Mit neuer Entwicklungsmethode schneller zu besseren Tiefziehwerkzeugen

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 damit deutlich gesteigert werden.

Bisher werden unter normalen Entwicklungsrandbedingungen Werkzeuge stets als starre Strukturen behandelt. In der Praxis sind die Werkzeuge aber immer elastisch, was sich bei den sehr hohen Kräften beim Tiefziehen auch auf die Werkstücke, also die Bleche, auswirkt. 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.

Mit Werkzeugsimulation Kosten sparen

Die Isko Experten gehen 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. Da solche Werkzeuge in der Regel mehrere Mio. Euro kosten, wäre es katastrophal, wenn unvorhergesehen Falten oder Risse auftreten würden.

Isko hat nun eine Simulationsmethodik entwickelt, welche die elastischen Verformungen des Werkzeugs berücksichtigt und mit ihren Ergebnissen dazu beiträgt, dass der Leichtbau von Werkzeugen vorangetrieben werden kann. Noch in diesem Sommer geht das Simulationsverfahren in die Testphase.

Simulationszeit auf zwei Tage reduziert

Was bisher eine Analysezeit von mehreren hundert Stunden bedeutet hätte, lässt sich nun innerhalb von zwei Tagen berechnen. Die Isko-Methode ist sehr viel exakter als Simulationen, die annehmen, dass Werkzeuge starr sind. Dies hat für Unternehmen den entscheidenden Vorteil, dass bei einem Millionen teuren Werkzeug die Änderungskosten einen sechsstelligen Betrag erreichen können. Diese auf Grund von Funktionsmängeln entstehenden Kosten gilt es zu vermeiden. Die Simulation nach dem Isko-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, sagen die Experten von Isko Engineers. 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.

Finite-Elemente-Methode als Grundlage der Simulation

Die Isko-Ingenieure 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 sogenannte 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. Denn so verringert sich die Analysezeit erheblich und auch der Speicherbedarf sinkt. Die Isko-Untersuchungen haben ergeben, dass durch die Verwendung der Substrukturtechnik der Rechenaufwand um über 90% verringert werden kann. Die Speichereinsparung beträgt bis zu 95%.

Mit dieser Technik sind die Ingenieure in der Lage, sinnvolle Antwortzeiten in der Werkzeugentwicklung, also der Tiefziehsimulation mit Berücksichtigung der Werkzeugelastizitäten, anzubieten. Nach der Testphase in diesem Sommer wird die Isko Engineers AG die neue Berechnungs- und Simulationsmethode dem Markt anbieten.

Michael Probst ist Vorstandsmitglied der Isko Engineers AG in München.