Materialeinsatz in der Massivumformung gezielt reduzieren - Werkzeug- und Rohteiloptimierung mit AFDEX

Materialkosten wirken sich in der Massivumformung unmittelbar auf die Wirtschaftlichkeit eines Bauteils aus. Gleichzeitig lässt sich das Gewicht des eingesetzten Rohmaterials nicht beliebig reduzieren. Wird zu wenig Material vorgesehen oder ungünstig verteilt, können Bereiche der Werkzeuggravur nicht vollständig gefüllt werden, notwendige Bearbeitungszugaben fehlen oder der Prozess verliert an Stabilität. Die entscheidende Frage lautet deshalb nicht einfach, wie möglichst wenig Material eingesetzt werden kann, sondern: Wie weit lässt sich das Rohteil reduzieren, ohne die sichere Herstellung des Bauteils zu gefährden?

MORPHOTEC setzt AFDEX ein, um diese Grenze bereits vor dem realen Werkzeugversuch zu bestimmen und Werkzeug-, Rohteil- und Prozessparameter gezielt aufeinander abzustimmen. Als AFDEX-Partner mit Vertriebsgebiet in der Europäischen Union, der Schweiz, Liechtenstein und dem Vereinigten Königreich arbeitet MORPHOTEC eng mit MFRC, dem Entwickler der AFDEX-Software, zusammen. 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 verfügt MORPHOTEC über umfassendes Methoden- und Prozesswissen, das unmittelbar in industrielle Kundenprojekte einfließt.

Weniger Material ist nur dann besser, wenn der Prozess weiterhin funktioniert

In der industriellen Praxis wird das benötigte Ausgangsmaterial häufig mit einem gewissen Materialzuschlag dimensioniert. Dieser Zuschlag erhöht die Prozesssicherheit, verursacht aber gleichzeitig zusätzliche Materialkosten. Eine rein erfahrungsbasierte, empirische oder nach dem Trial-and-Error-Prinzip vorgenommene Verkleinerung des Rohteils ist deshalb keine Optimierung nach dem Stand der Technik: Entscheidend ist, wie sich eine Änderung von Materialmenge und Werkzeuggeometrie auf den Materialfluss während des gesamten Umformprozesses auswirkt.

Mit AFDEX können diese Zusammenhänge virtuell untersucht werden. Unterschiedliche Geometrien und Materialmengen lassen sich berechnen und hinsichtlich Formfüllung, Materialfluss, Umformkraft und weiterer Prozessgrößen vergleichen. Dadurch wird aus einem pauschalen Sicherheitszuschlag eine technische Optimierungsaufgabe mit definierten Randbedingungen.

MORPHOTEC nutzt diese Vorgehensweise zur simulationsgestützten Optimierung von Materialeinsatz und Umformprozess. Ein veröffentlichtes Projekt aus dem AFDEX-Entwicklungs- und Forschungsumfeld zeigt dies am Beispiel einer hochfesten Kugelgewindemutter (Ball Nut) für den Getriebeaktuator eines Doppelkupplungsgetriebes. Für das geometrisch anspruchsvolle Bauteil wurde ein Kaltumformprozess im geschlossenen Werkzeug untersucht und mit AFDEX optimiert. Die ursprüngliche Fertigung basierte auf einem Gussprozess; die Untersuchungen zielten unter anderem auf höhere Produktivität, geringere Herstellkosten und eine Reduzierung des Materialeinsatzes.

Die Werkzeuggeometrie bestimmt den notwendigen Materialeinsatz

Besonders interessant an diesem Beispiel ist, dass nicht einfach nur der Durchmesser oder die Länge des Rohteils verändert wurde. Die Forscher untersuchten gezielt die Geometrie des KO-Pins (Knock-out-Pin), der während der geschlossenen Kaltumformung die Materialverteilung in einem wesentlichen Bereich des Bauteils beeinflusst.

Drei geometrische Größen wurden als Designvariablen ausgewählt:

* die Höhe des Vorsprungs am KO-Pin mit 4, 6 oder 8 mm,
* der obere Radius des Vorsprungs mit 1, 2 oder 3 mm sowie
* der untere Radius des Vorsprungs mit 1, 2 oder 3 mm.

Die drei Parameter wurden in neun ausgewählten Designkombinationen (Taguchi/DOE) mit AFDEX untersucht. Statt zahlreiche Werkzeugvarianten real zu fertigen und nacheinander auszuprobieren, konnte damit der Einfluss der einzelnen geometrischen Stellgrößen systematisch berechnet werden.

Materialeinsparung unter einer klaren technischen Randbedingung

Die Zielgröße war das für die Fertigung erforderliche Volumen des eingesetzten Materials. Gleichzeitig durfte die Optimierung nicht dazu führen, dass für die anschließende Bearbeitung notwendige Bereiche nicht ausreichend gefüllt werden.

Dazu wurde im Projekt die maximale Länge eines sogenannten Dummy-Bereichs, also eines für die nachfolgende Bearbeitung benötigten Materialbereichs, ausgewertet. Für die nachfolgende Bearbeitung musste eine Mindestlänge von 23 mm erhalten bleiben. Die Simulation hatte damit eine klare Aufgabe: das erforderliche Materialvolumen minimieren und gleichzeitig die fertigungstechnisch notwendige Mindestgeometrie sicherstellen.

Diese Randbedingung ist für die industrielle Anwendung entscheidend. Eine Optimierung, die lediglich ein mathematisches Minimum des Rohteilvolumens liefert, wäre wertlos, wenn das Bauteil anschließend nicht mehr sicher gefertigt und bearbeitet oder die erforderlichen Maß- und Formtoleranzen nicht eingehalten werden können. AFDEX ermöglicht dagegen, Materialeinsatz und Prozessanforderungen gemeinsam zu betrachten.

Drei Werkzeugparameter - neun Varianten - eine gezielte Lösung

Die AFDEX-Auswertungen zeigten, dass alle drei untersuchten Parameter des KO-Pins einen deutlichen Einfluss auf das erforderliche Materialvolumen besitzen. Das geringste benötigte Volumen wurde für folgende Parameterkombination vorhergesagt:

* Höhe des Vorsprungs: 8 mm
* oberer Radius: 1 mm
* unterer Radius: 3 mm

Damit wird ein wesentlicher Vorteil der simulationsgestützten Prozessentwicklung sichtbar: Nicht nur ein besseres Ergebnis wird gefunden. Es wird nachvollziehbar, welche konkrete geometrische Änderung dieses Ergebnis beeinflusst und in welche Richtung die Stellgröße verändert werden muss.

Die in diesem Referenzprojekt eingesetzte Vorgehensweise - Auswahl technisch beeinflussbarer Designvariablen, gezielte Variantenbildung, AFDEX-Simulation und anschließende Optimierung unter definierten Randbedingungen - entspricht der Art von simulationsgestützter Prozessentwicklung, die MORPHOTEC mit AFDEX für industrielle Aufgabenstellungen einsetzt.

Acht Prozent weniger Material - gleichzeitig geringere Umformkraft

Im AFDEX Newsletter Q1/2020 wird die dreidimensionale Optimierung des geschlossenen Kaltumformprozesses der Kugelgewindemutter quantitativ zusammengefasst. Gegenüber dem Ausgangszustand konnte das Materialgewicht um 8 Prozent reduziert werden. Gleichzeitig sank die Umformkraft um 5 Prozent.

Das Ergebnis ist in zweierlei Hinsicht interessant. Die Verringerung des Materialgewichts reduziert unmittelbar den Materialeinsatz je Bauteil. Gleichzeitig bewirkte die optimierte Auslegung in diesem Fall auch eine um 5 Prozent geringere erforderliche Umformkraft. Die geringere erforderliche Umformkraft reduziert zugleich die mechanische Beanspruchung der Presse und kann den für den Umformvorgang erforderlichen Energiebedarf verringern. Bei hohen Stückzahlen können sich daraus relevante Energieeinsparungen im Produktionsbetrieb ergeben.

Damit geht die Optimierung weit über das einfache Verkürzen eines Rohteils hinaus: Werkzeuggeometrie, Materialfluss, notwendige Materialmenge und Umformkraft werden als zusammenhängendes System betrachtet.

Virtuelle Varianten statt Werkzeugkorrekturen nach dem Versuch

Gerade bei komplexen Massivumformprozessen können kleine geometrische Änderungen große Auswirkungen auf den Materialfluss haben. Welche Kombination aus Werkzeuggeometrie und Materialmenge den besten Kompromiss liefert, lässt sich deshalb allein aus Erfahrung nicht immer zuverlässig abschätzen.

Erfahrung bleibt für die Prozessentwicklung unverzichtbar. Mit der Simulation lässt sie sich jedoch gezielt erweitern: Varianten können bereits virtuell untersucht, ungeeignete Lösungen ausgeschlossen und aussichtsreiche Geometrien identifiziert werden, bevor Werkzeuge geändert oder neue Rohteilabmessungen in der Produktion getestet werden.

Im Projekt zur Kugelgewindemutter wurde genau dieser Effekt ausdrücklich hervorgehoben: Durch die Kombination aus systematischer Variantenuntersuchung und AFDEX-Simulation konnten die Prozessoptimierung strukturiert und der dafür erforderliche Entwicklungsaufwand reduziert werden.

Materialeffizienz beginnt bei der Prozessauslegung

Für produzierende Unternehmen bedeutet die Reduzierung des Rohmaterialeinsatzes eine unmittelbare wirtschaftliche Einsparung, die sich bei hohen Stückzahlen entsprechend vervielfacht. Entscheidend ist, dass diese Materialreduzierung technisch abgesichert erfolgt und nicht zulasten von Formfüllung, Bearbeitungszugaben oder Prozesssicherheit geht.

Mit AFDEX lässt sich beispielsweise systematisch untersuchen:

* wie weit das Rohteilvolumen reduziert werden kann,
* welche Werkzeugparameter den Materialbedarf bestimmen,
* ob alle kritischen Bereiche weiterhin vollständig gefüllt werden,
* welche Bearbeitungszugaben erhalten bleiben müssen,
* wie sich Varianten auf Materialfluss und Umformkraft auswirken und
* welche Kombination aus Rohteil- und Werkzeuggeometrie den günstigsten Prozess ergibt.

Damit wird Materialeffizienz bereits in die Prozessentwicklung integriert, anstatt überschüssiges Material erst nach der Umformung durch Beschnitt oder spanende Bearbeitung wieder zu entfernen.

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 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 Aufgabenstellungen wie die Reduzierung des Materialeinsatzes, die Optimierung von Rohteil- und Werkzeuggeometrien, Materialflussprobleme oder die Bestimmung von Umformkräften 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.

Literatur

Lee, Y. H.; Park, M. C.; Kim, M. C.; Joun, M. S.; Kim, B. M.; Kim, D. H. (2019):
Development of Cold Forming Process for Productivity Improvement of Actuator Ball Nut with Complex Shape and High Strength.
Korean Society for Technology of Plasticity, Fall Conference 2019, pp. 194-195.

MFRC (2020):
AFDEX Newsletter Q1/2020 - Successful Application Cases of AFDEX, Optimal Design for 3D Die Shape.