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Moderne CAE-Tools machen das Walzprofilieren einfach

| Autor/ Redakteur: Oliver Kohlmaier / Frauke Finus

Beim zukunftsträchtigen Verfahren des flexiblen (3D-)Rollformens von Profilen sind nicht wenige Hindernisse zu überwinden. Mit modernen CAE-Tools für die Konstruktion und Simulation von Rollformprozessen lassen sich Projekte dieser Art jedoch realisieren. Der Softwarespezialist Data M hat eine der führenden Simulationsprogramme dafür entwickelt.

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Beispiele für breitenveränderliche Profile mit diskontinuierlichen Querschnitten.
Beispiele für breitenveränderliche Profile mit diskontinuierlichen Querschnitten.
( Bild: Data M )

Das Rollformen von Profilen mit konstant gleichen Querschnitten ist ein letztlich uraltes und etabliertes Verfahren in der Metallverarbeitung, vor allem weil es in der Massenfertigung besonders kostengünstig ist. Allerdings stieß die Technologie bislang noch an ihre Grenzen, wenn es um variable Querschnitte entlang der Längsachse ging. In der Automobilindustrie werden gerade diese jedoch benötigt. In den vergangenen 15 Jahren wurde daher verstärkt in Forschung und Entwicklung investiert, außerdem mehrere Prototypen gefertigt. Auch wenn durchaus Fortschritte erzielt wurden: Unzureichende Verformbarkeit des Materials sowie strenge Toleranzgrenzen führten dazu, dass sich das Verfahren bislang noch nicht durchsetzen konnte.

Mit dem sogenannten 3D- oder auch flexiblem Walzprofilieren lassen sich insbesondere auch belastungsoptimierte Profile herstellen. Sie werden also mit an die jeweils geforderten Belastungen angepassten Querschnitten produziert. Daher können an Strukturbauteilen beispielsweise von PKWs und LKWs, wie Längs- und Querträger, Gewichtseinsparung von über 20 % erreicht werden. Andere Verfahren können hier nur mit größerem Aufwand und höheren Kosten mithalten. Die Gewichtsreduktion durch die Leichtbau-Teile ist ebenso für die Automobilindustrie interessant, unter anderem auch um die Klimaziele zu erreichen.

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Die Machbarkeit durch Simulation evaluieren

Maßgeblich und seit Beginn beteiligt an der Forschung ist das kleine, aber weltweit operierende Unternehmen Data M, welches mitunter erhebliche eigene Mittel investierte. Als Entwickler der führenden Konstruktions- beziehungsweise Simulationssoftware für das Walzprofilieren, Copra RF sowie Copra FEA RF, konnte Data M sozusagen mit den eigenen Werkzeugen ans Werk gehen. Heraus kam schließlich die erste industrielle Anlage, die über den Status des Prototyps hinaus kommt und alsbald die Produktion aufnehmen wird. Konzipiert wurde die Maschine zur Herstellung von Längsträgern für Lastfahrzeuge. Die produzierten Profile sind beidseitig flexibel asymmetrisch. Dass eine simulative Auslegung der Profilierwerkzeuge hier essentiell ist, liegt fast schon auf der Hand. Denn durch die Kräfte, die an den Übergängen zwischen Geraden und Kreisbögen auftreten, müsste die Walzgeschwindigkeit abgesenkt werden. Damit würde jedoch der eigentlich größte Vorteil des Verfahrens, die Wirtschaftlichkeit, ad absurdum geführt. Seit nunmehr 15 Jahren trägt Data M zu der Etablierung der Technik maßgeblich durch die (Weiter-)Entwicklung einer speziellen, auf das Walzprofilieren abgestimmte CNC-Kontrollsystem bei. COPRA AMC (Adaptive Motion Control) ermöglicht das Umformen mit der für das Rollformen charakteristischen hohen Geschwindigkeit.

Erst durch die Simulation des Prozesses wurde es möglich, die Machbarkeit eines solchen Vorhabens zu evaluieren. Zum Einsatz kam der Standard in der Simulation von Rollformprozessen aller Art: Copra FEA RF. Selbst die benötigte Kraft des Motors sowie die auftretenden Verformungskräfte lassen sich damit zuverlässig berechnen. Die Daten, die dabei herauskommen, werden schließlich wieder in die Konstruktion zurückgeführt und können entsprechend für das Design der einzelnen Komponenten verwendet werden. Das gesamte Anlagenkonzept führt ebenso wieder zu dem Vorteil des Rollformens überhaupt: Kosteneffizienz. Denn eine ganze Profilfamilie kann durch die NC-Steuerung des Umformprozesses mit nur einem Werkzeugsatz durch nur eine Maschine gefertigt werden. Für die Konstruktion der Werkzeuge für die Profilieranlage kam dabei Copra RF zum Einsatz.

Copra FEA RF simuliert dabei den Walzprofiliervorgang mit Hilfe der nicht-linearen elasto-plastischen Berechnungsmethode. Die ganz realen Ergebnisse von Rollformprozessen lassen sich also schon seit langem mit großer Genauigkeit vorhersagen. Dies beinhaltet auch die Ausgabe von Informationen über die entsprechenden Kräfte, Drehmomente sowie die auftretenden Druck- und Spannungsverhältnisse. Ebenso werden darüber hinaus benötigte Verfahren der Metallverarbeitung wie Zwischenstanzen, In-Line-Biegen oder Schweißen zuverlässig simuliert. Albert Sedlmaier, Geschäftsführer Data M: „Da wir als Software-Entwickler, gerade aber auch als Dienstleister der Rollformindustrie sehr nah am Kunden sind, konnten wir über die Jahre ein großes Know-how anhäufen.“ Diese Erfahrungen fließen laufend in die jeweiligen Software-Produkte ein. Denn gerade die Verwendung bestimmter Materialen wie hochfestem Stahl in Kombination mit immer kleiner werdenden Wandstärken stellt für Profilierer eine große Herausforderung dar. Nicht selten wird dabei mit dem Prinzip „Ausprobieren“ vorgegangen. Durch die Simulation entsprechender Umformprozesse kann hier eine Menge Frust und, viel wichtiger, eine Menge Kosten gespart werden.

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Übergangsradien müssen nicht mehr angepasst werden

Die 20 Rollformspezialisten des Unternehmens sind daher laufend damit beschäftigt, die entsprechenden Softwarelösungen mit den Anforderungen der Industrie abzustimmen. Mit der in diesem Jahr erschienen Version 2015 von Copra RF wurde beispielsweise das neue Design-Feature „Smart Roll“ eingeführt. Unabhängig von der Art der Änderung an der Konstruktion bleiben die Übergänge zwischen Linien und Bögen tangential, wodurch die Anpassungen bedeutend schneller durchgeführt werden können. Die Übergangsradien müssen also nicht mehr wie bisher angepasst werden. Auch Position und Geometrie der Rollen werden automatisch neu berechnet, sollte sich das konstruierte Basisprofil ändern. Durch die Modifikation des Profilquerschnitts wird die ganze „Blume“, also die Umformstrategie, aktualisiert. Mithilfe den entsprechenden Konstruktions- und Simulationswerkzeugen konnte die 3D-Rollformanlage gleichsam virtuell „gebaut“ und anschließend beurteilt werden, ob sich das Projekt in dieser Form realisieren lässt. Moderne CAE-Werkzeuge wie Copra FEA RF können also verwendet werden, um entsprechende Projekte hinsichtlich der Machbarkeit zu überprüfen. Das beschriebene Vorhaben stellt selbstredend einen Balanceakt in der industriellen Prozesssimulation dar. Und zwar zwischen den erforderlichen wissenschaftlichen Standards der durchgeführten Forschung einerseits sowie den knallharten Anforderungen der Industrie andererseits.

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