Technologievorsprung durch konsequente Anwendung von Simulationstechniken. Dr. Michael Twickler, Dr. Gerhard H. Arfmann CPM GmbH, Herzogenrath

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1 Technologievorsprung durch konsequente Anwendung von Simulationstechniken Dr. Michael Twickler, Dr. Gerhard H. Arfmann CPM GmbH, Herzogenrath (c) Dr. Gerhard H. Arfmann, Dr. Michael Twickler, 21. Umformtechnisches Kolloquium Hannover 1

2 Warum dieser Vortrag? 2010 Studie der ICFG zur erreichten Umsetzung der Simulationstechnik in der Kaltformindustrie. Ergebnis: formal ist die Simulationstechnik weit verbreitet, aber hauptsächlich Nutzung zur Überprüfung der geometrischen Ausbildung (Füllverhalten) und zur Ermittlung der Umformkräfte (Maschinenauswahl), detaillierter Blicks ins Bauteil (Werkstückeigenschaften, Fehlerhinweise) äußerst selten, bzw. von Fall zu Fall bei wissenschaftlicher Begleitung, Gründe: fehlendes Wissen bzw. Erfahrung zu werkstoffkundlichen Zusammenhängen für nicht nötig erachtet oder schlichtweg aus Zeitgründen unterlassen. Interesse an einer noch konsequenteren Anwendung wecken (c) Dr. Gerhard H. Arfmann, Dr. Michael Twickler, 21. Umformtechnisches Kolloquium Hannover 2

3 Wie wecken wir dieses Interesse? durch die Präsentation erfolgreicher Anwendungen der Simulationstechnik, durch das Aufzeigen, dass es nicht nur die vermeintlich hochkomplexen Fragestellungen sind, die den Einsatz der Simulationstechnik sinnvoll machen, durch das Verdeutlichen, dass die Anwendung der Simulationstechnik in der Prozessauslegung kein neuer Arbeitsschritt ist, sondern eigentlich nur die immer notwendige zeitund kostenintensive Optimierungsschleife ersetzt, und durch das Hervorheben der Tatsache, dass es zielführender ist, detailliert hineinzuschauen als nur grob draufzuschauen (c) Dr. Gerhard H. Arfmann, Dr. Michael Twickler, 21. Umformtechnisches Kolloquium Hannover 3

4 Was ist Technologievorsprung? Technologievorsprung kann ganz vielfältig sein: der Einsatz eines neuen (oder artfremden) Verfahrens im eigenen Entwicklungs- und/oder Produktionsablauf, die industrielle Umsetzung eines neuen oder verbesserten wissenschaftlichen Ansatzes, der Einsatz neuer Produktionsmittel (Maschinen, Werkstoffe, etc.), usw., aber auch: die Wissens- und Erfahrungserweiterung durch das Lösen der sog. kleineren Probleme, und der Erfolg mit jeder etwas ungewöhnlichen Lösung. lässt überraschen, macht neugierig und interessiert und macht mutiger (c) Dr. Gerhard H. Arfmann, Dr. Michael Twickler, 21. Umformtechnisches Kolloquium Hannover 4

5 Beispiel I: Erkennbares Problem einer Fertigungsfolge für Sechskantschraube mit Flansch Arbeitsweise (klassisch, ingenieurmäßig): 1. Auslegung der Fertigungsfolge (rein geometrisch) basierend auf eigener Erfahrung, durch Vergleichen mit ähnlichen Teilen und durch Unterstützung von Auslegungsprogrammen. Ergebnis: Fertigungsfolge/Stadiengang (rein geometrisch) (c) Dr. Gerhard H. Arfmann, Dr. Michael Twickler, 21. Umformtechnisches Kolloquium Hannover 5

6 Beispiel I: Erkennbares Problem einer Fertigungsfolge für Sechskantschraube mit Flansch Arbeitsweise (klassisch, ingenieurmäßig): 2. Überprüfung der Fertigungsfolge durch Umformsimulation aller Umformstufen zwecks Ermittlung des Kraftbedarfes und zur Bewertung der erreichbaren Werkzeugfüllung = Bauteilgeometrie. Ergebnis: Kraftbedarf im machbaren Bereich, Bauteilgeometrie ausreichend genau Werkzeuge bestellen, Produktion vorbereiten (c) Dr. Gerhard H. Arfmann, Dr. Michael Twickler, 21. Umformtechnisches Kolloquium Hannover 6

7 Beispiel I: Erkennbares Problem einer Fertigungsfolge für Sechskantschraube mit Flansch Arbeitsweise (klassisch, ingenieurmäßig): 3. Produktionsversuche auf der realen Umformmaschine mit realen Werstoffen Fehler Fehler Fehler Ergebnis: Bauteil weist Fehler auf, periodische Risse am Flansch (c) Dr. Gerhard H. Arfmann, Dr. Michael Twickler, 21. Umformtechnisches Kolloquium Hannover 7

8 Beispiel I: Erkennbares Problem einer Fertigungsfolge für Sechskantschraube mit Flansch Arbeitsweise (klassisch, ingenieurmäßig): 4. Die klassische Fragestellung: Hätte man dies Problem nicht schon vorab erkennen können? Antwort: Ja, man hätte deutliche Hinweise finden können. Große, ausgeformte Flansche neigen zu Umfangsrissen der Ingenieur hätte die lokalen Spannungsverhältnisse im Bauteilkopf auswerten und bewerten sollen. Gibt es Hinweise auf kritische Zustände hinsichtlich einer Rissgefahr? (c) Dr. Gerhard H. Arfmann, Dr. Michael Twickler, 21. Umformtechnisches Kolloquium Hannover 8

9 Beispiel I: Erkennbares Problem einer Fertigungsfolge für Sechskantschraube mit Flansch Arbeitsweise (klassisch, ingenieurmäßig): 4. Die klassische Fragestellung: Hätte man dies Problem nicht schon vorab erkennen können? Antwort: Ja, man hätte deutliche Hinweise finden können. Das Verhältnis Hydrostatische Spannung zu Fließspannung zeigt kritische Werte am oberen Rand und am Flansch. Negative Werte wären unkritisch, hier treten aber Werte von bis zu 0.45 auf. nahezu alle Normalspannungskomponenten liegen im Zugbereich deutlicher Hinweis auf Rissgefahr!!! (c) Dr. Gerhard H. Arfmann, Dr. Michael Twickler, 21. Umformtechnisches Kolloquium Hannover 9

10 Beispiel I: Erkennbares Problem einer Fertigungsfolge für Sechskantschraube mit Flansch Arbeitsweise (klassisch, ingenieurmäßig): 4. Die klassische Fragestellung: Hätte man dies Problem nicht schon vorab erkennen können? Antwort: Ja, man hätte deutliche Hinweise finden können. Auch das Verhältnis Tangentialspannung zu Fließspannung weist auf eine deutliche Rissgefahr hin. Werte oberhalb von 1, zumal an einer freien Oberfläche, sind als kritisch anzusehen. deutlicher Hinweis auf Rissgefahr!!! (c) Dr. Gerhard H. Arfmann, Dr. Michael Twickler, 21. Umformtechnisches Kolloquium Hannover 10

11 Beispiel I: Erkennbares Problem einer Fertigungsfolge für Sechskantschraube mit Flansch Arbeitsweise (klassisch, ingenieurmäßig): 5. Die abschließende klassische Fragestellung: Lassen sich diese Hinweise am realen Bauteil verifizieren? Antwort: Ja, denn: - die Tangentialspannung erreicht ca. 90% der Fließspannung die Tangentialspannung ist hier die dominierende Hauptnormalspannung - das Werkstoffverhalten des Umformstahls ist als duktil anzusehen Risse sind unter 45 zur Hauptnormalspannung zu erwarten (c) Dr. Gerhard H. Arfmann, Dr. Michael Twickler, 21. Umformtechnisches Kolloquium Hannover 11

12 Beispiel I: Erkennbares Problem einer Fertigungsfolge für Sechskantschraube mit Flansch Arbeitsweise (klassisch, ingenieurmäßig): 5. Die abschließende klassische Fragestellung: Lassen sich diese Hinweise am realen Bauteil verifizieren? Antwort: Ja, denn: - das entspricht exakt den periodischen Rissen am Flansch Technologievorsprung: die gewonnene Erfahrung des Ingenieurs bzgl. zielgerichteter Anwendung der Simulationstechnik, was ihn zukünftig konsequenter und sicher mutiger arbeiten lässt (c) Dr. Gerhard H. Arfmann, Dr. Michael Twickler, 21. Umformtechnisches Kolloquium Hannover 12

13 Beispiel II: Nicht erkennbares Problem eines Kopfrisses, aber belegbares Materialproblem 1. Ausgangssituation: - Fertigungsfolge ausgelegt - Fertigungsfolge (geometrische Ausbildung, Kraftbedarf, etc.) überprüft - Werkzeuge konstruiert und bestellt - Bauteil produziert Ergebnis: Eklatante Kopfrisse (c) Dr. Gerhard H. Arfmann, Dr. Michael Twickler, 21. Umformtechnisches Kolloquium Hannover 13

14 Beispiel II: Nicht erkennbares Problem eines Kopfrisses, aber belegbares Materialproblem 2. Diverse mögliche Fragestellungen: - Woher kommt dieses Bauteilversagen? - Hilft eine geänderte Fertigungsfolge? - Liegen kritische Spannungszustände vor? - Gibt es Anzeichen für eine Rissgefahr? - Liegt der Fehler vielleicht woanders? Die Antwort: Umformsimulation der Fertigungsfolge (c) Dr. Gerhard H. Arfmann, Dr. Michael Twickler, 21. Umformtechnisches Kolloquium Hannover 14

15 Beispiel II: Nicht erkennbares Problem eines Kopfrisses, aber belegbares Materialproblem 3. Der Blick ins Bauteil: Sind kritische Zustände und/oder Hinweise auf eine Rissgefahr erkennbar? Antwort: Nein, denn: Das Verhältnis Hydrostatische Spannung zu Fließspannung ist ganz leicht negativ die dominierende Zugspannung ist nur in etwa halb so groß wie die Fließspannung kein Anzeichen für eine durch die Umformung bedingte Rissgefahr (c) Dr. Gerhard H. Arfmann, Dr. Michael Twickler, 21. Umformtechnisches Kolloquium Hannover 15

16 Beispiel II: Nicht erkennbares Problem eines Kopfrisses, aber belegbares Materialproblem 3. Der Blick ins Bauteil: Sind kritische Zustände und/oder Hinweise auf eine Rissgefahr erkennbar? Antwort: Nochmals nein, denn: Das Verhältnis Tangentialspannung zu Fließspannung ist mit einem Wert von 0,49 weit entfernt von einem als kritisch angesehenen Wert von >1. kein Anzeichen für eine durch die Umformung bedingte Rissgefahr (c) Dr. Gerhard H. Arfmann, Dr. Michael Twickler, 21. Umformtechnisches Kolloquium Hannover 16

17 Beispiel II: Nicht erkennbares Problem eines Kopfrisses, aber belegbares Materialproblem 4. Die Schlussfolgerung: - Keine signifikante Rissgefahr durch kritischen Spannungszustand - Kein Riss unter 45 zur dominierenden Zugspannung (hier: Tangentialspannung) hier liegt offensichtlich ein eklatantes Materialproblem vor hier sollte umgehend der Zulieferer aufgefordert werden, einen Ersatz zu liefern. Technologievorsprung: Die Simulationstechnik liefert belegbare und nur schwer zu widerlegende Details zur Diskussion mit dem Zulieferer (c) Dr. Gerhard H. Arfmann, Dr. Michael Twickler, 21. Umformtechnisches Kolloquium Hannover 17

18 Beispiel III: Ungewöhnliche Werkzeugauslegung für die Fertigung eines Ventilfedertellers Zwei maßgebliche Zielsetzungen: 1. Geeignete Fertigungsfolge (Stadiengang) fehlerfreies Bauteil maßgenaues Bauteil keine Werkzeugüberlastungen 2. Geeigneter Werkzeugaufbau maßhaltiges Bauteil Lebensdauer bestimmt durch Verschleiß und nicht durch Bruch hohe Standzeit (= hohe Stückzahl) Gewünschtes Ergebnis: hohe Produktivität (c) Dr. Gerhard H. Arfmann, Dr. Michael Twickler, 21. Umformtechnisches Kolloquium Hannover 18

19 Beispiel III: Ungewöhnliche Werkzeugauslegung für die Fertigung eines Ventilfedertellers Schritt 1: Die Stadiengangidee Inhalt: Festlegung der notwendigen Umformstufen, der gewünschten Zwischengeometrie und des Ausgangsvolumens, eventuell grobe Abschätzung der Umformkräfte (c) Dr. Gerhard H. Arfmann, Dr. Michael Twickler, 21. Umformtechnisches Kolloquium Hannover 19

20 Beispiel III: Ungewöhnliche Werkzeugauslegung für die Fertigung eines Ventilfedertellers Schritt 2: Das Fine Tuning durch Umformsimulation Ziel: Bestmögliche Werkzeugfüllung ohne Werkzeugüberlastungen, d.h. Vermeidung einer übergenauen Ausformung in der Zwischenstufen besser: zu perfekte Füllung hohe Werkzeuglasten Setzen mit leichter Unterfüllung moderate Werkzeuglasten (c) Dr. Gerhard H. Arfmann, Dr. Michael Twickler, 21. Umformtechnisches Kolloquium Hannover 20

21 Beispiel III: Ungewöhnliche Werkzeugauslegung für die Fertigung eines Ventilfedertellers Schritt 3: Die endgültige Stadiengangauslegung (c) Dr. Gerhard H. Arfmann, Dr. Michael Twickler, 21. Umformtechnisches Kolloquium Hannover 21

22 Beispiel III: Ungewöhnliche Werkzeugauslegung für die Fertigung eines Ventilfedertellers Schritt 4: Die Matrizenauslegung Die typische Matrizenauslegung mit Einsatz (Kern), Zwischenring und Schrumpfring (c) Dr. Gerhard H. Arfmann, Dr. Michael Twickler, 21. Umformtechnisches Kolloquium Hannover 22

23 Beispiel III: Ungewöhnliche Werkzeugauslegung für die Fertigung eines Ventilfedertellers Generelle Anmerkungen zur Matrizenauslegung: - Vielfache Verwendung finden sog. Dreiringsysteme. (Konstruktionsaufwand überschaubar, Kosten noch moderat) - Der Matrizenkern wird vielfach als Hartmetall ausgeführt (z.b. G55). - Der Kern wird über einen Zwischenring (mit Untermaß) vorgespannt. - Diese Verband wird zur weiteren Vorspannung in einen Schrumpfring eingepresst. - Diese Vorspannung ist primär notwendig, um zu gewährleisten, dass unter Last keine positiven Tangentialspannungen im Kern auftreten (ansonsten direktes Werkzeugversagen) - Scher/Schubspannungskonzentrationen an der Innenkontur sind ebenfalls zu vermeiden, dazu werden Kerne ggf. in kritischen Bereichen getrennt. - Die Trennung von Kern und Zwischenring wird (Ventilfederteller u.ä.) oftmals auf den Außendurchmesser des Bauteils gelegt. - Geeignete Werkzeugteilungen und empfohlene Untermaße werden entweder einfachen Regelwerken entnommen oder aber durch Matrizenauslegungssysteme berechnet und optimiert (c) Dr. Gerhard H. Arfmann, Dr. Michael Twickler, 21. Umformtechnisches Kolloquium Hannover 23

24 Beispiel III: Ungewöhnliche Werkzeugauslegung für die Fertigung eines Ventilfedertellers Die Frage: Wie kommt man zu einer geeigneten Werkzeugauslegung Die Lösung: ein Hybrider Ansatz, Kopplung von analytischer Lösung mit numerischer Lösung Matrizenauslegung (Zwischendurchmesser, Untermaße, Werkstoffe, etc.) über einfaches schnelles Optimierungssystem Überprüfung der realen Gegebenheiten über Abbildung des Lastzustandes im Umformsimulationssystem Auslegung: eesy-dieopt Überprüfung: eesy-2-form (c) Dr. Gerhard H. Arfmann, Dr. Michael Twickler, 21. Umformtechnisches Kolloquium Hannover 24

25 Beispiel III: Ungewöhnliche Werkzeugauslegung für die Fertigung eines Ventilfedertellers Überprüfung für Erstauslegung, Kern aus G55, Zwischen- und Schrumpfring aus : Tangentialspannung Tangentialspannung vollständig im Druckbereich Analytische Auslegung ok. aber Schubspannung Kritische Schubspannungskonzentration an der Innenkontur Ingenieur sollte noch etwas spielen (c) Dr. Gerhard H. Arfmann, Dr. Michael Twickler, 21. Umformtechnisches Kolloquium Hannover 25

26 Beispiel III: Ungewöhnliche Werkzeugauslegung für die Fertigung eines Ventilfedertellers Spielen bedeutet hier: Die Möglichkeiten des Matrizenauslegungssystem zu nutzen um - für abweichende Fugendurchmesser die bestmöglichen Untermaße zu ermitteln, - durch die Wahl höherer Härten oder anderer Werkstoffe für den/die Zwischenring(e) einen generell höher festen Werkzeugverband zu erreichen, - die Abweichung ( Verschlechterung ) zur theoretisch besten Auslegung abzuschätzen, - etc (c) Dr. Gerhard H. Arfmann, Dr. Michael Twickler, 21. Umformtechnisches Kolloquium Hannover 26

27 Beispiel III: Ungewöhnliche Werkzeugauslegung für die Fertigung eines Ventilfedertellers Die Idee des Ingenieurs: Dreiringsystem mit Werkzeugkerndurchmesser deutlich größer als max. Bauteildurchmesser (entgegen üblicher Designregeln) Die etwas ungewöhnliche Matrizenauslegung, Verschlechterung bzgl. des ertragbaren Umformdruckes im Vergleich zur besten Lösung: akzeptable 8,5% (c) Dr. Gerhard H. Arfmann, Dr. Michael Twickler, 21. Umformtechnisches Kolloquium Hannover 27

28 Beispiel III: Ungewöhnliche Werkzeugauslegung für die Fertigung eines Ventilfedertellers Überprüfung der ungewöhnlichen Auslegung durch Umformsimulation: Tangentialspannung Schubspannung Tangentialspannung noch deutlicher im Druckbereich Praxistest: erhebliche Verbesserung der Werkzeuglebensdauer!!! und Schubspannungskonzentration an der Innenkontur mehr als halbiert Technologievorsprung: ungewöhnliche Auslegungen entwickeln und überprüfen ohne realen Versuchsaufwand (c) Dr. Gerhard H. Arfmann, Dr. Michael Twickler, 21. Umformtechnisches Kolloquium Hannover 28

29 Komplexer Beispiele: ähnliche Fragestellungen mit größerem Abschreckungspotential Hier: Gelenknabe im Unterfüllungen an den Zahnflanken Aufgabe der Simulation: Unterfüllungen anzeigen, Materialfluss verdeutlichen Ableitung einer neuen Vorform für bessere Füllung (c) Dr. Gerhard H. Arfmann, Dr. Michael Twickler, 21. Umformtechnisches Kolloquium Hannover 29

30 Komplexer Beispiele: ähnliche Fragestellungen mit größerem Abschreckungspotential Hier: Zahnring mit werkzeugseitigem Zahnbruch (Bruchstücke im Werkstück) Aufgabe der Simulation: Geometrie (d.h. Füllgrad) überprüfen, Werkzeugdrücke ermitteln Werkstofffluss abändern oder Werkzeuggeometrie entschärfen (c) Dr. Gerhard H. Arfmann, Dr. Michael Twickler, 21. Umformtechnisches Kolloquium Hannover 30

31 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Wir bedanken uns herzlich bei unseren Kunden, die wenn auch anonymisiert die Informationen zu den gezeigten Beispielen zur Verfügung gestellt haben (c) Dr. Gerhard H. Arfmann, Dr. Michael Twickler, 21. Umformtechnisches Kolloquium Hannover 31