Prozesse verstehen

Schweißsimulation unterstützt die Blechumformung

| Autor / Redakteur: Hendrik Schafstall / Dietmar Kuhn

Komplexe Schweißvorgänge können durch Simulation dargestellt werden.
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Komplexe Schweißvorgänge können durch Simulation dargestellt werden. (Bild: BMW)

In Fertigungsbetrieben beruht die Auslegung und Durchführung des Schweißens von Bauteilen oft auf empirischen Untersuchungen und Erfahrungen. Eine gezielte Optimierung und Anpassung des Fertigungsverfahrens ist nur mit hohem Aufwand realisierbar. Ein prozessbegleitender Einsatz der Schweißsimulation jedoch ermöglicht einen detaillierten Einblick in den gesamten Prozess.

In nahezu allen Metall verarbeitenden Handwerks- und Industriebetrieben ist die wirtschaftliche und qualitätsgerechte Herstellung von Produkten ohne den Einsatz moderner Fügeverfahren nicht mehr denkbar. Eine international marktfähige Qualitätsproduktion erfordert heute von den Unternehmen den fachgerechten und kostenoptimalen Einsatz der unterschiedlichen Fertigungsverfahren, unter Ausnutzung einer bauteileigenschaftsgerechten Abstimmung der einzelnen Fertigungsstufen. Hier hat die Schweißtechnik eine wichtige Bedeutung.

Schweißen stellt besondere Anforderungen an das Blech

Im Vergleich zu anderen Verbindungsarten ist das Schweißen vorteilhaft in Bezug auf den Form- und Kraftschluss, der eine hohe Kraftübertragung bei geringen Nahtdicken ermöglicht, das Einsparen von Gewicht und die Einsetzbarkeit für Reparaturarbeiten. Zu den Nachteilen des Schweißens gehören der Wärmeverzug im Nahtbereich und in der Schweißbaugruppe, die Gefügeänderungen in der Schweißzone und die Qualitätssicherung. Auch Schweißnahtfehler sind nur mit einem hohen Aufwand durch Röntgen- oder Ultraschallmessungen feststellbar. Hier ist Prozesssicherheit und Robustheit gefragt. Ziel einer Schweißverbindung ist es, ein reproduzierbares, verzugsarmes und bauteileigenschaftsgerechtes Produkt zu erzeugen, bei minimalen Fertigungskosten und ohne kostspielige Nachbearbeitung und Qualitätskontrolle. Eine besondere Fachkenntnis und Erfahrung bei der Auslegung und Anwendung des Schweißens ist hier erforderlich. Bislang wird ein Schweißprozess überwiegend aufgrund empirischer Untersuchungen und/oder der Erfahrung der Schweißfachleute ausgelegt. Der Schweißprozess ist jedoch ein komplexer Fertigungsprozess, bei dem unter anderem das Schweißverfahren, die Schweißreihenfolge, die Schweißquelle, die eingebrachte Energie, die Schweißgeschwindigkeit, gegebenenfalls der Schweißzusatzwerkstoff, die Materialkombination und die Materialdicke (Geometrie) aufeinander abgestimmt werden müssen. Darüber hinaus haben die Spannvorrichtung, ihre zeitliche Ein- und Ausspannung, ihre Klemmpunkte, deren Geometrie sowie die Krafteinbringung eine wesentliche Auswirkung auf das Endergebnis hinsichtlich des Verzugs.

Aufgrund der Wechselwirkungen und der Vielzahl von Kombinationsmöglichkeiten ist es aufwendig, einen optimalen Schweißprozess prozesssicher auszulegen. Durch den Einsatz moderner Simulationsprogramme können vorab detaillierte Informationen während des Schweißprozesses sichtbar gemacht sowie unterschiedliche Verfah-renskombinationen berechnet werden. Dadurch ist eine gezielte Identifikation und systematische Untersuchung hinsichtlich der prozessbestimmenden Parameter und deren Wirkung auf das Endergebnis möglich.

Lange Zeit wurde die Schweißsimulation nur im akademischen Bereich und in Forschungsstellen eingesetzt, da eine Modellbildung sowie die Berechnung nur von Spezialisten durchführbar und zu kompliziert in der Anwendung war. An einen produktionsbegleitenden Einsatz der Prozesssimulation war nicht zu denken.

Ein Schweißsimulationsprogramm macht Schwachstellen sichtbar

Im Jahr 2005/2006 wurde auf Initiative der deutschen Automobilindustrie die Entwicklung eines neuen Schweißsimulationsprogramms gestartet. Ziel war es, dem Schweißfachmann produktionsbegleitend ein Werkzeug an die Hand zu geben, das ihm ein besseres Prozessverständnis ermöglicht sowie die virtuelle Auslegung und Optimierung des Verfahrens. Den Entwicklungsauftrag für das Schweißsimulationsprogramm erhielt das deutsche Softwarehaus Simufact Engineering aus Hamburg, welches bereits im Bereich der Simulation von Umformprozessen über eine jahrzehntelange Erfahrung verfügt und somit als idealer Entwicklungspartner galt. Auf dieser Basis wurde in den letzten sieben Jahren das Produkt Simufact.Welding entwickelt, ein neuartiges, einfach zu bedienendes Simulationsprogramm für den industriellen Einsatz, welches auf die Bedürfnisse in der Fertigung zugeschnitten ist und kein spezielles Berechnungs-Know-how erfordert. Als Berechnungskern wurde der Marc-Solver verwendet, der bereits seit über 50 Jahren kommerziell entwickelt wird. Hier wurden schweißspezifische Erweiterungen und Anpassungen vorgenommen. Den Schlüssel für einen fertigungsnahen Einsatz stellt die grafische Benutzerschnittstelle (GUI) dar. Diese wurde so konzipiert, dass sie die Sprache des Schweißfachmannes spricht und die Eingabe entsprechend den Vorgaben aus der Fertigung ermöglicht. Dazu gehören die Berücksichtigung der Spannkonzepte, der Schweißpfade und der Energieeinbringung, der Schweißreihenfolge mit Geschwindigkeiten und Pausenzeiten und ein Zeitmanagement. Auf Anwenderseite sind keine Abstraktionen oder Vereinfachungen mehr erforderlich, sondern der Simulationsprozess kann wie der reale Fertigungsprozess aufgebaut werden. Eine Kalibrierung der Wärmequelle, die zum Schmelzbad führt, ist jedoch immer erforderlich, da in der Simulation mit einer modellhaften Abbildung der Wärmeeinbringung in Form einer Wärmequelle gearbeitet wird. Dazu stehen verschiedene Modelle zur Verfügung, die vom verwendeten Schweißverfahren und vom Material abhängen.

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