André Hardtmann

Simulation des Blechumformprozesses

Kurzfassung Die FEM-Simulation des Umformprozesses ist ein in der industriellen Praxis eingeführtes Instrument zur Machbarkeitsanalyse und zur Methodenplanung des Herstellprozesses und bildet die Grundlage für die Werkzeugkonstruktion. Obwohl die Maschine den Umformprozess nachweislich sehr stark beeinflusst, bleiben ihre Einflüsse in der Umformprozesssimulation bisher unberücksichtigt. Resultat dieser möglicherweise zu starken Modellvereinfachung sind hohe Aufwendungen für die Einarbeitung der Werkzeuge sowohl beim Serienanlauf auf speziellen Einarbeitungspressen als auch beim Umsetzen der Werkzeuge auf Produktionspressen. Dieser Artikel demonstriert Möglichkeiten, Maschineneinflüsse auf den Umformprozess mit bereits verfügbaren Mitteln zu simulieren.

The advanced forming process model including the elastic effects of the forming press and tool

This article addresses process, stamping, and manufacturing engineers, as well as tool designers (prototype and series production tools), and press shop planners in the range of metal forming. The paper deals with methods of modelling and simulating the metal forming process and their application in product design, production, and forming process planning. In models usually applied major effects on the forming process are neglected. For instance, the elastic behaviour of presses and die tools is not considered in process and tool planning. Thus, reworking of tools is a consequence of this model oversimplification. The paper illustrates how interactions between forming press, tool and metal forming process can be modelled by enhancing conventional FE models. Several examples demonstrate the information value of the Advanced Forming Process Model (AFPM).

Advanced Forming Process Model - AFPM

This chapter discusses methods of modeling and simulating metal forming processes and explains their application in product design, production and process planning. In today’s Finite Element (FE)-based forming analysis, major effects on the forming process are being neglected. Based on the analysis of the elastostatic press and tool properties, a conventional FE process model was extended with the most dominant elastostatic influences. It is shown that complex elastic systems, such as die cushions and tool guidance, are quite easily implemented in FE process simulations by using discrete elements and other reduction methods, recently introduced in commercial simulation software. The benefit of the Advanced Forming Process Model (AFPM) is demonstrated by an experimental verification. Servo mechanical presses enable the manufacturers to establish high-speed processes in sheet metal forming. There, the dynamic press behavior has a much larger influence on the forming process than it has in the relatively static conventional deep drawing. As an example, a highly dynamic forming process is simulated and explained in the following.

Static compensation for elastic tool and press deformations during deep drawing

Although today’s deep drawing tools are thoroughly designed and calculated by means of computer-aided design (CAD), finite element (FE) simulation and computer-aided manufacturing (CAM), the sequence of operations to put a tool into production still encompasses manual and irreproducible labor. In particular, the die spotting is empirical and is almost entirely dependent on the toolmaker’s experience. This fine-tuning of the drawing tool consumes a large amount of time. In minimizing manual die spotting, a large potential to decrease time and costs exists. This article presents error compensation methods to create deep drawing tools, which require less manual die spotting in order to produce sound quality stampings. In FE simulations of deep drawing operations, it is general practice to assume rigid tool and press properties. The fact that die and punch design are based on these simplifications might be one of the main causes that empirical die spotting is still imperative. Therefore, the authors developed a methodology to compensate the tool face for effects of elastic press and tool deformations, which occur under applied process load. The authors demonstrate the static compensation with two examples. The first shows the static compensation for ram tilting caused by an unbalanced load, which can originate from asymmetric part design and/or eccentric mounted tools. The second example describes the compensation for elastic die deformation caused by local and global deflections. In either case, the compensated die face, under applied process load, deformed into the desired die face. This research work shows the potential and limits of a static compensation for effects of elastic tool and press deformations on the final shape of the stamping.

Oberflächen haftungsgerecht gestalten

Hybridverbunde aus Metall blech und thermoplastischem faserverstärkten Kunststoff (FKV) verfügen über ein hohes Leichtbaupotential, da darin die Vorzüge beider Werkstoffklassen ausgenutzt werden können. Vor dem Hintergrund der zusätzlichen Funktionsintegration in derartigen Hybridverbunden ergeben sich neben dem vergleichsweise geringen Gewicht weitere aus der FKV-Komponente resultierende Vorteile, wie die ausgezeichneten mechanischen und akustischen Eigenschaften, das gute thermische Dämmungsverhalten sowie ein gutes Crashund Impactverhalten. Aus produktionstechnischer Sicht sind die Lackierfähigkeit der Metalloberflächen und die gute Nachbearbeitbarkeit der thermoplastischen FKV-Komponente besonders förderlich. Zugleich besteht eine hohe Designfreiheit, was für die industrielle Nutzung des Werkstoffs unabdingbar ist. Im Fokus eines kostengünstigen, serienfähigen Fertigungsverfahrens für komplexe 3D-Hybridverbundbauteile aus Blech und FKV wurde im Rahmen des Forschungsprojektes 377 ZBR „3D-Bauteile aus Blech und Textil durch umformende Verbundherstellung“ das einstufige In-situ-Umform-Füge-Verfahren entwickelt. Dieser neue innovative Ansatz sieht vor, die Verbunderzeugung und das Umformen mit den Halbzeugen Metallblech und Verstärkungstextil zu einem Arbeitsschritt „Verbindendes Umformen“ zusammenzufassen. Die Basis für das Verstärkungstextil bilden Hybridgarne, in denen jeweils endlose Verstärkungsfasern neben thermoplastischen Fasern gemischt vorliegen. Im In-situ-Umform-Füge-Verfahren erfolgt die Erzeugung dieser hybriden Textil-BlechVerbunde (TBV) durch Umformen des Bleches, Drapieren des Textils, Aufschmelzen der thermoplastischen ma trixbildenden FaBild 1: Prozessschema des In-situ-Umform-Füge-Verfahrens AUS FORSCHUNG UND ENT WICKLUNG

Designing surfaces for optimum adhesion

Hybrid composites made from sheet metal and thermoplastic fiber-reinforced plastics (FRP) have great potential for lightweight construction applications, as they combine the advantages of both material groups. Additional function integration in such hybrid composite include not only the com-paratively lightweight, but also other aspects such as excellent mechanical and acoustic properties, good thermal insulation behavior, and outstanding crash and impact behaviors resulted from FRP component. From a production-technical point of view, the paintability of the metal surfaces and excellent post-processability of the thermoplastic FRP components are particularly beneficial. At the same time, there is a great freedom of design, which is indispensable for an industrial application of the material. The focus of the single-step in situ forming and joining method developed within the frame work of the research project 377 ZBR “3D Textile-Sheet Components from Forming Composite Production” is the cost effective and large scale manufacturing technique of complex 3D hybrid composite components from sheet metal and FRP. This new and innovative approach aims to combine the formation of the composite and, the joining of sheet metal with reinforcement textile semi-finished products into a single process step of “Join-Forming” The reinforcement textile is based on hybrid yarns in which continuous reinforcement fibers are mixed with thermoplastic fibers. The in-situ forming and joining process (Fig. 1) for the production of these hybrid sheet-textile composite includes the sheet formation, textile draping, melting of the thermoplastic matrix-forming fibers, wetting of the reinforcement fibers, cooling, and shared consolidation, all by a single press step with a single tool. The joining of metal sheet and FRP is performed without additional adhesive, solely by the thermoplastic matrix of the FRP during hybrid composite production.

Systemsimulation in der Umformtechnik

Kurzfassung Die Anwendung der Simulation in der Umformtechnik beschränkt sich bislang vor allem auf den Einsatz quasi-statischer Modelle zur Unterstützung der Prozessgestaltung. Durch neuere Entwicklungen in der Antriebstechnik stehen heute Pressen mit erheblich gesteigertem Bewegungsvermögen zur Verfügung, was zu angepassten Geschwindigkeitsverläufen und letztlich zu einer erhöhten Dynamik bei der Durchführung von Umformprozessen führt. Die vorgestellten Arbeiten untersuchen Wege zu einer durchgehenden virtuellen Analyse von Umformprozessen unter Berücksichtigung der statischen und dynamischen Wechselwirkungen zwischen Maschine und Prozess.