Rollgeformte Profildrähte per CAE

Fokus/Draht

Berechnungen auf Basis der FEM haben auch in der Drahtverarbeitung großes Potenzial, allerdings gibt es wegen der Komplexität der Prozesse Vorbehalte in den Unternehmen. Durch eine wesentlich verbesserte Technik sind diese heute jedoch unbegründet.

30. November 2015

Die Produktion von Profildrähten, gerade jene mit einem Querschnitt von weniger als 100 mm², hat in den letzten Jahren an Bedeutung gewonnen. Meist handelt es sich um flache Drähte oder spezielle Profile für unterschiedliche Industriebereiche wie Präzisionsmechanik, die Textilbranche, Öl und Gas, Mechatronik et cetera.

Unerwünschtes Verhalten frühzeitig erkennen

Um Profildrähte zu produzieren, werden zumeist Rund- oder Vierkantdrähte durch Ziehsteine oder Drahtwalzen umgeformt. In jeder sogenannten Walzstufe wird das Material etwas mehr in die gewünschte Form gebracht. Bekannt sind zu Beginn lediglich die Anfangs- und Endform des Drahtes. Bei der Umformung tendiert das Material dazu, in Längsrichtung zu fließen, und es lässt sich meist nur schwer in Randbereiche mit kleinen Radien drücken. Dieses Verhalten wird in der Simulation sehr schnell deutlich.

Der Aufwand für die Prozesse Konstruktion und Produktion neuer Profildrähte ist also sehr hoch. Der größte Teil des Know-hows für die Umsetzung solcher Projekte resultiert wie bei anderen Umformprozessen auf langjähriger Erfahrung in den einzelnen Unternehmen. Je komplexer das Produkt, desto schwieriger wird es aber, die Realisierung im vorhinein abzuschätzen.

Kostengünstige Simulation statt teurem Trial and Error

Die Herstellung neuer Profilformen ist ohne den Einsatz der Simulationstechnologie meist nicht nur mit einem hohen Konstruktionsaufwand verbunden, sondern auch mit zeitintensiven Versuchen während der Inbetriebnahme der Walzanlage. Oft wird das Unterfangen also zu einem Trial-and-Error-Prozess. Nicht selten führt dies zu höheren Kosten beispielsweise durch Down-time der Anlagen. Im schlimmsten Fall müssen ein komplettes Profil- und Rollendesign erstellt sowie Rollenwerkzeuge und Prototypen gefertigt werden.

Je früher Fehler im Konstruktionsprozess erkannt werden, desto besser können weitere Kosten vermieden werden. Eine integrierte Prozesskette, die sowohl den Konstruktions- wie den Simulationsprozess abdeckt, kann hier Zeit und Kosten sparen. Lösungen wie Copra RF WireRolling stellen eine solche Umgebung zur Verfügung. Sie unterstützen den gesamten Prozess von der Entwicklung der einzelnen Walzstufen bis hin zur Simulation der (virtuell) fertigen Werkzeuge und des Umformprozesses. Die besonders kostenintensive Fertigung von Prototypen entfällt damit.

Realisation großer Projekte

Im folgenden Beispiel wird anhand der integrierten CAE-Lösung Copra RF WireRolling beschrieben, wie ein solches komplexes Projekt realisiert werden kann.

Zunächst wird eine interaktive Auslegung der Umformstufen auf der Basis von Erfahrungswerten durchgeführt. Der Konstrukteur zeichnet entweder die einzelnen Walzstufen und setzt dabei die Flächen mit Hilfe der Software in das benötigte prozentuale Verhältnis, oder Copra RF WireRolling erstellt automatisch die Form der Zwischenstufen, nachdem die Anfangs- und Endquerschnitte festgelegt wurden. Der Grad der Umformung sowie die voraussichtliche Reduktion des Querschnitts können vom Nutzer bestimmt werden. Eine manuelle Modifikation ist jederzeit möglich.

Es folgt schließlich die Verifizierung der Konstruktion durch Copra FEA RF WireRolling. Basierend auf den Rollengeometrien und den Anfangsquerschnitten wird berechnet, wie sich das Material während der Umformung verhält. Die zu erwartende Form kann anhand der einzelnen Walzstufen verifiziert sowie die Materialveränderung festgestellt werden.

Das Wissen, wie sich das Material im Verlauf der Umformung verhält, basiert zunächst einmal auf den Erfahrungen des Konstrukteurs. Die Finite Elemente Analyse ermöglicht allerdings eine genaue Überprüfung des Walzprozesses und damit eine konkrete Aussage, ob der Draht wie gewünscht gefertigt werden kann.

Dehnungen und Spannungen werden sichtbar gemacht, bevor es kracht

Die Simulation erfolgt auch hinsichtlich der Frage, wie schnell sich die Rollen drehen müssen, damit der Draht nicht ausbeult oder zu stark gezogen wird. Darüber hinaus werden die auftretenden Spannungen und Dehnungen im Material sichtbar. Ein eigener FEA-Spezialist für die Modellerstellung und Auswertung wird nicht benötigt. Das Modul bereitet das Modell für die Simulation automatisch auf und stellt Werkzeuge zur walztechnischen Analyse der Ergebnisse bereit.

Das Materialverhalten wird vom Anwender durch Eingabe der mechanischen Kennwerte definiert. Copra RF WireRolling errechnet daraus die benötigte Fließkurve. Die Druckverhältnisse im Material selbst können nach einer Analyse ebenso zuverlässig beurteilt werden. Etwa, ob es spröde wird und damit brüchig. Ferner wird sichtbar, ob sich der Draht krümmt oder gerade bleibt.

Während der Analyse ist es ohne Weiteres möglich, die gesamte Längung des Drahtes zu bestimmen sowie die Reduktion im Querschnittsbereich und die notwendigen Formkräfte für die Deformation. Aufbauend auf den Ergebnissen der Simulation können die Rollen nachgebessert und angepasst werden. Die Auswirkungen von Änderungen des Eingangsquerschnitts oder der jeweiligen Rollengeometrien liegen gleichermaßen nach einer erneuten Simulation vor.

Je komplexer das Profil, desto größer der Nutzen

Gerade in der Produktion komplexer Profildrähte mit immer kleineren Querschnitten zeigen sich also die Vorteile einer integrierten Lösung aus Konstruktion und Simulation. Die virtuelle Optimierung des Umformprozesses und der einzelnen Rollenwerkzeuge wird noch in der Konstruktionsphase und somit ohne Kosten für Material und Inbetriebnahme durchgeführt.

Tube Halle 04, Stand F19

Hintergrund

Data M Sheet Metal Solutions GmbH ist spezialisiert auf Software-Entwicklung und Ingenieurdienstleistungen im Bereich der Blech verarbeitenden Industrie. Die Software für das Walzprofilieren Copra RF und das Herstellen von Blechbiegeteilen Copra Metalbender gehören weltweit zu den marktführenden Simulationsprogrammen für ihren Zweck.

Data M bietet neben Softwarelösungen insbesondere auch umfangreiche Beratungs- und technische Dienstleistungen an. Dazu zählen Konstruktionstätigkeiten, Analyse von Umformvorgängen oder kundenspezifische Entwicklungs- und Forschungstätigkeiten auf dem Gebiet des Walzprofilierens.

Die Data-M-Mitarbeiter haben zusammen weit mehr als 150 Mannjahre Erfahrung in der Entwicklung von Softwareprogrammen für die Blechbearbeitung und Durchführung von Ingenieurdienstleistungen.

Erschienen in Ausgabe: 07/2015