Pressen Digitaler Zwilling verkürzt Tryoutzeit für Werkzeuge

Ein Gastbeitrag von Robin Kurth

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Die Tryoutphase von Presswerkzeugen verschlingt nicht nur viel Zeit, sondern verursacht immense Kosten. Ein spezieller digitaler Zwilling kann künftig Abhilfe schaffen. Einmal identifiziert, beschreibt dieser das elastische Verformungsverhalten der Presse und kann in Simulationen und Variantenstudien genutzt werden.

Hydraulische Presse mit vier Belastungssäulen, Kraftmesseinrichtung, taktilem Messbalken und laser-optischem Koordinatenmesssystem.
Hydraulische Presse mit vier Belastungssäulen, Kraftmesseinrichtung, taktilem Messbalken und laser-optischem Koordinatenmesssystem.
(Bild: Fraunhofer-IWU)

Hohe Variantenvielfalt, geringer werdende Stückzahlen, schwankende Abrufe und vor allem gestiegene Energie- und Rohstoffkosten sind Herausforderungen, denen sich gegenwärtig Unternehmen stellen müssen. Dies trifft insbesondere auch für Werkzeugbauunternehmen zu, da der Werkzeugentstehungsprozess hoch komplex und immer noch von erforderlichen manuellen Nacharbeiten geprägt ist, die mit einem Kostenanteil von bis zu 30 Prozent zu Buche schlagen können. Bei dem sogenannten Tuschieren werden die Wirkflächen des Umformwerkzeugs iterativ so lange bearbeitet, bis ein qualitativ hochwertiges Umformteil entsteht. Dabei werden Abweichungen zur simulierten Idealgeometrie ausgeglichen, welche unter anderem aus kleinen elastischen Verformungen der Presse und des Werkzeugs selbst resultieren, die unter Prozesslast unweigerlich auftreten. Dass diese Verformungen nicht schon in der Designphase bei der Werkzeugentwicklung berücksichtigt werden, liegt einerseits an der Unkenntnis über die Wechselwirkung von Presseneigenschaften und Bauteilqualität sowie der daraus erforderlichen Ableitung adäquaten Maßnahmen und andererseits an fehlenden Daten zur Charakterisierung insbesondere des Durchbiegungsverhaltens der Spannflächen der Maschine (Stößel- und Tischspannfläche), die als direkte Schnittstellen zu den Werkzeugkomponenten dienen. Oft hört man auch heute noch die Meinung: „Es ist so viel Stahl verbaut, da verformt sich nichts!“ – Ein Trugschluss, der künftig aufgelöst werden kann.

Digitaler Tryoutprozess – Potenzial zur Reduzierung der Werkzeugherstellkosten

Das Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU in Chemnitz hat eine Methode zur Erstellung und praktikablen Nutzung eines digitalen Zwillings entwickelt und im praktischen Einsatz getestet. Der Zwilling zum Abbilden des Nachgiebigkeitsverhaltens der Spannflächen kann je nach Anwendungsfall für den Kunden als analytisches oder FE-Modell ausgegeben werden. Dabei handelt es sich um ein generisches Modell, das nahezu unabhängig von der jeweiligen individuellen Konstruktion der Stößel- bzw. Tischbaugruppe der Presse aufgebaut ist. Dieses Modell beinhaltet alle erforderlichen Eigenschaften zur Beschreibung des elastischen Verhaltens der Baugruppen. Aufgrund des Aufbaus des digitalen Zwillings und der Methode zur Generierung dessen Eigenschaften ist er in der Lage, für eine beliebige Werkzeugbelastung das Durchbiegungsverhalten der Spannflächen zu berechnen.

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Die Basis für die Erstellung des digitalen Zwillings sind Daten zum Durchbiegungsverhalten der Spannflächen, die messtechnisch oder durch eine FE-Analyse ermittelt werden können. In der Regel sind jedoch keine vollständigen CAD-Modelle beim Maschinenbetreiber vorhanden. Mit einer vielfach erprobten, eigenen Messroutine können die Experten des Fraunhofer-IWU auch dafür eine Lösung bieten. Innerhalb kurzer Zeit können Umformmaschinen mit speziellem Messequipment charakterisiert werden – der Fingerabdruck der Presse wird sozusagen aufgenommen. Dabei werden Belastungen in die Maschine durch vier Belastungssäulen mit aufgebauten Kraftmessdosen eingebracht, bei hydraulischen Pressen direkt durch die Presse, bei mechanischen Pressen durch hydraulische Druckkissen. Eine Messung der elastischen Verformungsreaktion von Tisch und Stößel erfolgt lokal an vorher festgelegten Messpunkten je nach kundenspezifischen Randbedingungen mit einem Lasertracker oder mit Messtastern, die an einem Messbalken befestigt sind. Um ein hinreichend genaues Modell zu erstellen, muss diese Messung mit unterschiedlichen Lastfällen mehrfach wiederholt werden. Die erfassten Daten werden entsprechend nachbearbeitet und daraus die Parameter für die Beschreibung des digitalen Zwillings abgeleitet.

Vielfältige Nutzung – Mehrwert in Simulation und Realität

Die Nutzung des pressenspezifischen digitalen Zwillings ermöglicht die Herstellung einer genaueren Wirkfläche durch das Vorhalten des Einflusses der Elastizitäten der Spannflächen (Bombierung), wodurch der zeitliche Aufwand beim manuellen Tuschieren deutlich reduziert werden kann.

Weiterhin kann der digitale Zwilling in übergeordnete Simulationsmodelle integriert werden, wodurch realitätsnahe Tuschierbilder bereits in der Konstruktionsphase der Werkzeuge entstehen. Kundenaufträge können durch das Einschätzen der Presskraft in Verbindung mit der Verfügbarkeit der eigenen Pressentechnik realistisch beurteilt werden. Außerdem kann perspektivisch der digitale Zwilling in Assistenzsysteme für das praktische Tuschieren integriert werden.

Weitere Potenziale ergeben sich bei der Gegenüberstellung unterschiedlicher Pressen durch Kennwerte, die in Normen und Richtlinien festgelegt sind. Für die Beschreibung des elastischen Durchbiegungsverhaltens gibt es solche Regularien nicht, weshalb auch keine Vergleichswerte verschiedener Pressen vorhanden sind. Erschwerend kommt hinzu, dass die Durchbiegung einer Spannfläche immer von der Art der Krafteinleitung abhängt. „Einfach irgendwie die Last einleiten und die Durchbiegung messen, funktioniert so nicht.“ Das Bindeglied hierbei ist der beschriebene digitale Zwilling, da dieser die elastischen Maschineneigenschaften charakterisiert und durch das Einleiten von definierten Kräften vergleichbare Ergebnisse liefert.

Das Fraunhofer-IWU auf der Euroblech: Halle 27, Stand E81

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