Unterfüllung in der Massivumformung frühzeitig erkennen und gezielt minimieren - Prozessoptimierung mit AFDEX

Unterfüllung gehört in der Massivumformung zu den typischen Qualitätsproblemen mit unmittelbaren wirtschaftlichen Folgen. Wird ein Werkzeugbereich während des Umformprozesses nicht vollständig gefüllt, können Ausschuss, Nacharbeit, Werkzeugkorrekturen und zusätzliche Try-out-Schleifen die Folge sein. Gerade bei komplexen Schmiedeteilen genügt es deshalb nicht, nur die Endgeometrie zu betrachten. Entscheidend ist, wie sich das Material während der einzelnen Umformstufen verteilt, welche Fließwege entstehen und ob das Material kritische Bereiche der Werkzeuggravur rechtzeitig und in ausreichender Menge erreicht.

MORPHOTEC setzt AFDEX ein, um solche Zusammenhänge bereits vor dem realen Werkzeugversuch vorwiegend dreidimensional zu analysieren und Umformprozesse gezielt zu optimieren. Als AFDEX-Partner mit Vertriebsgebiet in der Europäischen Union, der Schweiz, Liechtenstein und dem Vereinigten Königreich arbeitet MORPHOTEC eng mit MFRC zusammen, dem Entwickler der AFDEX-Software. MORPHOTEC verfügt durch die enge Zusammenarbeit mit MFRC, den direkten Austausch mit AFDEX-Entwicklern und -Forschern sowie die Einbindung von Spezialisten und Forschungspartnern aus dem AFDEX-Umfeld in anspruchsvolle Projekte über umfassendes Methoden- und Prozesswissen, das unmittelbar in industrielle Kundenprojekte einfließt. MFRC entwickelt AFDEX auf Grundlage umfangreicher Forschung zur Massivumformung und arbeitet international mit Industrie- und Forschungspartnern zusammen.

Unterfüllung ist häufig ein Problem des Materialflusses

Zu wenig Material ist nur eine mögliche Ursache einer Unterfüllung. Auch bei grundsätzlich ausreichendem Einsatzvolumen kann die Formfüllung unzureichend sein. Ursache können beispielsweise eine ungünstige Vorform, eine unzweckmäßige Volumenverteilung, lange oder konkurrierende Fließwege oder eine Werkzeuggeometrie sein, bei der Material bestimmte Bereiche nicht mehr ausreichend erreicht.

Genau hier liefert die Umformsimulation einen entscheidenden Vorteil: Der Materialfluss wird nicht erst am fertigen Bauteil beurteilt, sondern über den gesamten Prozess verfolgt. Bereiche mit unzureichender Formfüllung lassen sich lokalisieren, gleichzeitig kann untersucht werden, welche Änderungen an Vorform oder Prozessführung die Materialverteilung verbessern.

MORPHOTEC nutzt diese Vorgehensweise zur simulationsgestützten Analyse und Optimierung von Umformprozessen. Wie leistungsfähig dieser Ansatz insbesondere bei der Vorformoptimierung ist, zeigt ein veröffentlichtes Projekt zur Radlagernabe aus dem AFDEX-Entwicklungs- und Forschungsumfeld. Dabei wurde die Vorform einer warmgeschmiedeten Radlagernabe mit AFDEX 24R01 systematisch variiert und hinsichtlich der Unterfüllung optimiert.

Sechs Geometrieparameter bestimmen die Vorform

Die Radlagernabe wird in mehreren Umformstufen hergestellt. Die untersuchte Prozesskette besteht aus drei Stufen und wurde mit einem dreidimensionalen 36°-Sektormodell, entsprechend einem Zehntel des Gesamtbauteils, simuliert. Als Werkstoff kam AISI 1055 zum Einsatz. Das FE-Modell startete mit rund 20.000 Elementen und wurde während der Berechnung auf bis zu 60.000 Elemente erweitert.

Entscheidend für die Optimierung war jedoch nicht allein die detaillierte Simulation des bestehenden Prozesses. Die Geometrie der Vorform wurde gezielt parametrisiert. Sechs Größen wurden variiert:

* ein Winkel im unteren Außenbereich,
* der untere Innendurchmesser,
* die obere und untere Höhe,
* die Tiefe im zentralen Bereich sowie
* ein Radius im unteren Innenbereich.

Diese Parameter bestimmen unmittelbar, wo sich Material bereits in der Vorform befindet und welche Fließwege während des anschließenden Fertigschmiedens zurückgelegt werden müssen. Damit werden genau die Größen verändert, die für eine ausreichende Formfüllung entscheidend sind. Die Autoren wählten sie aufgrund ihres Einflusses auf Defektentstehung, Material- und Volumenverteilung, Formqualität und Umformbarkeit aus.

Für eine erste Bewertung wurden die sechs geometrischen Parameter in 64 unterschiedlichen Kombinationen mit einem vollständigen faktoriellen Versuchsplan untersucht. Die anschließende Sensitivitätsanalyse zeigte, dass insbesondere die untere Höhe der Vorform einen starken Einfluss auf Unterfüllung und Umformkraft besitzt. Damit lässt sich nicht nur feststellen, dass ein Defekt vorhanden ist - es wird sichtbar, welcher konstruktive Parameter den Fehler maßgeblich beeinflusst.

Von der Fehlererkennung zur gezielten Optimierung

Genau an diesem Punkt unterscheidet sich eine systematische simulationsgestützte Prozessentwicklung von einer reinen Ergebnisdarstellung. Ein kritischer Bereich wird nicht lediglich in der Simulation markiert. Die Geometrieparameter werden verändert, ihre Wirkung auf Materialfluss und Formfüllung wird berechnet und daraus eine verbesserte Vorform abgeleitet.

Für die weiterführende Optimierung wurden die sechs geometrischen Designvariablen um drei zusätzliche Größen zur Berücksichtigung von Fertigungstoleranzen ergänzt. Auf Basis der damit insgesamt neun Variablen wurden mit einem Optimal Latin Hypercube Design 300 Datenpunkte erzeugt. Auf dieser Datengrundlage wurden verschiedene Ersatzmodelle aufgebaut und verglichen; für die weitere Optimierung wurde das Kriging-Modell ausgewählt. Auf dessen Grundlage wurden sowohl eine deterministische Optimierung als auch eine zuverlässigkeitsbasierte Optimierung - Reliability-Based Design Optimization, RBDO - durchgeführt. Bei letzterer werden Fertigungstoleranzen und Streuungen ausdrücklich in die Optimierung einbezogen. Der optimale Prozess soll damit nicht nur unter idealisierten Nennbedingungen funktionieren, sondern auch gegenüber realen Fertigungsschwankungen robust sein.

Die in diesem Referenzprojekt eingesetzte Vorgehensweise - Parametrisierung der Vorform, Sensitivitätsanalyse und anschließende Optimierung - entspricht der Art von simulationsgestützter Prozessentwicklung, die MORPHOTEC mit AFDEX für industrielle Aufgabenstellungen einsetzt.

Die Ergebnisse sind deutlich: Beim Ausgangsdesign betrug die mittlere Unterfüllung 350,63 mm³. Durch die deterministische Optimierung wurde sie auf 208,57 mm³ reduziert. Mit der zuverlässigkeitsbasierten Optimierung sank sie weiter auf 66,77 mm³.

Noch aussagekräftiger ist die Betrachtung der Prozesssicherheit. Die berechnete Wahrscheinlichkeit, das definierte Underfill-Kriterium nicht einzuhalten, lag beim Ausgangsdesign bei 69,59 Prozent. Nach deterministischer Optimierung betrug sie 18,01 Prozent. Beim robust optimierten RBDO-Design sank sie auf lediglich 0,81 Prozent.

Damit zeigt sich der wirtschaftlich entscheidende Nutzen der Simulation: Aus einem zunächst beobachteten Formfüllungsproblem werden konkrete geometrische Stellgrößen abgeleitet, diese werden virtuell optimiert und ihre Wirkung wird quantitativ bewertet.

Prozesswissen statt Trial-and-Error

Für industrielle Schmiedeunternehmen bedeutet dieser Ansatz, dass eine Vorform nicht ausschließlich aus Erfahrung und anschließendem Werkzeug-Try-out entwickelt werden muss. Erfahrung bleibt unverzichtbar - sie kann jedoch durch eine systematische, vorwiegend dreidimensionale Analyse des Materialflusses ergänzt werden.

AFDEX ermöglicht es, unterschiedliche Vorformen und Prozessvarianten vor der Werkzeugänderung miteinander zu vergleichen. Dadurch lassen sich Ursachen einer Unterfüllung gezielter eingrenzen und aussichtsreiche Varianten identifizieren, bevor sie in Stahl umgesetzt werden. Das reduziert nicht automatisch jeden realen Versuch, kann aber die Zahl kostenintensiver Korrekturschleifen erheblich verringern und die Prozessentwicklung wesentlich zielgerichteter machen.

Die enge Verbindung zwischen MORPHOTEC und dem AFDEX-Entwicklungsumfeld ist dabei ein wesentlicher Bestandteil des Leistungsangebots. MORPHOTEC verbindet die eigene langjährige Erfahrung in numerischer Simulation und industrieller Prozessentwicklung mit dem Methoden- und Prozesswissen der AFDEX-Entwickler. Anspruchsvolle Aufgaben werden damit nicht isoliert als reine Softwareanwendung betrachtet, sondern unter Einbindung von AFDEX-Entwicklern, Forschern und weiteren Spezialisten aus dem AFDEX-Umfeld technisch vertieft.

AFDEX als Dienstleistung oder für die eigene Inhouse-Simulation

MORPHOTEC bietet Umformsimulationen mit AFDEX als Ingenieurdienstleistung sowie den Vertrieb der AFDEX-Software in der Europäischen Union, der Schweiz, Liechtenstein und dem Vereinigten Königreich an. Unternehmen können konkrete Problemstellungen wie Unterfüllung, unzureichende Formfüllung, kritische Materialflüsse oder die Auslegung von Vorformen durch MORPHOTEC untersuchen und optimieren lassen.

Alternativ kann AFDEX nach entsprechender Schulung für die eigene Inhouse-Simulation eingesetzt werden. MORPHOTEC unterstützt dabei den Einstieg und die Anwendung der Software für ein breites Spektrum der Metallumformung - von Kalt- und Warmumformprozessen über Extrusion, Ziehen und Walzen bis hin zu ausgewählten Anwendungen der Blechumformung.

Damit erhalten Kunden nicht lediglich Zugang zu einer Simulationssoftware. Sie profitieren von der Verbindung aus industrieller CAE-Erfahrung bei MORPHOTEC, direkter Zusammenarbeit mit dem AFDEX-Entwickler MFRC sowie dem Know-how von Forschern und weiteren Partnern aus dem AFDEX-Umfeld. MFRC selbst beschreibt internationale Kooperation und gemeinsame Forschung ausdrücklich als Bestandteil seiner Entwicklungsstrategie für AFDEX.

Literatur

Oh, M.; Kim, J.; Cho, J.; Kim, M.; Joun, M.; Hong, S. (2024):
_Reliability-Based Design Optimization of Bearing Hub Preform for Minimizing Defects Considering Manufacturing Tolerance in Hot Forging Process._
Applied Sciences, 14(23), 11316. DOI: 10.3390/app142311316.