Simulation Kosteneinsparung in der Schweißtechnik

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Die schweißtechnische Entwicklung und Fertigung neuer Bauteile erfordert viele aufwendige Schweißversuche und fundiertes Fachwissen. Die Parameter auf Anhieb zu finden, gleicht der Suche nach der Stecknadel im Heuhaufen. Trotz aller Bemühungen muss oft noch nachbearbeitet werden, um maßhaltige Bauteile zu gewährleisten. Mithilfe von Simulationen kann dieses experimentelle und teure Trial and Error stark reduziert werden.

Schweißverzug ist ein bekanntes Übel, mit dem jeder in der Schweißtechnik seinen eigenen Umgang gefunden hat. Ein beliebter und technologisch einfacher Weg, diesem beizukommen sind teure und aufwendige Vorversuche (Trial and Error). Dieses setzt viel Erfahrung und Know-how bei entsprechendem Fachpersonal voraus. Gleichzeitig muss auch die Zeit, sowie das Ausgangsmaterial sowie die entsprechende Anlagentechnik samt Spannvorrichtung für solche Versuche vorhanden sein.

Manch einer akzeptiert diesen komplett und versucht durch nachfolgende Bearbeitungsschritte (wie z.B. Flammrichten oder Hämmern) den Verzug zu reversieren. Findet dieses Vorgehen Einzug in die Serie ist dieser zusätzliche Prozessschritt mit hohem zeitlichem und finanziellem Aufwand verbunden. Angesichts der aktuellen demographischen Entwicklung stellt sich auch die Frage, wie lange dieser Ansatz, der auf der langjährigen Erfahrung von Fachkräften beruht, angesichts von Pensionierungen und fehlendem Nachwuchs noch tragfähig sein wird.

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Hier bietet die Simulation ein hohes Einsparpotenzial. In der Simulation liegt das Potenzial, Vorserienversuche und Prototypen und damit die Vorserienkosten massiv zu reduzieren und das notwendige Wissen für perfekte Bauteile zu generieren – bevor der erste Lichtbogen (oder Laser) gezündet wird.

Norm sorgt für Richtigkeit der Simulation

Entgegen häufigem Misstrauen ist die Simulation keine neue und unerprobte Technologie – es werden bereits seit den 1990er Jahren Schweißverfahren und der sich einstellende Verzug simuliert. Als Eingangsgrößen für die Simulation werden alle real auftretenden Parameter benötigt. Hierzu gehören neben den verwendeten Bauteilen (Werkstoffart und Bauteilmaße) auch alle Prozessparameter, wie eingebrachte Energie (z.B. Schweißstrom), Schweißgeschwindigkeit, Schweißreihenfolgen, Spannvorrichtungen und Abkühlzeiten. Für die Richtigkeit der Simulation sorgt die Norm ISO/TS 18166. Diese beschreibt, wie anhand von metallografischen Querschliffen und Temperaturmessungen die Simulation für den jeweiligen Anwendungsfall angepasst und validiert werden muss. Simuliert können dabei alle gängigen Schweißverfahren- vom Widerstandspunktschweißen übers MIG/MAG bis hin zum Laser- und Elektronenstrahlschweißen ist alles möglich.

Ist so nun eine Simulation kalibriert, können all die eingangs genutzten Prozessparameter variiert und deren Auswirkungen auf das Schweißergebnis untersucht werden. Die Ergebnisse dieser Berechnungen beschränken sich dann nicht nur auf den sich einstellenden Verzug. Weiterhin berechnet werden auch:

• Temperaturfeld des gesamten Bauteils

• Spannungsfeld

• Materialfluss

• Phasenumwandlungen

Mögliche Szenarien und Variationen, die hier berechnet werden können, schließen mit ein:

• Wie verändert sich der Verzug, wenn die Einspanndauer halbiert wird?

• Kann der Verzug durch eine größere Einspannvorrichtung verringert werden oder wurde bereits die maximale Wirkung erzielt?

• Welche Schweißreihenfolge führt zum geringsten Verzug?

• Wie warm wird die Gegenseite der Komponente während der Schweißung (befinden sich thermisch empfindliche Bauteile innerhalb der Komponente?)

• Kann ein Schweißprozess mit zwei/drei/acht Schweißern den Verzug massiv verringern?

• Welche Schweißnaht ist für den meisten Verzug zuständig?

Ein großer Vorteil der Simulation ist vor allem dann, wenn die Möglichkeit der Vorversuche limitiert sind. Sind z.B. noch keine Werkzeuge verfügbar bzw. die Herstellung von Prototypenwerkzeugen zu teuer, ist das Material für Vorversuche begrenzt oder möchte man mehrere Geometrievariationen ausprobieren, ohne diese zunächst fertigen zu müssen, kommt die Stärke der Simulation zum Vorschein.

Die Größe der zu simulierenden Bauteile beschränkt sich auch lange nicht mehr auf Schuhkarton-große Bauteile. Vor kurzem wurden am Fraunhofer-IPK die Schweißung von 10 Meter langen Aufzugstrukturen simuliert. Durch die Simulation konnten 90 Prozent der Prototypen eingespart werden. In konkreten Zahlen sind das eine Einsparung von 70 Tonnen Stahl und rund 1,5 Kilometer Schweißnaht.

Statusbericht

So fordert Industrie 4.0 den Maschinen- und Anlagenbau heraus

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