Optimale Tiefziehwerkzeuge | FE-Simulation

Tiefziehsimulation einer A-Säule

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Aachen, 18.08.2014

In der Pressemitteilungsreihe "Produktkosten senken durch CAE-Simulationen" gehen wir nunmehr auf die optimale Gestaltung von Tiefziehwerkzeugen unter Einsatz der Finite-Elemente-Simulation ein.

Die Gestaltung von Tiefziehwerkzeugen für die Produktion von Tiefziehteilen ist eine komplexe Aufgabe. Innerhalb des Konstruktionsprozesses müssen eine Vielzahl von Parametern festgelegt und Gestaltungsrichtlinien beachtet werden.

Nach DIN 8584 bedeutet Tiefziehen das Zug-Druck-Umformen eines Blechzuschnitts (je nach Werkstoff auch einer Folie oder Platte, eines Ausschnitts oder Abschnitts) zu einem Hohlkörper oder eines Hohlkörpers zu einem Hohlkörper mit kleinerem Umfang ohne beabsichtigte Veränderung der Blechdicke.

Eine Veränderung der Blechdicke ist jedoch oftmals nicht vermeidbar, sollte aber eng toleriert werden. Das Tiefziehen wird im Allgemeinen in drei verschiedene Verfahren unterteilt.  Das Tiefziehen mit Werkzeugen, mit Wirkmedien und mit Wirkenergie. Beim Tiefziehen mit Wirkmedien existieren kraftgebundene sowie energiegebundene Wirkungsweisen. Das Tiefziehen mit Werkzeugen verwendet zum einen starre Werkzeuge und zum anderen nachgiebige. In der industriellen Fertigung wird vorwiegend das Tiefziehen mit starren Werkzeug angewendet.

Die Schwierigkeiten beim Tiefziehen sind vielfältig. Die Effizienzsteigerung bei der Entwicklung des Tiefziehverfahrens wird deutlich, wenn insbesondere die beiden Vorgehensweisen - ohne und mit Einsatz der Simulation - gegenübergestellt werden. Die durchzuführenden Schritte bei der Tiefziehverfahrensentwicklung sind wie folgt:

Zunächst ist das Bauteil zu gestalten. Dies geschieht heutzutage vorwiegend in einem 3D-CAD-Programmsystem wie SolidWorks oder Catia, wobei eine tiefziehgerechte Gestaltung zu beachten ist (keine engen Radien und geeignete Bauteiltiefen). Anschließend erfolgt die Werkzeugkonzeption. Hier wird festgelegt, ob Niederhalter vorgesehen werden müssen, wie die Zuschnittgeometrie, der Stempel sowie die Matrize zu gestalten ist und ob in mehreren Stufen tiefgezogen werden muss.

Bei der Werkzeugkonzeption können bereits erste Tiefziehsimulationen mit etwas vereinfachter Bauteilgeometrie die Festlegung der oben genannten Punkte der Konzeption absichern. Im Weiteren wird die Werkzeugkonstruktion und -fertigung (bestehend aus Stempel, Matrize, Zuschnitt und eventuellen Niederhaltern) durchgeführt und die Nullserie produziert.

An dieser Stelle muss erläutert werden, dass ohne Einsatz der Tiefziehsimulation, die Schritte Werkzeugkonzeption, -konstruktion, -fertigung und die Nullserienfertigung ein ausgesprochen iterativer Prozess ist. Oftmals wird während der Nullserienfertigung schließlich festgestellt, dass die Produktqualität wegen Fehlern in der Werkzeugkonzeption und -konstruktion nicht ausreicht. Dies muss überarbeitet werden, zudem ist oftmals ein vollständig neues Werkzeug zu fertigen.

Bei Einsatz der Tiefziehsimulation werden jedoch entsprechende Fehler frühzeitig erkannt. Es müssen keine Schleifen in der Werkzeugentwicklung durchgeführt werden.

Die Abbildung zeigt ein Tiefziehwerkzeug für die A-Säule (innen) eines Neufahrzeugs einschließlich der Werkstoffdehnungen nach dem mit dem expliziten FE-Programmsystem Abaqus Explicit simulierten Tiefziehvorgang. Bei diesem Tiefziehwerkzeug konnte auf Niederhalter verzichtet werden.

Ermöglicht wurde dies durch eine komplexe Gestaltung des Blechzuschnitts mittels der Tiefziehsimulation, wobei ST-14 das verwendete Material ist. Die Blechzuschnittgeometriegestaltung verhindert eine Faltenbildung ohne den Einsatz von Niederhaltekräften. Insgesamt konnte bei diesem Entwicklungsprojekt eine 30-prozentige Kostenreduktion gegenüber der früheren Entwicklung ohne Umformsimulation erreicht werden. Die Tiefziehsimulation dient somit der deutlichen Kostenreduzierung bei der Tiefziehwerkzeugeentwicklung.

Das Werkzeugkonzept kann mittels der Tiefziehsimulation vor der Hardwareerstellung festgelegt werden (im Einzelnen sind das vorwiegend die Zuschnittgeometrie, das einzusetzende Material, eventuelle Niederhalter, der benötigte Umformkraftverlauf und die Zahl der Tiefziehstufen). Die Probleme während des Umformprozesses werden vor der Werkzeugkonstruktion erkannt (beispielsweise Bodenreißer, Längs- und Umfangsrisse und Faltenbildungen). Die Finite-Element-Tiefziehsimulation stellt somit ein Werkzeug dar, das eine signifikante Effizienzsteigerung beim Konstruktionsprozess des Tiefziehwerkzeugs ermöglicht.