erhält. Dies macht einen Unterschied je Element von 3 Ergebniswerten. Der XML-Konverter erkennt diese unterschiedlichen Ansätze und erzeugt aus den vier Knotenwerten einen Elementwert per Mittelung. Bei einer Rücktransformation ist dies natürlich problematisch, da eine reine Kopie des XML-Elementwertes auf die Knoten einen Informationsverlust darstellt, der nicht wirtschaftlich zu vertreten ist, eine Abspeicherung der Knotendaten, z. B. in Form eines Kommentars aber ebenfalls nicht in Frage kommt, da so die XML-Daten um ein vielfaches größer werden würden selbst kleinere Dateien haben Elemente, sodass hierbei zusätzliche Werte als Kommentar zu speichern sind. Der XML-Konverter nimmt bei der Rücktransformation also der Überführung von Elementwerten zu Knotenwerten alle an einen Knoten grenzenden Elemente und mittelt die Elementwerte nun auf den Knoten. Studien haben gezeigt, dass die Abweichungen der Ursprungswerte von diesem Rücktransformationswert marginal und damit vernachlässigbar sind. 90

91 Begrenzungen Die unterschiedliche Ablage der Daten innerhalb der proprietären Datenformate bringt jedoch auch Begrenzungen mit sich, die der XML-Konverter nicht in der Lage ist zu kompensieren. So werden die Simulationsergebnisse, die in einem Element abgespeichert sind und durchaus auch Richtungswerte sein können (z. B. für die plastische Dehnung) in unterschiedlichen Koordinatensystemen abgespeichert. Es existieren also Tools, die ihre Ergebnisse ausgehend von einem globalen Nullpunkt/Koordinatenursprung abspeichern und andere, die dies in einem lokalen Koordinatensystem tun, wo also der Nullpunkt innerhalb des Elements zu finden ist. Darüber hinaus existieren mehrere Möglichkeiten diesen lokalen Nullpunkt zu definieren. Diesen Umstand zu beheben, ist der XML-Konverter nicht in der Lage, weshalb der SCAIMapper innerhalb der Prozesskette Anwendung findet. Ebenso problematisch ist die bereits weiter oben besprochene Überführung von Knotendaten auf Elementdaten und deren Rücktransformation. Wie besprochen werden bei der Rücktransformation die am Knoten angrenzenden Elemente benutzt, um mit deren Hilfe einen Knotenwert zu berechnen. Dabei bleibt unberücksichtigt, welche Größe die einzelnen Elemente besitzen und daraus folgend auch ihr Einfluss auf den resultierenden Knotenwert, d.h. ob größere Elemente mehr Einfluss auf den Knotenwert haben sollten. Dieser Umstand ist ersten Vermutungen nach zu berücksichtigen, im Rahmen des Projektes jedoch nicht weiter ausgeführt. Daraus ergibt sich, dass, bedingt durch die unterschiedliche Speicherung bestimmter Daten, eine Transformation von einem Datenformat über XML in ein anderes nicht möglich ist. Der XML-Konverter erkennt das Ursprungsformat und lässt eine Rücktransformation nur in diese kompatiblen Datenformate zu. 91

92 3.7 Entwicklung einer systemübergreifenden Datenablage im PDM-System zur Realisierung einer durchgängigen Simulationsprozesskette (TU Chemnitz, ARC Solutions GmbH) Problemstellung und Ziele Die Basis für die Schaffung einer durchgängigen Simulationsprozesskette ist die Kenntnis aller ablaufenden Prozesse sowie aller Ein- und Ausgabedaten, die von den Simulationsprogrammen genutzt werden. Zu Beginn des Projektes erfolgte deshalb in einer Ist-Analyse die Ermittlung aller notwendigen Prozesse und Daten/Attribute der Teilgewerke. Dazu wurden Befragungen durchgeführt, vorhandene Prozessbeschreibungen ausgewertet und die einzelnen Simulationsprogramme untersucht. Für die Abbildung der Prozesse wurden unterschiedliche Modellierungsmethoden auf ihre Einsatzfähigkeit geprüft. Als besonders geeignet für die Modellierung der zu betrachtenden Prozessketten hat sich die Methode der ereignisgesteuerten Prozessketten herauskristallisiert. Mit dieser Methode ist es möglich den Prozessablauf mit allen Ein- und Ausgabedaten, den ausführenden Stellen und die genutzten Anwendungssysteme in einem Modell darzustellen. Nach der Modellierung der Ist-Prozesse wurde eine Schwachstellenanalyse durchgeführt. Die Analyse der Ist-Prozesse zeigte die unabhängige Arbeitsweise der einzelnen Teilbereiche. Der Simulationsbereich ist charakterisiert durch eine große Zahl von verschiedenen Werkzeugen, die eine Vielzahl verschiedener Datenformate nutzen. Somit ist der Datenaustausch zwischen den unterschiedlichen Werkzeugen erschwert. Schnittstellen zwischen den Simulationssystemen sind meist nur unter herstellereigenen Systemen vorhanden. Aufgrund der fehlenden Verbindung werden die Ergebnisdaten der vorangegangenen Simulationen nicht berücksichtigt. Es wurde ersichtlich, dass die meisten Simulationsdaten in verschiedenen Dateisystemen abgelegt werden und somit keine durchgängige, konsistente und einheitliche Datenablage gewährleistet ist. Die Datenbeschaffung für nachfolgende Prozesse ist erheblich erschwert und daher sehr zeitaufwendig und kostenintensiv. Schnittstellen zwischen Simulationsprogrammen und Produktdatenmanagementsystemen (PDM- Systemen) sind in der Regel nicht vorhanden. Lediglich die Ablage von Konstruktions- und Fertigungsdaten in PDM-Systemen ist heute realisiert. Ferner fehlt momentan eine automatische Steuerung und Kontrolle der Prozessabläufe. Hier bietet sich 92

93 der Einsatz eines Workflowsystems an, mit dessen Hilfe eine Übersicht über den Arbeitsfortschritt gegeben werden kann. Die Ergebnisse der Ist-Analyse sind in Abbildung 88 zusammengefasst. Abbildung 88: Ergebnisse der Ist-Analyse Als Aufgaben für die Realisierung einer durchgängigen Simulationsprozesskette wurden daher die Realisierung einer vollständigen Datenablage, die Definition von Referenzprozessketten zum Datenmanagement und deren Automatisierung über Workflows definiert Durchgängiges Datenmanagement In einem Produktentwicklungsprozess fallen eine Vielzahl verschiedener Daten (Abbildung 89) an, die durch die unterschiedlichsten Systeme, zum Beispiel CAD- Systeme und Simulationsprogramme, erzeugt werden. Ziel war die Integration aller dieser Daten in einem einheitlichen System. Dafür bietet sich der Einsatz eines Produktdatenmanagementsystems an. Es bildet eine Integrationsplattform für alle eingesetzten Datenerzeugungssysteme (PPS-Systeme, CAX- Systeme, diverse Applikationen, Projektmanagementsysteme, Officesysteme und Simulationsprogramme), was allen Daten über den gesamten Produktentwicklungsprozess entspricht [VDI2219]. 93

94 Abbildung 89: Beispiele für produktbeschreibende Daten im Produktentwicklungsprozess Auf dem Markt gibt es eine Vielzahl von PDM-Systemen, die verschiedene Ausstattungsmerkmale aufweisen. Unterschiede gibt es hinsichtlich: der Ausprägungen der einzelnen Funktionskomponenten, des Umfangs der Workflowkomponente, der vorhandenen Schnittstellen, der genutzten Softwareplattform, der Art der Architektur, der Systembedienbarkeit und -stabilität, des Bekanntheitsgrades, der Herstellerbetreuung, des Preis-Leistungsverhältnisses. Für das durchgängige Datenmanagement musste aus dem großen Angebot ein geeignetes PDM-System ausgewählt werden. Dazu wurde im Vorfeld eine entsprechende Anforderungsanalyse durchgeführt. Neben den generellen Anforderungen, die an die Einführung und den Betrieb von PDM-Systemen inkl. Workflowfunktionalität gestellt werden, kamen spezielle Anforderungen für die durchgängige Datenablage, die bei der Auswahl Priorität besaßen, hinzu. Anhand des entwickelten Anforderungskataloges erfolgte die Auswahl des PDM-Systems. 94

95 Nach der Auswertung der einzelnen Kriterien stellte sich das PDM-System Teamcenter Engineering der Siemens PLM Software als besonders geeignet heraus (Abbildung 90). Das Basismodul von Teamcenter umfasst grundlegende PDM- Funktionen wie Teile- und Dokumentenmanagement, Metadatenverwaltung, Produktstruktur- und Konfigurationsmanagement, Suchfunktionalitäten, Änderungsmanagement, Klassifizierung, Anwendungsintegration, Archivierungs- und Backupmechanismen, Benutzerverwaltung, Authentifizierung und Zugriffsverwaltung, Customizing, Einbau- und Verwendungsnachweise sowie Workflowfunktionalität. Abbildung 90: Funktionen Teamcenter Ein weiterer Vorteil ist das Modul Teamcenter for Simulation, das für die Speicherung und Verwaltung von Simulationsdaten entwickelt wurde. Es bietet ein umfassendes Datenmodell zur Verwaltung von auf Computer-Aided Engineering (CAE) basierender Geometrie, vernetzten Modellen, ausführungsfertigen Decks, Ergebnissen und Berichten, sodass die passenden Daten für die virtuellen Prototypen leicht auffindbar und wiederverwendbar sind [TEAM09]. 95

96 Das System gehört zu den meist verkauften Systemen auf dem Markt und seine Konzeption ist sowohl für Großunternehmen als auch für Mittelständler interessant. Haupteinsatzgebiet ist der Produktentwicklungsbereich. Hier können alle erzeugten Daten und Dokumente von verschiedenen Anwendungssystemen abgebildet werden, wie beispielsweise Office-Dokumente, Ideen- und Produktbeschreibungen, Anforderungen, Pflichtenhefte, CAX-Daten, Stücklisten, Zeichnungen, Änderungsanweisungen, Service-Bulletins und Layoutpläne. Teamcenter besitzt entsprechende Export- und Importfunktionen und eine Workflowkomponente, die es erlaubt den Prozess der Bearbeitung und Weiterleitung der Daten zu steuern und zu kontrollieren [VDI02]. Das System ist individuell anpassbar und durch die angebotenen Forschungs- und Lehrlizenzen stellte sich das System für die geplanten Arbeiten als besonders geeignet heraus Entwicklung von Datenablagestrukturen Bei der Entwicklung einer geeigneten Datenablagestruktur für unterschiedliche Produktdaten musste besonders auf Flexibilität geachtet werden. Zum einen bestand die Anforderung unterschiedliche Datenformate abzulegen und zum anderen musste die Struktur verschiedene Bauteilvarianten, wie sie in der Automobilindustrie häufig vorkommen, abbilden können. So ist es zum Beispiel erforderlich zu einem Bauteil die CAD-Daten, die FEM-Daten, die Fertigungsgeometrien oder die von realen Bauteilen gescannte Daten (siehe Abbildung 91) zusammen abspeichern zu können. Abbildung 91: Verschiedene Varianten eines Bauteils Schnell zeigte sich, dass das zu entwickelnde Datenmodell in Teamcenter nicht ausschließlich aus einer Struktur bestehen kann, sondern mehrere, sich einander ergän- 96

97 zende und miteinander kombinierbare Strukturen, beinhalten muss. Hierfür wurden unterschiedliche Strukturen auf der Basis von produkt- und fertigungsspezifischen Grundstrukturen entwickelt. Die folgenden vier neuen Datenablagestrukturen für die Speicherung von diversen Bauteilvarianten stellen ein Ergebnis des VIPROF-Projektes dar: EPS-Struktur (Entwicklungsproduktstruktur) FPS-Struktur (Fertigungsproduktstruktur) TPR-Struktur (Technologieprozessreihenfolgestruktur) SDM-Struktur (Simulationsdatenmanagementstruktur). Die EPS-Struktur (Entwicklungsproduktstruktur) dient zur Ablage von reinen CAD- Daten. Mit ihr werden Einzelteile und Baugruppen allein aus der Entwicklungssicht strukturiert dargestellt. Somit sieht der Bearbeiter oder Konstrukteur alle Konstruktionsteile in Form des Zusammenbaus unabhängig von der späteren Füge- und Fertigungsreihenfolge. Da bei der Bauteilkonstruktion die Entwicklung nicht mit der ersten Zeichnung abgeschlossen ist, können im PDM-System Revisionen zu Ablage unterschiedlicher Entwicklungsstände genutzt werden. Wurde keine andere Regel vereinbart, gilt die letzte Revision stets als die Arbeitsversion, welche für andere Nutzer sichtbar ist. In Abbildung 92 ist die Entwicklungsproduktstruktur des VIPROF- Demonstrators dargestellt. Abbildung 92: Entwicklungsproduktstruktur des VIPROF-Demonstrators 97

98 Im Projekt wurden als Betrachtungsumfang das Seitenteil aus dem Fahrzeug Touran GP2 ausgewählt. Dabei wurde im Bereich des Fahrzeugaufbaus die B-Säule inklusive der Verstärkung und der Gewindeplatten betrachtet und im Bereich des Fahrzeugunterbaus das Bodenteil sowie der Sitzquerträger berücksichtigt. Die gleichen Bauteile lassen sich erneut in der FPS-Struktur (Fertigungsproduktstruktur) wiederfinden. Hierbei erfolgt die Strukturierung nicht wie bei der EPS- Struktur gemäß einer Stückliste, sondern rein nach der eigentlichen Montagereihenfolge, wie sie bei der Herstellung eines Fahrzeuges durchlaufen wird. Die FPS- Struktur (siehe Abbildung 93) stellt somit die Fertigungssicht dar. Abbildung 93: Fertigungsproduktstruktur des VIPROF-Demonstrators Die dritte Struktur, die TPR-Struktur (Technologieprozessreihenfolgestruktur) ist ebenfalls gemäß der Montagereihenfolge strukturiert. Sie beinhaltet allerdings die in der Produktion zum Einsatz kommenden Technologien. Der Bearbeiter kann somit feststellen, welche Technologien in welcher Reichenfolge bei der Produkt- und Bauteilfertigung eingesetzt werden. Abbildung 94 verdeutlicht dies für das Presswerk. In der Struktur enthalten ist die im VIPROF-Projekt betrachtete B-Säule. Diese wird durch einzelne nacheinander ablaufende Operationen (OP) hergestellt. Hinter jeder Operation sind die jeweiligen Verlinkungen auf die entsprechenden Simulationsdaten zu finden. Weiterhin sind der Methodenplan, die zum Herstellungsschritt gehörende Platine und eine Verlinkung zu den entsprechenden Konstruktionsdaten vorhanden. Auf den Strukturaufbau für Simulationsdaten, welcher ansatzweise ebenfalls in Abbildung 94 dargestellt ist, wird im weiteren Verlauf dieses Berichtes näher eingegangen. 98

99 Abbildung 94: Technologieprozessreihenfolgestruktur des VIPROF-Demonstrators Alle einzelnen Strukturen sind, soweit erforderlich, miteinander verknüpft. Dieses setzen von Links bzw. Referenzieren auf eine andere Struktur unterstützt die Redundanzfreiheit und verhindert das mehrfache Abspeichern von identischen Daten. Dennoch haben die unterschiedlichen Arbeitsbereiche (z. B. Konstruktion, Fertigung) nur Zugriff auf die für sie bestimmte Struktur und die darin enthaltenen sowie verlinkten Daten. Abbildung 95: Beispiel einer Verknüpfung der einzelnen Strukturen untereinander In Abbildung 95 wird beispielhaft dargestellt, wie die Verknüpfung der einzelnen Strukturen untereinander erfolgen kann. Es ist ersichtlich, dass jeweils der letzte Arbeitsschritt in einer Reihe von Operationen aus der TPR-Struktur mit der FPS- Struktur verlinkt ist. Dies entspricht dem Bauteil, wie es bei der Fahrzeugherstellung 99

100 eingebaut wird. Zusätzlich dazu ist ebenfalls eine Verlinkung aus der EPS-Struktur (das reine CAD-Bauteil) in die FPS-Struktur zu finden. Wird aus beiden Strukturen (EPS und TPR) in die FPS-Struktur verlinkt, lassen sich die Bauteile (simuliert und konstruiert) einfach miteinander vergleichen, da solche Bauteile meistens erst nach einem der letzten Operationsschritte übereinstimmen. Zum Beispiel wird bei einem Bauteil mit Flansch, dieser erst nach dem Fügen (Falzen) geschlossen, wodurch sich bis zu diesem Operationsschritt das reale Bauteil von dem fertig konstruierten Bauteil unterscheidet. Die vierte Struktur, die SDM-Struktur (Simulationsdatenmanagementstruktur), wurde spezielle für die Ablage von Simulationsdaten in einem Produktdatenmanagementsystem entwickelt. Das Ziel bestand darin, alle während des Produktentwicklungsprozesses anfallenden Simulationsdaten innerhalb eines PDM-Systems zu speichern und so eine konsistente Datenbasis für alle Teilprozesse aufzubauen. Dazu wurde zunächst das Standarddatenmodell von Teamcenter analysiert. Grundsätzlich lassen sich in einem PDM-System jegliche Arten von Daten ablegen. Um Teamcenter jedoch mit Daten zu füllen, werden verschiedene Container benötigt. Dabei basiert Teamcenter auf unterschiedlichen Objekten, die durch Relationen miteinander verbunden und so Abhängigkeiten abgebildet werden können. Der standardisierte Ansatz zur Speicherung von Daten in einem PDM-System ist das Item (Objekt). Es dient als Sammelcontainer für alle relevanten Dokumente und Daten zu einem Bauteil. Ein Item besteht aus drei wesentlichen Bestandteilen, dem Dataset zur Erfassung physischer Daten (z. B. CAD-Daten, MS-Office-Dokumente), dem Formular zur Bereitstellung der Item-spezifischen Attribute und der Item Revision zur Verwaltung von Änderungsständen. Die Item Revision ist dem Item untergeordnet und beinhaltet ebenfalls Datasets und Formulare. Ein Item kann mehrere Revisionen besitzen. Abbildung 96 veranschaulicht diese Struktur. Abbildung 96: Allgemeine Datenablagestruktur von Teamcenter 100

101 Mit den genannten Items und ihren Unterordnern lassen sich die Bauteilgeometrien problemlos in Teamcenter hinterlegen. Für die Ablage von Simulationsdaten wird allerdings ein Konzept benötigt, welches zum Ersten die gegebenen Standards des PDM-Systems verwendet, zum Zweiten die Anbindung und einheitliche Ablage von Daten unterschiedlicher Simulationstools ermöglicht und zum Dritten alle im Entwicklungsprozess entstehenden Datenvarianten unterstützt. Dazu werden im PDM- System verschiedene Objekte erzeugt, die alle erforderlichen Daten aufnehmen können. Pro Simulationstyp ist im Projekt ein gesondertes Datenobjekt vorgesehen, wobei es sich um die Umform-, die Füge-, die Lackier- und die Crashsimulation handelt. Auch für die Speicherung von Simulationsdaten stehen in Teamcenter bereits vier Itemtypen zur Verfügung (Abbildung 97). Abbildung 97: Itemtypen für die Ablage von Simulationsdaten Mit dem Itemtyp Item wird die Bauteilgeometrie verwaltet. Das Analyse-Item speichert Parameter zur jeweiligen Simulation, wie zum Beispiel die Simulationsart oder das verwendete Werkzeug. Im Model-Item werden die Inputdaten für die Simulation abgelegt und unter dem Result-Item können die Ergebnisse gespeichert werden. Im VIPROF-Projekt werden lediglich die ersten drei Objekte verwendet. Die Ergebnisse werden direkt am Analyse-Objekt angehängt, wodurch auf das Result-Item verzichtet werden kann. Zusätzlich zu den Standarditemtypen für die Simulationsdaten wurde für das Projekt VIPROF eine Struktur entwickelt (siehe Abbildung 98), die sich am Ablauf einer Computersimulation mit den drei Schritten Preprocessing (Input), Solving, Postprocessing (Output) orientiert. 101

102 Abbildung 98: Aufbau der Ablagestruktur für Simulationsdaten Das Preprocessing bei einer Simulation beinhaltet die Dateneingabe. Daher enthält dieser Ordner auch alle benötigten Inputdaten, wie zum Beispiel einzelne Geometrien, Materialdaten, Maschinenkonfigurationen sowie weitere notwendige Eingabeparameter. Während des Solving wird die Simulation berechnet. Im gleichnamigen Ordner können Daten zur Programm- und Solverversion, als auch Daten zum Bearbeiter gespeichert werden. Das Postprocessing bezeichnet die Nachbearbeitung von Ergebnissen einer Simulation. Daher werden in diesem Bereich alle Outputdaten abgelegt. Es handelt sich dabei um die Ergebnisdaten in unterschiedlichen Speicherformaten (M01, XML, JT), die Endgeometrien sowie Protokolle oder Ergebnisberichte. Das PDM-System fungiert somit als ein Bindeglied zu den einzelnen Simulationssoftwaresystemen (Abbildung 99). Auf diese Weise kann eine vollständige Datenablage entlang der Prozesskette gewährleistet werden. Für die Umsetzung der entwickelten Strukturen in Teamcenter werden zum einen der Strukturmanager und zum anderen die Fertigungsprozessplanung verwendet. Im Strukturmanager wird ein Fahrzeug mitsamt der Geometrie im Aufbau zusammengestellt (Abbildung 100). 102

103 Abbildung 99: Verknüpfung von Simulationsprogrammen über ein PDM-System Abbildung 100: Produktstruktur 103

104 In der Fertigungsprozessplanung hingegen werden alle an einem Fahrzeugprojekt ausgeführten Prozesse abgebildet (Abbildung 101). Weiterhin werden die Inputdaten für die Simulation und deren Ergebnisse bereitgestellt. Eine genauere Erläuterung der Beziehungen zwischen den einzelnen Objekten erfolgt in Abschnitt 4. Abbildung 101: Fertigungsprozessstruktur mit Beispiel Umformprozess der B-Säule Für die Verwaltung unterschiedlicher Varianten wird kein separates Datenmodell eingesetzt. Eine Variante zu einem simulierten Bauteil wird identisch zum Original abgelegt. Anhand von Laderegeln kann eine unterschiedliche Variantenkonfiguration in Teamcenter abgebildet werden. Dadurch lassen sich zu jeder Zeit alle im System befindlichen Varianten und die dazugehörigen Simulationen in Teamcenter anzeigen. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Kopplung der einzelnen Simulationsprogramme an ein PDM-System viele Vorteile bietet. Neben der automatisierten Speicherung und Weiterleitung von Ein- und Ausgangsdaten der einzelnen Prozessschritte, wird zusätzlich die Fertigungshistorie in den nachfolgenden Simulationsschritten berücksichtigt. Eine solche Kopplung wurde mittels offener Schnittstellen verwirklicht, sodass weitere Simulationstools zu jedem späteren Zeitpunkt angebunden werden können. Weiterhin sind über ein im PDM-System enthaltenes Workflowsystem alle Teilprozesse voll- bzw. teilautomatisiert miteinander verbunden. Der 104

105 Fortschritt im Entwicklungsprozess ist dadurch jederzeit von allen Prozessbeteiligten einsehbar und nachvollziehbar Ableitung von Referenzprozessketten zur Datenablage Ziel des Projektes war die Gestaltung einer durchgängigen Simulationsprozesskette, die einen Datenaustausch zwischen den Einzelprozessen erlaubt. Dazu wurden Referenzprozesse entwickelt, welche die durchgängige Prozesskettensimulation unterstützen und standardisieren sollen. Die erstellten Referenzprozessketten wurden in einer Modelldatenbank abgelegt, die nach unterschiedlichen Detaillierungsstufen unterteilt ist. Dabei wurden Übersichtsmodelle, Grobmodelle, Detailmodelle und Workflowmodelle unterschieden. Der Überblicksprozess veranschaulicht die gesamte durchgängige Prozesskette mit den Hauptfunktionen. Jede Funktion wird durch hinterlegte Grobmodelle beschrieben, die den Ablauf verdeutlichen. Diesen wiederum sind Detailmodelle hinterlegt, die die einzelnen Arbeitsschritte dokumentieren. Auf der untersten Ebene werden die zu automatisierenden Prozesse als Workflowmodelle für die Nutzung in einem Workflowsystem abgelegt. Abbildung 102 veranschaulicht die Struktur der erstellten Modelldatenbank. Abbildung 102: Struktur der Modelldatenbank Eine Aufgabe der Prozesskettenmodellierung ist es, alle möglichen Pfade für die Prozesskette abzubilden. Falls in einigen Teilgewerken die entsprechenden Zielgrößen nicht erreicht werden können, müssen entsprechende Rücksprünge definiert werden. Abbildung 103 zeigt mögliche festgelegte Rücksprungvarianten, die in den 105

106 Referenzprozessketten teilweise Berücksichtigung finden. Diese Referenzprozessketten bilden die Basis für die Steuerung des Gesamtprozesses. Abbildung 103: Festgelegte Prozessvarianten Ein weiterer Schwerpunkt lag auf der Festlegung einer einheitlichen standardisierten Datenablage von einzelnen Simulationssystemen. Hierfür wurden die in diesem Zusammenhang ablaufenden Prozesse analysiert. Abbildung 104 erläutert den kreislaufähnlichen Ablauf des Simulationsprozesses bei der Datenbereitstellung und Datenablage. Weiterhin wird der Zusammenhang zwischen den unterschiedlichen Strukturen, welche im Abschnitt erläutert wurden, verdeutlicht. Abbildung 104: Simulationsprozessablauf mit Datenbereitstellung und Datenablage 106

107 Zunächst werden die CAD-Daten von einem Konstrukteur entwickelt und in der EPS- Struktur abgelegt. Es folgt die Festlegung der Fertigungsreihenfolge in der FPS- Struktur und die Technologieauslegung in der TPR-Struktur. Zur Absicherung einzelner Technologien kommen verschiedene Simulationen zum Einsatz. Die Ergebnisse der Simulation werden anschließend zurück in das PDM-System und somit in die entsprechenden Strukturen geladen. Dabei werden eine automatische Formatumwandlung und das Mapping durchgeführt. Für die Durchführung dieser Simulationen wurden ebenfalls die entsprechenden Prozessketten analysiert. Die Analyse ergab, dass für alle im Projekt betrachteten Simulationen der Ablauf gleich abläuft. Entsprechend wurde der in Abbildung 105 dargestellte Referenzprozess für die Durchführung einer Simulation festgelegt. Abbildung 105: Referenzprozesskette für das SDM in VIPROF Der Prozess beginnt mit der Vergabe der Simulationsaufgabe an den Planer. Dessen Aufgabe ist die Beschaffung aller für die Simulation notwendigen Eingabedaten und deren Ablage im PDM-System. Anschließend wählt er einen Berechner (Simulanten) für die Aufgabe aus und übermittelt ihm die Arbeitsaufgabe. Im nächsten Schritt führt der Berechner die eigentliche Simulation durch. Nach Abschluss der Arbeiten legt er die relevanten Simulationsergebnisse im PDM-System ab. Beim Einlesen der Daten erfolgt eine automatische Datenkonvertierung, die für die Datenübertragung zwischen den Systemen notwendig ist. Anschließend führt der Planer einen Freigabeprozess durch, bei dem er über die Güte der Simulationsergebnisse entscheidet. Die 107

108 Bewertung wird mit Hilfe einer Statusampel im PDM-System dargestellt. Um diesen Referenzprozess jeweils standardisiert ablaufen zu lassen, bietet sich eine Automatisierung mittels eines Workflows an Automatisierung von Referenzprozessketten mittels Workflows Hauptziel der Workflowfunktion ist die schnelle Abarbeitung von Aufgaben in einer vorgegebenen Reihenfolge. Es werden Aufgaben vom Workflowmanagementsystem vergeben und an die entsprechenden Bearbeiter weitergeleitet, welche sie anschließend bearbeiten. Dieser Vorgang erfolgt oftmals in mehreren Stufen, bis die entsprechende Zielstellung erreicht ist. Insbesondere für sich wiederholende, strukturierte Prozesse, wie zum Beispiel Freigabe-, Datenablage- und Archivierungsprozesse sowie Statuswechsel, kommen automatisierte Prozesse zum Einsatz. Das Workflowmanagementsystem übernimmt dabei die Koordinationsaufgabe und stellt so die zeitlich-sachlogische Reihenfolge der auszuführenden Funktionen sicher [MÜHL05]. Die Workflowkomponente in einem PDM-System stellt eine Umgebung zur Erzeugung von Workflowmodellen sowie deren Ausführung bereit. Entsprechend der Aufgaben werden die zwei Komponenten Modellierung (Buildtime) und Ausführung (Runtime) unterschieden (Abbildung 106) [WFMC99]. Abbildung 106: Komponenten eines Workflowsystems Die Modellierungskomponente dient der grafischen Beschreibung von Prozessen und deren Automatisierung. In der Definitionsphase werden hier die Abfolge der Auf- 108

109 gaben festgelegt und die Bearbeiter über das Rollenmodell zugeordnet. Weiterhin müssen für jede Aktion die genutzten Anwendungssysteme und Datenobjekte definiert werden. Anschließend erfolgt die Automatisierung der Prozesse über die Definition von Handlern. Unter einem Handler versteht man kleine Steuerungsprogramme, die die Aktionen steuern. Die Beschreibung muss so erfolgen, dass sie von der Ausführungskomponente umgesetzt werden kann. Für die Instanziierung und Steuerung der Prozesse steht die Ausführungskomponente zur Verfügung. Sie startet, steuert und protokolliert den Workflow. Dabei kann jeder Workflowprozess mehrfach für unterschiedliche Objekte gestartet werden. Die Ausführungskomponente ist dabei als ein Service definiert, der eine Laufzeitumgebung zur Ausführung einer Workflowinstanz zur Verfügung stellt. Sie regelt auch die Interaktion mit den Anwendern. Die Anweisungen entsprechend dem gestarteten Workflow werden den Anwendern in so genannten Eingangskörben als Tätigkeitslisten oder offenen Tasks zur Verfügung gestellt. Sie dienen der Kommunikation mit dem Anwender, der hier seine Arbeitsaufgaben abrufen und erledigte Aufgaben dem Workflow übergeben kann. [WFMC99] Es existieren unterschiedliche Prozessarten, die sich hinsichtlich ihrer Strukturiertheit, Komplexität und Veränderlichkeit unterscheiden. So gibt es zum Beispiel Prozesse, deren Ablauf genau vorbestimmt ist, und es gibt Prozesse, deren Ablauf sich nur teilweise oder gar nicht vorhersagen lässt. Diese Tatsache spiegelt sich in unterschiedlichen Automatisierungsgraden von Workflows wider. Abbildung 107 veranschaulicht die unterschiedlichen Grundprinzipien der Automatisierung. Die Ausführung von Workflows kann manuell, vollständig automatisch oder teilautomatisch, d.h. mit einer Benutzerinteraktion, ausgeführt werden. Der Nutzer wählt dabei beispielsweise den nächsten Bearbeiter aus. Das Workflowsystem übernimmt hingegen die Kontrolle der Informationsverteilung. 109

110 Abbildung 107: Grundprinzip Workflow: Automatisierungsgrad Auf Basis der modellierten Referenzprozessketten werden die Workflows abgeleitet und mit Hilfe des im PDM-System integrierten Workflowsystems implementiert. Der oben beschrieben Simulationsreferenzprozess wurde entsprechend voll- bzw. teilautomatisch umgesetzt. Alle Teilprozesse in denen Entscheidungen getroffen oder fallspezifische Daten beschafft werden müssen laufen teilautomatisch ab. Das heißt, diese Prozesse werden durch den Workflow gesteuert, die eigentliche Abarbeitung erfolgt jedoch durch den Mitarbeiter. Entscheidungen wie die Auswahl des Planers und des Berechners, die Beschaffung der Inputdaten, die Durchführung der Simulation, die Ablage der Outputdaten sowie die Entscheidungen der endgültigen Freigabe werden durch den jeweiligen Bearbeiter durchgeführt und vom Workflow gesteuert und kontrolliert. Die Datenkonvertierung als auch das Setzen des Status kann anschließend wieder automatisch durch den Workflow erfolgen. Die verschiedenen Automatisierungsgrade des Simulationsreferenzprozesses sind in Abbildung 108 veranschaulicht zusammengefasst. 110

111 Abbildung 108: Übersicht der voll- und teilautomatisierten SDM-Prozesse Im Projekt wurden mehrere Workflows implementiert, welche auf den von der TU Chemnitz modellierten Referenzprozessketten basieren und den realen Prozessablauf abbilden. Im Teamcenter Modul Workflow Designer lassen sich einzelne Prozessschritte anlegen, ausführende Personen zuweisen oder auch allgemein nur bestimmte Nutzergruppen. Mit Hilfe von Action- und Rulehandlern können viele Abläufe so implementiert werden, dass sie automatisch vom System abgearbeitet werden. Solche Prozessschritte können zum Beispiel der Ex- und Import von Dateien, Konvertierungen oder Statuszuweisungen sein. Für den Bereich der Umformsimulation zeigt Abbildung 109 den Workflow wie er von ARC Solutions in Teamcenter implementiert wurde. 111

112 Abbildung 109: Workflowablauf für Umformsimulation Im Einzelnen ist der Ablauf wie folgt umgesetzt worden. Nachdem ein Objekt in Teamcenter ausgewählt und der Workflow gestartet wurde, wird der Status Rot dem Objekt zugewiesen. Einem Status können unterschiedliche Berechtigungen angehangen werden. In diesem Beispiel können von nun an keine Änderungen mehr an den übergebenen Objekten vorgenommen werden. Die Objekte sind für die weitere Bearbeitung gesperrt. Damit wird sichergestellt, dass nur Änderungen von den am Prozess beteiligten Personen durchgeführt werden. Im nachfolgenden Schritt Umformsimulation ausführen wurde definiert, an wen die Aufgabe vergeben wird. In diesem Fall an den Berechner. Es ist auch möglich statt eine vorher definierte Person oder Gruppe automatisiert zuzuweisen, dies erst zur Laufzeit des Prozesses manuell durch den Planer vergeben zu lassen. Auch im folgenden Prozessschritt Umformsimulation überprüfen wurde ein Anwender als auszuführende Person definiert. Hier erhält der Planer die Aufgabe die Ergebnisse der Simulation zu verifizieren und dies in einem Formular zu dokumentieren. Der Workflowschritt Check Prüfformular wird nun vom System ausgeführt. Dafür wurde ein Actionhandler implementiert, welcher das angehängte Formular nach einem Attribut durchsucht und dieses auswertet. Nach entsprechendem Inhalt des Attributes wird ein neuer Status vergeben (z. B. Rot, Gelb, Grün). Im letzten Prozessschritt wird dieser Status gesetzt. Der Workflow für das Umformen ist in diesem Fall dann abgeschlossen. Als Ergebnis erhält man das Start-Objekt der Simulation mit Ergebnisfiles und Status. Die sich anschließen- 112

113 den Workflows für das Fügen und Lackieren werden vergleichbar wie der Umformprozess manuell vom Planer ausgelöst. Im einfachsten Fall unterscheiden sich die Prozessschritte nicht. Es ist allerdings in allen Workflows möglich anhand von zu implementierenden Handlern weitere Schritte zu automatisieren oder den Gesamtprozess noch detaillierter abzubilden. Eine ausführlichere Erläuterung des Workflowablaufes wird in Abschnitt 4 vorgenommen. Zusammenfassend bedeutet dies, dass alle Teilprozesse innerhalb des Workflows so miteinander gekoppelt werden können, dass sie wie ein zusammenhängender Ablauf des Gesamtprozesses wirken. Einzelne Prozessschritte werden somit weitestgehend automatisiert miteinander verbunden und ausgeführt. Manuelle Übertragungen entfallen und der Gesamtprozess wird effizienter. Durch die Vergabe eines Status nach jedem Teilprozess kann nachvollzogen werden, ob die Simulation erfolgreich war oder Anpassungsbedarf, zum Beispiel in Form einer Konstruktionsänderung, besteht. Der Status orientiert sich dabei am Ampelsystem mit den Farben Rot, Gelb und Grün. Das Workflowsystem übernimmt auf diese Weise die Steuerung der gesamten Simulationsprozesskette. Die Entwicklung der konsistenten Datenablage und deren Automatisierung mittels Workflows ist eine Voraussetzung für die Realisierung einer durchgängigen Simulationsprozesskette. Sie ermöglicht eine vollständige Datenablage aller anfallenden Daten und damit eine Verfügbarkeit in allen Bereichen. Durch die Bildung von Referenzprozessketten und deren Automatisierung wurde eine durchgehend standardisierte Datenablage realisiert. Somit leisten die durchgeführten Arbeiten einen entscheidenden Beitrag zu einer durchgängigen, digitalisierten und kooperativen Entwicklungs- und Produktionsplanung Kopplung der Prozesssimulation Umformen Fügen Lackieren Eines der Ziele des Projektes war es die verschiedenen Simulationen für das Umformen, Fügen und Lackieren miteinander zu verbinden und die Ergebnisdaten des Vorgängerprozesses im jeweiligen Prozessschritt wiederzuverwenden. Hierfür mussten Schnittstellen und vor allem ein einheitliches Datenformat erstellt werden. In Absprache mit den weiteren Projektpartnern wurde sich auf XML als einheitliches Datenformat geeinigt, welches zur Übertragung der Simulationsergebnisse dienen soll. Erweitert durch eine visuelle Darstellung als JT lassen sich so nachhaltig alle Ergebnisse sinnvoll ablegen und weiterverwenden. Für beide Formate wurden spezielle Konverter implementiert (vgl. Kapitel 3.5.2, und 3.6.4). Beide Konverter wurden durch ARC Solutions in den Gesamtprozess integriert und mittels implementierter 113

114 Skripte so eingebettet, dass der Ablauf dieser Konverter vom Anwender unbemerkt im Hintergrund von statten geht. Dazu wurde in der Teamcenter Applikation CAE Manager eine Toolkonfiguration erstellt, welche es ermöglicht den Datenim- und Export sowie die Konvertierungen automatisiert umsetzen zu lassen. Hierfür wurden Definitionen erstellt, die festlegen, welche Daten aus welchen Teamcenter Objekten gebraucht, welche Programme mit welchen Parametern gestartet und welche Skripte ausgeführt werden sollen. Ebenfalls wurden die Skripte, die den Ablauf der Konverter managen erstellt. Als Ergebnis hat man eine Konfiguration pro Simulationsart (Abbildung 110), welche manuell vom Anwender oder per Workflow gesteuert ausgeführt werden. Eine ausführlichere Erläuterung wird in Abschnitt 4 gegeben. Abbildung 110: Menu mit Konfigurationen für die Simulationen VIPROF Modulcockpit zur Erhöhung der Transparenz im Entwicklungsprozess Im VIPROF-Projekt wird zur Bewertung der Simulationsergebnisse auf ein Ampelsystem gesetzt. Die Farben Rot, Gelb und Grün signalisieren ob eine Simulation erfolgreich war, ob sie mit Mängeln genehmigt wurde oder ob sie nicht erfolgreich war. Für eine bessere Transparenz dieser Ergebnisbewertung innerhalb eines Fahrzeugprojektes, in dem alle Simulationsergebnisse aufgeführt werden, sollte ein Modulcockpit 114

115 entwickelt werden. In diesem Cockpit soll es möglich sein möglichst auf einen Blick den derzeitigen Stand im Entwicklungsprozess eines Fahrzeuges zu erkennen. Abbildung 111 zeigt eine mögliche Umsetzung eines solchen Cockpits in Teamcenter. Abbildung 111: Layoutbeispiel für Modulcockpit Da im PDM-System noch kein vergleichbares Modul existiert musste eine völlig neue Applikation modelliert werden. Dabei wird die Struktur des jeweiligen Fahrzeugprojektes pro Simulationsart dargestellt. Die Simulationsart wird in Reitern abgebildet. Jeder Reiter zeigt den derzeitigen Stand der Simulation anhand des Ampelsystems. Damit kann zu jeder Zeit während des Entwicklungsprozesses eine Einsicht in den aktuellen Entwicklungsstand gegebenen werden. Über einen Viewer im rechten Teil der Applikation können bereits vorhandene Ergebnisse visualisiert werden. Literatur [MÜHL05] zur Mühlen, M.; Hansmann, H.: Workflowmanagement. In: Becker. J.; Kugeler, M.; Rosemann, M.: Prozessmanagement. Ein Leitfaden zur Prozessorientierten Organisationsgestaltung. 3. Auflage, Berlin u.a.: Springer-Online, 2005, S ISBN

116 [TEAM09] Teamcenter 8: Handbuch zu Teamcenter for Simulation, Veröffentlichungsnummer PLM00040 C, Siemens Product Lifecycle Management Software Inc., Stand: [VDI02] Verein Deutscher Ingenieure: VDI-Richtlinie 2219: Informationsverarbeitung in der Produktentwicklung Einführung und Wirtschaftlichkeit von EDM/PDM-Systemen, Düsseldorf [VDI2219] VDI-Gesellschaft Entwicklung Konstruktion Vertrieb (EKV): VDI- Richtlinie 2219: Informationsverarbeitung in der Produktentwicklung - Einführung und Wirtschaftlichkeit von EDM/PDM-Systemen, [WFMC99] Workflow Management Coalition (Hrsg.): WfMC Terminology & Glossary v3.0 (WfMC-TC-1011), 1999, verfügbar unter (Stand Dezember 2011). 116

117 3.8 Perspektiven des Mittelstands (VDC) Die im Projekt VIPROF erzielten Ergebnisse wurden unter Berücksichtigung der Anforderungen des Projektpartners Volkswagen, aber auch einiger, nicht im Projektkonsortium vertretenen, Firmen erarbeitet. Volkswagen stellte das Anwendungsszenario und ist somit das erste Unternehmen, das als Anwender von den VIPROF- Arbeitsergebnissen profitieren kann. Eine wichtige Funktion dieses Verfahrens liegt darin, dass auf diese Weise die Praxisrelevanz des Vorhabens gesichert wird. Die Rolle der Automobilindustrie als Erstanwender, so genannte early Adopter, hat sich hier wie in so vielen Bereichen der Virtuellen Techniken erneut gezeigt. Damit hat diese Industrie gleichzeitig eine wichtige Rolle als Vorreiter und Vorbild für andere Unternehmen innerhalb und außerhalb der Branche. Diesen Transfer zu unterstützen, war wiederum Aufgabe des Projektpartners Virtual Dimension Centers (VDC) in Fellbach (siehe Abbildung 112). Abbildung 112: Virtual Engineering im Überblick Virtuelle Techniken sind heute aus der fertigenden Industrie kaum mehr wegzudenken. Schon vor vielen Jahren ist erkannt worden, dass es ein grundsätzliches Problem der Produktentwicklung ist, dass die Zeitpunkte der Kostenfestlegung und der Kostenentstehung teils weit auseinanderliegen [Munroe]. Festgelegt werden die Kosten eines Produkts vor allem während der Entwicklung, wohingegen die Kosten schwerpunktmäßig in der Produktion entstehen. Materialkosten, Arbeitskosten und Gemeinkosten bilden hier die größten Positionen. Gleichzeitig ist bekannt, dass nicht unerhebliche Kosten dadurch entstehen können, dass erst spät im Entwicklungsprozess Änderungen am Produkt vorgenommen werden müssen. So kann sich bei- 117

118 spielsweise erst spät herausgestellt haben, dass es Probleme bei der Fertigbarkeit gibt: Das Produkt oder Teile lassen sich nur unter großem Aufwand oder gar nicht wie geplant herstellen. Die zugehörige Faustregel geht davon aus, dass die Änderungskosten exponentiell mit dem Projektfortschritt ansteigen [Visintin]. Natürlich ist es so, dass auf der anderen Seite der Kenntnisstand ja gerade erst mit dem Projektfortschritt ansteigt. Darüber hinaus gilt: je komplexer das Produkt ist, desto höher werden Änderungskosten angesetzt [Aberdeen]. Wie existentiell wichtig das Thema für die Wirtschaft ist, lässt sich auch daran ablesen, in welchem Umfang die Anzahl Produktrückrufen in den letzten Jahren gestiegen ist. Von 139 Produkt- Rückrufen in der EU im Jahr 2003 stieg der Wert auf 2244 im Jahr 2010 [Rapex]. In genau dieser Problematik kommen Virtuelle Techniken zum Einsatz. Zielsetzung des Einsatzes Virtueller Techniken ist es, möglichst viele Produkteigenschaften und -funktionen schön möglichst früh im Produktentwicklungsprozess überprüfen und beurteilen zu können. Nach Möglichkeit wird dabei kein Bereich ausgespart: Design, Ergonomie, physikalische Eigenschaften, Logik, Fertigbarkeit oder Montierbarkeit können zu den überprüften Eigenschaften zählen. Simulation und Visualisierung kommen zum Einsatz. Ein stringentes Produktdatenmanagement sorgt dafür, dass sämtliche Prozess-Schritte mit Daten aus vorhergehenden Überprüfungen versorgt werden. Damit wird klar, dass Virtuelle Techniken nicht nur allein für die Automobilindustrie und deren Zulieferer relevant sind: Überall dort, wo in der fertigenden Industrie komplexe Produkte mit hohem Aufwand entwickelt werden, muss frühzeitig im Entwicklungsprozess überprüft und beurteilt werden. Der Maschinenbau zählt somit auch zu den potentiellen Anwendungsfeldern virtueller Techniken. Neben den klassischen ingenieurtechnischen Feldern, die den Maschinenbau in der Vergangenheit stark prägten, gewinnt das Design immer mehr an Bedeutung. Das Design umfasst nicht nur die technisch-funktionale sowie Benutzer-gerechte Gestaltung, sondern mittlerweile eben auch eine ansprechende und wiedererkennbare Form- und Farbgebung. Dahinter steckt die Bestrebung, das Design neben der Technologie als Differenzierungsmerkmal zu nutzen. Durchdachtes Design zur Steigerung der Kundenzufriedenheit und hervorragendes Design als Qualitätsanmutung werden künftig eine größere Rolle spielen. Einhergehend steigt die Produktkomplexität erneut, ebenso wie die Qualitätsanforderungen. 118

119 Das Virtual Dimension Center (VDC) Fellbach hat innerhalb des Projekts VIPROF eine Umfrage unter Maschinenbau-Unternehmen durchgeführt. Konkret ging es um die Fragestellung, inwiefern Prozesse des Umformens, Fügens oder Lackierens im Unternehmen durchgeführt werden, wer diese Prozesse auslegt und ob Simulationswerkzeuge zur Unterstützung eingesetzt werden. Dabei traten folgende Ergebnisse zu Tage: Die Prozesse Umformen und Fügen sind weit verbreitet (86%). Lackiert wird seltener, dann aber häufiger ausgelagert (50%). Es gibt selten eine Personalunion (29%) derjenigen, die Umform-, Füge- und Lackierprozesse auslegen. Darüber hinaus arbeiten diejenigen, die dieses durchführen, ebenso selten in der gleichen Organisationseinheit (29%). Querschnittsveranwortliche im Prozess sind häufig (29%) nicht benannt worden. Abstimmungstreffen werden in der Regel erst vor dem oder beim Anlauf oder nach Problemen abgehalten. 71% der Firmen führen Simulationen durch, vor allem, um Zeit und Kosten zu sparen (67%) und die Qualität zu steigern (50%). 57% der Unternehmen nutzen dazu Stand-Alone-Produkte. Die Simulationsergebnisse werden aber zumeist nicht im Prozess weiterverwendet, da dieses nicht notwendig, technisch nicht möglich oder organisatorisch nicht vorgesehen ist. Weiteres Optimierungspotenzial der Prozesse Umformen-Fügen-Lackieren ist zu signifikanten Anteilen nicht bekannt (25-50%). Mit diesen Antworten ergeben sich hinsichtlich der Relevanz der VIPROF-Ergebnisse für den Maschinebau folgende Schlussfolgerungen: die Anwendungsbereiche Umformen und Fügen besitzen die größere Bedeutung. Interesse an Simulationstechniken ist vorhanden, aber auch eine Unsicherheit bezüglich möglicher Einsatzpotenziale. Zur Unterstützung des Maschinenbaus zählen somit nicht nur technische Lösungen, sondern auch und insbesondere organisatorische Hilfestellungen. Literatur [Munroe] The design determines the Cost, Munroe & Associates, [Visintin] Visintin, Gabi: Return on Investment bei VR- und Simulationslösungen. In: cad-cam, Carl-Hander-Verlag,

120 [Aberdeen] The transition from 2D drafting to 3D modeling benchmark report, Aberdeen Group, Boston, 2006 [Rapex] Rapex: Weiterführende Literatur Belker, Reinhard: Virtuelle Produkt- und Produktionsentwicklung, Siemens AG, Siemens Transportation, Krefeld 2008 Decker R.; Bödeker, M.; Franke, K.: Potentiale und Grenzen von Virtual Reality- Technologien auf industriellen Anwendermärkten. Possibilities of virtual reality technologies, University Bielefeld. IM Information Management & Consulting (2002) Band 17 Engel, C.; Menzer, M.; Nienstedt, D.: GPM Deutsche Gesellschaft für Projektmanagement e.v. (Hrsg.) / PA Consulting Group (Hrsg.): Projektmanagementstudie Ergebnisse der Projektmanangementstudie "Konsequente Berücksichtigung weicher Faktoren", Frankfurt / München, 2006 Grimm, Sebastian: Icido Virtual Reality. Risikominimierung mit Virtual Reality, EuroMold, Demat: Frankfurt 2009 Jansen, A.; Stein, B.; Müller, C.; Ehlbeck, I.: SIKEBA - Software-Einführung in KMU - eine Bestandsaufnahme. URL: ( ) Klocke, F.: Vorsprung durch Virtual Reality; Eine Studie über den industriellen Einsatz von VR. Aachen: Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT, 2003 Leston, J.; Ring, K.; Kyra, E.: Virtual reality. Business applications, markets and opportunities. London: Ovum Ltd Runde, C.: Konzeption und Einführung von Virtueller Realität als Komponente der Digitalen Fabrik in Industrieunternehmen. Heimsheim : Jost-Jetter Verlag, 2007 Runde, C. ; Westkämper, E. ; Kunst, S.: Ein Modell zur Wirtschaftlichkeitsbewertung des Einsatzes von Virtual Reality für Aufgaben in der Digitalen Fabrik. In: Gausemeier, J.: Augmented & Virtual Reality in der Produktentstehung : 5. Paderborner Workshop, 31. Mai und 1. Juni 2006, Paderborn 120

121 4 Zusammenfassung der Ergebnisse 4.1 Bewertung der Ergebnisse Der Ausgangspunkt zu Beginn des Vorhabens entsprach der in Abbildung 113 gezeigten Vorgehensweise bei den Automobilherstellern. Die Simulationen der Einzelprozesse Umformen, Fügen und Lackieren waren bisher nicht verknüpft. Ergebnisse aus einer gewerkespezifischen Auslegung flossen kaum in die darauffolgenden Gewerke ein. Allein in die Crash-Simulation wurden bereits in einigen wenigen Fällen plastische Formänderungen in der Blechebene und Blechdickenänderungen halbautomatisch weitergereicht (in Abbildung 113 durch den vertikalen Pfeil angedeutet). Die gängige Praxis in nachgeschalteten Prozesssimulationen war vielmehr, dass Materialeigenschaften aus dem ursprünglichen Zustand übernommen und konstante Blechdicken angesetzt wurden. Denn in den Hauptprozessen kamen bisher nur Insellösungen für die Simulation von Teilbereichen zum Einsatz, die keine datentechnische Kopplung nutzten. Abbildung 113: Stand der Technik zu Beginn des Vorhabens zum Ergebnistransfer aus der Prozesssimulation in die Produktsimulation Weiterhin bestand eine große Herausforderung darin, dass für die Durchführung der etablierten inkrementellen Umformsimulation ein hoher Modellierungs- und Berechnungsaufwand erforderlich ist und diese deshalb erst zu einem relativ späten Zeit- 121

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