Effiziente numerische Methoden zur Werkzeugoptimierung in der Kaltmassivumformung

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Fritz Klocke; Professor Dr. Sergej Rjasanow
• Fachliche Zuordnung: Ur- und Umformtechnik, Additive Fertigungsverfahren
• Förderung: Förderung von 2010 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 183821312

Leichtbau und Ressourceneffizienz in der Fertigungstechnik erfordern den Einsatz von hochfesten Werkstoffen und komplexen Geometrien, um die gleichen Funktionen der Bauteile bei niedrigerem Gewicht erfüllen zu können. Dies stellt große Herausforderungen an die Werkzeuge in der Umformtechnik und macht ihre Auslegung hinsichtlich einer Maximierung der Lebensdauer und einer hohen Bauteilpräzision schwierig. Daher ist die Anwendung von numerischen Methoden zur Werkzeugauslegung unerlässlich. Hierbei werden meist vereinzelte Geometrieelemente und ihr Einfluss auf die Werkzeugbelastungen und die Bauteilgeometrie berechnet und in einem iterativen Prozess manuell optimiert. Dies kann zur Verbesserung einzelner Aspekte führen, eine globale Werkzeugoptimierung kann auf diese Weise jedoch nicht erreicht werden. Grundsätzlich kann ein globales Optimum mit Hilfe von mathematischen Algorithmen berechnet werden. Deren Anwendung zur Optimierung von Umformwerkzeugen weist jedoch zwei Schwachstellen auf. Erstens wird für die Berechnung der Werkzeugbelastungen vor allem die Finite Elemente Methode (FEM) angewandt. Diese Methode erfordert einen hohen Rechenaufwand für eine ganzheitliche Berechnung der Werkzeug/Werkstück-Interaktion. Dadurch wird aufgrund der hohen Anzahl an Iterationsschritten die Optimierung ineffizient. Zweitens wird aufgrund der hohen Rechenzeiten eine Betrachtung des Einfluss der Maschinensteifigkeit auf die Werkzeugbelastungen nicht angewendet. Dadurch weisen bereits die Eingangsinformationen für die Optimierung signifikante Ungenauigkeiten auf.Um diese Defizite zu beseitigen, werden im beantragten Projekt, durch Entwicklung neuartiger effizienter Simulationswerkzeuge und eines ganzheitlichen methodischen Prozesses zur Werkzeugoptimierung, Werkzeuge für die Kaltmassivumformung belastungsgerecht ausgelegt. Dadurch wird das Ziel dieses Projektes erreicht, durch eine intelligente, numerisch, iterative Werkzeugauslegung zum einen die Lebensdauer von Werkzeugen für die Kaltmassivumformung und zum anderen die Bauteilgenauigkeit deutlich zu steigern. Die wesentliche Neuerung liegt in der Entwicklung von effizienten gekoppelten Methoden zur Berechnung der Werkzeugbelastungen durch ihre elastische Modellierung und unter Berücksichtigung der Interaktion zwischen Prozess und Maschine, sowie die numerische Kompensation von Bauteilabweichungen aufgrund von Werkzeugdehnungen. Durch eine Integration der neu entwickelten gekoppelten Berechnungsmethoden in eine Methodik zur automatischen Werkzeugoptimierung kann trotz der hohen Anzahl an iterativen Optimierungsschritten die zeiteffiziente Berechnung der optimierten Werkzeuggeometrie erst realisiert werden. Für die Erreichung dieses Ziels und die interdisziplinäre Erforschung kreativer Ansätze arbeiten in diesen Vorhaben Wissenschaftler aus Fertigungstechnik, Numerik und angewandter Mathematik über den gesamten Forschungszeitraum eng verzahnt miteinander.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen