Rechenaufwand nur 10 Prozent

Das Münchner Ingenieurbüro ISKO engineers AG hat eine neue Methode zur Simulation von Tiefziehwerkzeugen entwickelt. Das Vorgehen erlaubt es, die sonst ignorierte Elastizität von Werkzeugen einzubeziehen. Dadurch können bessere Werkzeuge leichter und in kürzerer Zeit entwickelt werden. Die Prognosequalität der virtuellen Funktionsprüfung und der Werkstückqualität kann deutlich gesteigert werden.

Bisher werden unter normalen Entwicklungsrandbedingungen Werkzeuge stets als starre Strukturen behandelt. „In der Realität sind die Werkzeuge aber immer elastisch, was sich bei den sehr hohen Kräften beim Tiefziehen auch auf die Werkstücke, also die Bleche, auswirkt“, sagt Michael Probst, Vorstand der ISKO engineers AG. Gerade bei modernen Werkstoffen wie hochfesten Stählen, bei denen es zu hohen Belastungen der Werkzeuge kommt, ist es wichtig, die elastische Deformation von Werkzeugen zu berücksichtigen. Michael Probst geht ferner davon aus, dass beispielsweise in der Automobilindustrie ein hoher Anteil der Werkzeuge einer Produktionslinie deutlich überdimensioniert ist, was einen hohen Kostenaufwand für die Unternehmen bedeutet. „Wenn man bedenkt, dass ein Werkzeug schnell mehrere Millionen Euro kosten kann, ist es katastrophal, wenn unvorhergesehen Falten oder Risse auftreten“, so der Ingenieur. Das Münchner Ingenieurbüro hat nun eine Simulationsmethodik entwickelt, die elastische Verformungen des Werkzeugs berücksichtigt und mit ihren Ergebnissen dazu beiträgt, dass der Leichtbau von Werkzeugen vorangetrieben werden kann. Schon in diesem Sommer ging das Simulationsverfahren in die Testphase. Was bisher eine Analysezeit von mehreren hundert Stunden bedeutet hätte, lässt sich nun innerhalb von zwei Tagen berechnen. „Unsere Methode ist sehr viel exakter als Simulationen, die annehmen, dass Werkzeuge starr sind“, sagt Michael Probst. Dies hat für Unternehmen entscheidende Vorteile: „Bei einem Millionen teuren Werkzeug können Änderungskosten einen sechsstelligen Betrag erreichen“, so der Ingenieur. Diese auf Grund von Funktionsmängeln entstehenden Kosten gilt es zu vermeiden. „Die Simulation mit unserem Vorgehen bietet hier neue Möglichkeiten der Optimierung und Kosteneinsparung.“ Ein langwieriger und kostenintensiver Trial-and-Error-Prozess mit Realtests kann somit vermieden werden. Die Elastizität des Werkzeugs könnte auch bewusst genutzt werden, um Fertigungsprozesse zu optimieren, so Michael Probst. Zudem werden die Werkzeuge durch weniger Material leichter, was eine Kostenersparnis beim Rohstoff wie dem immer teurer werdenden Stahl mit sich bringt, sich auf die Energiekosten im Fertigungsprozess positiv auswirkt und das Handling dieser meist tonnenschweren Werkzeuge erleichtert. Auch die Lebensdauer der Werkzeuge könnte besser auf den erforderlichen Einsatzzeitraum abgestimmt werden, so der Fachmann Die Ingenieure von Isko nutzen für ihre Analyse die für Tiefziehsimulationen übliche Finite Elemente Methode (FEM), wobei ein Bauteil in endlich viele Elemente zerlegt werden kann, die die Geometrie und das Material des Objekts abbilden. Für die effektive Analyse großer Modelle verwenden sie die so genannte Substrukturtechnik. Die Gesamtstruktur eines Werkzeugs wird so auf seine Wirkflächen, Kontaktflächen und Lagerknoten reduziert. „Durch die Substrukturtechnik wird es erst möglich, die Elastizität des Werkzeugs in die Berechnung einfließen zu lassen“, sagt Michael Probst. Denn so verringert sich die Analysezeit erheblich und auch der Speicherbedarf sinkt. „Unsere Forschungen haben ergeben, dass durch die Verwendung der Substrukturtechnik der Rechenaufwand um über 90 Prozent verringert werden kann.“ Die Speichereinsparung beträgt bis zu 95 Prozent. „Wir sind mit dieser Technik in der Lage, sinnvolle Antwortzeiten in der Werkzeugentwicklung, also der Tiefziehsimulation mit Berücksichtigung der Werkzeugelastizitäten, anzubieten.“

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