Schweißsimulation So gelingt das Verzugsmanagement bei der Blechteilmontage

Autor / Redakteur: Dr.-Ing. Tobias Loose / Peter Königsreuther

Bei der Fertigung geschweißter Blechbaugruppen, wie Fahrzeugkarosserien und Komponenten, Abgasanlagen, Kraftwerkkomponenten, Haushaltsgeräten, droht der Verzug im Blech. Dynaweld-Know-how kann diese Formabweichung schon im Entwurfsstadium erkennen, heißt es.

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Beispiel für die realitätsnah simulierte Spaltbildung beim Schweißen, mithilfe des entsprechenden Tools von Dynaweld. Mit diesem System werde das Verzugsmanagement beim Zusammenbau geschweißter Blechbaugruppen möglich.
Beispiel für die realitätsnah simulierte Spaltbildung beim Schweißen, mithilfe des entsprechenden Tools von Dynaweld. Mit diesem System werde das Verzugsmanagement beim Zusammenbau geschweißter Blechbaugruppen möglich.
(Bild: Dynaweld)

Sowohl der thermische Verzug aus dem Schweißvorgang, das Auftreten von Beulproblemen als auch der Verzug beim Einspannen nicht ganz passender Einzelbauteile, tragen zum Gesamtverzug bei. Die Experten von Dynaweld können die mögliche Formabweichung aber schon im Entwurfsstadium berechnen und geeignete Kompensationsmaßnahmen vorschlagen.

Die Dynaweld befasst sich mit der thermischen Füge- und Fertigungssimulation. Letztere hilft dabei, moderne, hochtechnisierte Herstellverfahren optimal auszulegen. Damit können Unternehmen einerseits Kosten in der Fertigung einsparen und sind andererseits werden sie auch in die Lage versetzt, anspruchsvolle Fertigungsstufen überhaupt erst realisieren zu können.

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Die wärmeinduzierte Zustandsänderung von Bauteilen kann berechnet werden

Zur Kernkompetenz von Dynaweld gehört die Schweißsimulation und die Simulation von Wärmebehandlungsprozessen. Bei beiden Simulationen wird die Zustandsänderung durch Wärmewirkung im Bauteil (Verformungen, Spannungen, Gefüge, Härte) berechnet. Derzeitige Hauptanwendung der Schweißsimulation ist die Auslegung des Zusammenbaus mehrerer Einzelbauteile oder Bauteilgruppen, optimiert auf eine gewünschte Zielgeometrie, wie zum Beispiel. im Karosseriebau. Dynaweld ist sowohl mit eigenen Forschungsvorhaben als auch über die Mitarbeit in projektbegleitenden Ausschüssen und verschiedenen Forschungsgremien in der Forschung, Entwicklung und Praxis innovativ aufgestellt.

Exzellente Übereinstimmung der Simulation mit der Realität

In der Vergangenheit wurde die Schweißstruktursimulation für die Vorhersagen von Verformungen und Eigenspannungen meistens nur auf kleine Bauteile angewendet. Untersuchungen und Validierungen erfolgten auf kleinen Testbeispielen. Mittlerweile ist ein Stand für diese Simulationsmethodik erreicht, mit dem zutreffende Ergebnisse mit exzellenter Übereinstimmung zur Realität erreicht werden. Allerdings sind kleine Baugruppen in der industriellen Anwendung weniger von Interesse, da Schweißversuche schneller und kostengünstig durchgeführt werden können. Anders sieht es bei großen Strukturen und mehrstufigen Zusammenbauten aus. Versuchsschweißungen werden immer kostspieliger, insbesondere dann, wenn große Spezialwerkzeuge geändert werden müssen, ohne dass hinreichende Sicherheit über die Wirksamkeit der Maßnahme besteht. Hier hilft die Simulation dabei, massive Kosten in der Entwicklung, der Fertigungsstraße und der Fertigungsauslegung zu sparen.

Je früher man Verzugsgefahren erkennt, desto günstiger die Entwicklung

Im Karosseriebau ist es eine große Herausforderung, die Abweichung der gefertigten Struktur zur Zielgeometrie (CAD) in gewünschten Grenzen zu halten. Der Fertigungsprozess sollte gleichzeitig und parallel zur Produktentwicklung, und zu einem sehr frühen Zeitpunkt abgesichert werden. Fertigungsanlagen werden teilweise schon ausgelegt bevor der Fertigungsprozess hinsichtlich Machbarkeit und zu erzielender Toleranzen abgesichert ist. So stehen zum Beispiel sind die Anzahl von Fertigungsstationen, Taktzeiten und die Roboter mit Aktionsvorgaben bereits fest. Treten nun in einer späten Entwicklungsphase Probleme in der Maßhaltigkeit des Endprodukts auf, sind die die Möglichkeiten gegenzusteuern aufgrund der bereits gesetzten Randbedingungen begrenzt. Dieses kann vermieden werden durch den Einsatz eines leistungsfähigen Simulationstools um die Ursachen für diverse Verzugseffekte herauszufinden und verschiedene Ausgleichsmaßnahmen virtuell zu evaluieren.

So gleicht man Beul- und Verzugsprobleme im Vorfeld der Fertigung sicher aus

Die beste Maßnahme dagegen ist der Einsatz der Zusammenbausimulation in einem möglichst frühen Stadium der Entwicklung. Folgendes kann man durchführen:

  • Überprüfung der ersten Planungen der Produktion;
  • Gegensteuern im frühen Entwicklungsstadium, falls Toleranzen nicht eingehalten werden, oder sichtbare Beulprobleme auftreten.

Dynaweld hat nun ein Simulationstool mit speziellen Methoden entwickelt, die der genauen Zusammenbausimulation gerecht werden. Die wichtigsten Leistungsmerkmale sind dabei:

  • Unterstützung von FE-Codes mit hoher Performance;
  • spezielle Methode zur Abbildung der Schweißnahtkinematik;
  • Abbildung der Spannvorrichtung mit Anfahren und Lösen der Spanner;
  • Berücksichtigung imperfekter Einzelbauteile;
  • mehrstufiger Zusammenbau.

Vorteil: unverschweißte Teile „bewegen“ sich frei in der Simulationsumgebung

Bisher wird bei den Simulationen das Schweißzusatzmaterial zu Berechnungsbeginn (auch für noch nicht geschweißte Nähte) fest mit den Bauteilen verbunden. Zwar kann man durch materialseitige Eingriffe die Steifigkeit dieser noch nicht existierenden Verbindungen herabsetzen, aber die Vorgehensweise verfälscht dennoch maßgeblich das Ergebnis. Dynaweld hat eine besondere Simulationsmethode entwickelt, bei der dieser Fehler nicht auftritt, sondern die noch unverschweißten Bauteile sich frei bewegen können. Damit ist Dynaweld in der Lage, Spaltbildung beim Schweißen zu detektieren (Bild 1). Spann oder Heftkonzepte können so ausgelegt werden, dass keine kritischen Spalte auftreten. Im Umkehrschluss lassen sich mit dieser Methodik auch Prozesse besser auslegen, weil sich die Orte für Heftnähte oder Spannwerkzeuge dadurch bestimmen lassen.

Gezielter Spannereinsatz kann Verformungen kompensieren

Aus der Einspannung der Bauteile leitet sich ein weiterer signifikanter Einfluss auf den Zusammenbauverzug ab. Das Schließen der Spanner prägt eine zusätzliche Verformungs- und Spannungskomponente ein, sobald die Einzelbauteile oder Unterbaugruppen bereits Geometrieabweichungen zur CAD-Nulllage aus vorherigen Fertigungsschritten besitzen. Derartige Einspannverzüge werden durch das Fügen „eingefroren“. Darüber hinaus können Vorverformungen durch Spanner bewusst zur Verzugskompensation ausgelegt werden. Dynaweld berücksichtigt in der Simulation den Einspannvorgang einschließlich vorgegebener Spannwege oder Spannkräfte. Bild 2 zeigt dies am Beispiel des Verschweißens eines Autodachs mit der Restkarosserie.

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Teure Werkzeugkorrekturen werden weitgehen vermeidbar

Der Zusammenbau einer Karosserie oder Schweißkonstruktion erfolgt üblicher Weise in mehreren Stationen. Dabei werden zunächst Unterbaugruppen gefertigt, die in weiteren Schritten zur Hauptbaugruppe zusammengefügt werden (Bild 3). Dieser mehrstufige Prozess wird mit Dynaweld prozeßgetreu nachsimuliert. Dabei werden die Zustandsgrößen Verformung, Spannungen, Kontakt, und Resttemperaturen aus der ersten Berechnungsstufe in der darauf folgenden Berechnungsstufe als Eingangsgröße übernommen.

Die Modellerstellung für eine gesamt Fahrzeugkarosserie ist für Dynaweld keine große Herausforderung. Ein Video, das das Verschweißen eines Autodaches auf die fertige Rohkarosse zeigt, finden Sie hier.

Mit den aufgezeigten Methoden kann der Zusammenbauverzug großer Blechstrukturen zutreffend berechnet werden. Bild 4 zeigt den Beulverzug am Autodach im noch nicht optimierten Zustand. Das Bild 5 zeigt denselben Verzug in farblicher Darstellung detaillierter. Die Zusammenbauberechnung kann und sollten bereits in früher Entwurfsphase erfolgen, weil aus diesem Ergebnis heraus das Konzept zur Verzugskompensation ausgelegt werden kann. Das Verzugsmanagement mit Dynaweld ermöglicht somit eine Fertigungsplanung, die im Gegensatz zur heute noch gängigen Praxis, spätere Werkzeugkorrekturen der Fertigungsstraße kaum noch nach sich zieht.

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