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Simulation

Wie man vorzeitigen Werkzeugausfall verhindert

Februar 2016 — Wird durch Simulation gewonnene Information genutzt in Verbindung mit Prozessüberwachungs-Systemen, lassen sich Werkzeug-Fehleinstellungen gut aufzeigen. So kann die Standzeit der Tools erheblich verlängert werden. Die zunehmende Vernetzung verschiedener Unternehmensbereiche begünstigt diese Entwicklung.


How to prevent premature tool failure

Where simulation data is used in conjunction with process monitoring systems, it is possible to display incorrect tool settings. This can considerably increase the service life of tools. This development is favoured by the introduction of more comprehensive networks between company divisions.

Die Simulation industrieller Kaltumformung hat sich zu einem genauen, benutzerfreundlichen Werkzeug entwickelt, das in vielen Betrieben eingesetzt wird zur Werkzeugkonstruktion und -auslegung. Prozessüberwachungs-Systeme werden in der Fertigung von der Mehrheit der Kaltumformer eingesetzt, um Überlastungen von Maschine und Werkzeug zu verhindern, Qualitätsmängel am Bauteil zu erkennen oder eine unbemannte Fertigung abzusichern. In Verbindung mit modernen Maschinen können Prozessüberwachungs-Systeme darüber hinaus regelnd in die Fertigung eingreifen, beispielsweise zur Regelung der Spurlage beim Gewindewalzen.

Da mit zunehmender Genauigkeit der Simulationsmodelle und der vorausberechneten Presskraftverläufe der Wunsch vieler Umformbetriebe entstand, Simulationsergebnisse in der realen Praxis an der Maschine überprüfen zu können, liegt es nahe die beiden Welten – Simulation und Prozessüberwachung – zusammenzuführen. Basierend auf der steigenden Vernetzung der einzelnen Unternehmensbereiche – Industrie 4.0 – wird es zukünftig viel einfacher werden, Daten aus der Werkzeugkonstruktion auf Produktionsebene herunterzuladen. Ergebnisse und Informationen aus unterschiedlichen Abteilungen stehen somit dem Bediener direkt an der Maschine zur Verfügung. So können simulierte Presskraftsignale zum Einrichten von Werkzeug oder Maschine genutzt werden. Bereits vor dem Pressen des ersten Teils ist sichtbar, wie die Presskraftverläufe der Umformoperationen bei fehlerfreier Fertigung zu verlaufen haben, in welchem Presskraftbereich sie liegen dürfen und mit welchen prozessbedingten Streuungen zu rechnen sein wird.

Übermäßige Presskräfte werden durch den Vergleich von Simulation und Presskraftmessung von Fertigungsbeginn an erkennbar. Gleichzeitig verbessert sich das Verständnis des Maschinenbedieners für die auftretenden Signalverläufe. Die Werkzeugentwicklung kann frühzeitig erkennen, wo und in welcher Größe in der Praxis Abweichungen zwischen FEM-Simulation, Werkzeugeinstellung und Presskraftmessung auftreten.

Für die durchgeführten Untersuchungen wurde ein Kaltumformprozess simuliert und die ideale Prozesskraft bestimmt, bei der vollständige Gesenkfüllung erreicht wird ohne die Werkzeuge zu überlasten. Diese numerisch vorausberechnete optimale Presskraft wird zur Einrichtung der Werkzeuge und des Pressenhubs mit einer kalibrierten Presskraftmessung des Prozessüberwachungs-Systems verwendet. Bei dem untersuchten Prozess werden bei der Möhling GmbH Tauchkerne auf einer zweistufigen Nakashimada „TH2“ Presse hergestellt. Umformstufe 1 besteht aus dem Reduzieren und Anpressen einer Fase. In der zweiten Stufe wird die endgültige Kontur des Teils ausgepresst. Die mechanischen Kenngrößen des Werkstoffs dienen als Basis für die Umformsimulation. Berechnete Fließkurven werden in das Simulationsprogramm importiert. Die FEM Simulation der Stadienfolge erfolgt mit dem Programm „Simufact.forming 13.0“ der Simufact GmbH. Als Prozessüberwachung werden Überwachungssysteme der „X“-Serie von Brankamp eingesetzt.


Maschinenelastizität einbezogen

Prozessüberwachungs-Systeme verwenden in der Umformtechnik im Wesentlichen prozessbedingte Kraftsignale. Die kalibrierte Gesamtpresskraft einer Maschine wird üblicherweise am Rahmen gemessen. Stufenbezogene Presskräfte werden durch geeignete piezoelektrische Sensoren erfasst. Wegen der hohen Zuverlässigkeit und des Schutzes des Sensors in einer Bohrung werden vorzugsweise Variosonden eingesetzt. Sie werden in eine Bohrung ähnlich einem Dübel eingebracht und dort verspannt. Diese Sensorbohrungen gehören bei vielen Herstellern zum Standard in Neumaschinen. Eine Kalibrierung dieser Sensoren ist allerdings problematisch, da diverse Einflussfaktoren das Messergebnis verfälschen können. Deshalb müssen prozessnähere Messorte verwendet werden. Es bieten sich Stellkeile an oder davorliegende Druckstücke für eine kalibrierte Presskraftmessung.

Die im Bild 1 gemessenen Presskraftverläufe wurden durch beidseitige „Triflex“-Sensoren im Stellkeil erfasst, die zusammen mit eingelernten doppelten Hüllkurven dargestellt sind. Ihr Verlauf und die Größe entsprechen den erwarteten simulierten Kurvenverläufen, die in Bild 2 dargestellt sind. Die absoluten Kräfte wie auch der Verlauf der gemessenen und simulierten Kräfte weisen gute Übereinstimmung auf. Entscheidend hierfür sind die Modellierung der Elastizität bei Maschine und Werkzeug sowie eine präzise Messung der Presskräfte. Der Bereich optimaler Werkzeugeinstellung und zugehörige Presskraftverläufe können durch Simulation vor Fertigungsbeginn berechnet und die Kraftverläufe ins Prozessüberwachungs-System geladen werden. Damit steht dem Bediener vor dem Pressen des ersten Teils ein Sollkraftverlauf auf dem Bildschirm zur Verfügung, der in der Nähe seiner optimalen Werkzeugeinstellung liegt. Er kann als jederzeit einblendbarer Soll-Presskraftverlauf auf dem Überwachungssystem dargestellt werden, damit die aktuelle Situation mit den simulierten Presskraftverläufen verglichen werden kann.

Per Netzwerkverbindung und einen eindeutigen Werkzeugnamen werden die Soll-Presskraftverläufe für jede Umformstufe in das Prozessüberwachungs-Gerät geladen. Damit steht erstmalig ein Prozessüberwachungs-System zur Verfügung, das den Brückenschlag zwischen Werkzeugentwicklung und Prozessüberwachung ermöglicht, siehe Bild 3. Der experimentell untersuchte Umformprozesses wurde mit Simufact.forming 13.0 numerisch mit der Finite-Elemente-Methode modelliert. Bild 4 zeigt die beiden Prozessstufen in einem vereinfachten 2D-Modell.

Die Abbildung der verschiedenen Werkzeug- und Maschinenelastizitäten ist entscheidend für die Realitätstreue der simulierten Kraftverläufe. Würde man diese Elastizitäten im Simulationsmodell vernachlässigen, so würden zwar fast die gleichen Maximalkräfte vorhergesagt werden, jedoch wäre der zeitliche Verlauf anders. Üblicherweise werden die hier abgebildeten Elastizitäten nicht modelliert. Ausgehend von dem Simulationsmodell mit starr gelagerten Matrizen und Auswerfern wurde dieses Modell um die federnd gelagerte Matrize und Auswerfer ergänzt und die Federsteifigkeit variiert, bis eine zufriedenstellende Übereinstimmung der simulierten mit den gemessenen Kräften erreicht worden ist.

Der Einsatz der Prozesssimulation in Verbindung mit dem Einsatz von Prozessüberwachungs-Systemen ist geeignet, den vorzeitigen Ausfall der Werkzeuge weitgehend zu verhindern. Die fortwährende Überwachung während der Fertigung stellt sicher, dass die optimierte Einstellung auch während der Produktion eingehalten wird. Dieses Projekt veranschaulicht, dass der gemeinsame Einsatz der prozessintegrierten Kraftmessung und der numerischen Prozesssimulation geeignet ist, die Abbildungsgenauigkeit der Prozesssimulation zu erhöhen. Das Einrichten der Werkzeuge wird genauer als dies allein auf Basis der erzielten Bauteilgeometrie möglich wäre. Die Kenntnis einer hinsichtlich der Werkzeugbelastung optimierten Prozessauslegung, deren Einstellung bereits bei der Ersteinrichtung der Produktion und die laufende Kontrolle, dass diese auch im rauen Produktionsalltag eingehalten wird, sind Voraussetzungen, um die geplante Werkzeugstandzeit zu erreichen.

Gabriel Mc Bain, Simufact Engineering, Thomas Terzyk, Prokos, sowie Bernhard Tönnesmann, Möhling: Der Beitrag der Autoren ist redaktionell bearbeitet. Die ungekürzte Fassung finden Sie nach Erscheinen der Print-Ausgabe UMFORMtechnik 1/2016 unter www.umformtechnik.net/whitepaper/


Simufact Engineering GmbH
wire 2016, Halle 15 Stand D 13
Tempowerkring 19, 21079 Hamburg
Ansprechpartner ist Gabriel Mc Bain
Tel.: +49 40 790128-000
info@simufact.de
www.simufact.de

Prokos Produktions-Kontroll-
System GmbH
Spichernstraße 22 a, 30161 Hannover
Ansprechpartner ist Thomas Terzyk
Tel.: +49 511 9357-400
info@prokos.de
www.prokos.de

Möhling GmbH+Co. KG
Altenaer Straße 49,58762 Altena
Ansprechpartner ist Bernhard Tönnesmann
Tel.: +49 2352 976-0
info@moehling.com
www.moehling.com

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Kommentare (1)

  • Fabian Herr, 20.04.2016, 11:16 Uhr
    Guten Tag,
    interessante Ausführungen zur Prozesssimulation. Was die von Ihnen erwähnten Prozessüberwachungs-System betrifft, wäre vielleicht noch eine Spezifizierung wünschenswert gewesen.

    Es gibt ja verschiedene Anforderungen, die eine Prozessüberwachung ggf. leisten muss. Im Fall der (schweren) Industrien halte ich folgende Punkte für wichtig, die natürlich auch in Verbindung mit eingesetzten Werkzeugen stehen, wenn wir "Werkzeuge" auch als CNC-(Werkzeug-)Maschinen verstehen:

    Einladegewichte sowie Auslade- und Verladegewichte müssen erfasst werden.
    Da es immer um Materialvolumen und -menge geht, halte ich die genaue Erfassung und Auswertung aller Wägevorgänge für unabdingbar.
    Genauestens zu übereprüfen gilt es auch alle Restmengen, alle eingesetzten Transportmittel, Container-Bestände und so weiter, um die langfristige Durchschnittsbelastung aller Maschinen vorauszuberechnen.

    Et cetera. Ich stimme Ihnen zu, dass die Prozesssimulation desto genauer wird, je weitreichender und akkurater die fortlaufende Datenerfassung ist. Ich finde es gut, wenn Sie dies mal beziehen auf die physische und physikalische Wirklichkeit, die es in industriellen Unternehmen nun einmal gibt: alle Werkzeuge müssen unterschiedlich hohe (Druck-)Belastungen aushalten, des Weiteren kommen Probleme wie die Abrasivität bzw. Viskosität von Ausgangsstoffen vor. Wer diese Werte nicht alle im Blick hat, der riskiert nicht nur die schnelle Abnutzung von Maschinen. Ich denke, er kann dann nicht einmal die passenden Werkzeuge für den eigenen industriellen Einsatz auswählen.

    Bei dem Unternehmen, für das ich arbeite (Sander Doll AG), muss ich mittelständischen Kunden oft erst zu einer vernünftigen Produktionsdatenerfassung verhelfen, bevor ich ihnen das eigentliche Produkt - eher eine Terminplaner-Software und ein Finanzplaner als eine Prozessüberwachung, wie man eigentlich unmissverständlich unter http://sander-doll.com/vito-software-metallbau gesagt bekommt - überhaupt empfehlen kann. Ich sage dann immer: Bevor sie Gewinne verbuchen möchten, sollten sie Gewinner erstmal herstellen, und dafür braucht es effiziente Materialnutzung und einen minimierten Werkzeugverschleiß.

    Vielleicht sollte ich ab jetzt öfter auf diesen Artikel verweisen...

    Mit freundlichen Grüßen
    Fabian Herr
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