Unregelmässige Profile

Fokus

Die wirtschaftlichen und konstruktiven Vorteile der Verwendung von Profilen im Leichtbau sind hinlänglich bekannt. Das kontinuierliche Verfahren des flexiblen Walzprofilierens potenziert diese Vorteile.

12. Oktober 2010

Ein Beispiel für das flexible Walzprofilieren ist die Herstellung belastungsangepasster Profilformen. Wie bei den ›Taylored Blanks‹ lassen sich damit durch Walzprofilieren Werkstoff und Gewicht einsparen. Doch stellen die Herstellungsverfahren besondere Anforderungen an die Anlagentechnik. Mit Hilfe moderner Softwaretechnik können diese Herausforderungen aber sehr gut gemeistert werden.

Die Data M Sheet Metal Solutions GmbH bietet mit ihrer integrierten Software ›Copra RF‹ eine Prozesskette für die Auslegung und Validierung von Rollensätzen in der Walzprofilfertigung an. Das Programm umfasst Funktionen zur Entwicklung offener oder geschlossener Profilquerschnitte sowie der entsprechenden Umformwerkzeuge und umfasst auch die Simulation der Umformprozesse mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode (FEM). Die Data-M-Simulationstechnik ist damit auch ein wesentlicher Produktionsfaktor.

Zuverlässige FEM-Simulationen

Der einzige Weg zu einem funktionierenden Rollensatz führte bisher über die praktische Erprobung an der Maschine. Heute gibt es eine Alternative zu diesem zeitraubenden und teuren Weg des ›Einfahrens‹ eines neuen Walzprofilierwerkzeugsatzes. Sie ist schneller, und ein Nacharbeiten der Werkzeuge lässt sich damit nahezu vollständig vermeiden: die Simulation des Umformvorgangs am Computer.

Sobald ein Rollensatz in Copra RF fertig konstruiert ist, werden die Daten vom FEM-Simulationsprogramm übernommen: ›Copra FEA RF‹ (Finite-Elemente-Analyse für Roll-Formen) simuliert den Walzprofiliervorgang mit Hilfe der nicht-linearen elasto-plastischen Berechnungsmethode. Um Fragen wie die der Definition des FE-Berechnungsmodells, der Diskretisierung, der Auswahl geeigneter Elementtypen oder der Definition von Randbedingungen braucht sich der Anwender nicht zu kümmern. Diese Punkte werden bei dem in die Copra-Prozesskette vollständig integrierten Softwareprogramm automatisch berücksichtigt.

Eine Reihe leistungsfähiger Analysefunktionen geben dem Anwender verlässliche Aussagen über die zu erwartende Profilqualität oder die Eigenschaften des Produktes. Das kann ein Präzisionsrohr sein, bei dem die Rundheit entscheidend ist, oder ein Automobilstoßfänger, wo der Endanwender wissen will, welches Energieaufnahmevermögen das Bauteil haben wird. Sowohl das fertige Profil als auch die einzelnen Umformstufen werden plastisch in dreidimensionalen Farbbildern dargestellt. Durch die Sichtbarmachung auftretender Defekte braucht man keine empirischen Versuche und Justagen an der Profilieranlage mehr durchzuführen. Außerdem beginnt der Anwender den Walzprofilierprozess besser zu verstehen und kann den Werkzeugsatz schon in der Konstruktionsphase optimieren, was Zeit und Geld spart.

Wichtige Erkenntnisse über das Walzprofilieren

Weil nicht jedes Unternehmen den vollen Leistungsumfang einer solchen Branchenlösung benötigt, ist die komplette Software modular aufgebaut. Als ›skalierbares‹ Programm ist sie in der Lage, die für jedes Unternehmen individuellen Anforderungen gezielt zu erfüllen.

Da eine komplette Finite-Elemente-Berechnung auch auf den heute verfügbaren, schnellen Computersystemen nicht innerhalb weniger Minuten erfolgen kann, hat sich die zweistufige Lösung der Vor-Optimierung durch einen schnellen analytischen Berechnungsansatz ›Copra FTM‹ (Formänderungs-Technologie-Modul) und der nachfolgenden Validierung des kompletten Werkzeugsatzes durch die FEM im praktischen Einsatz bewährt.

Die Auswirkungen auf den gesamten Ablauf in der Herstellung von Kaltwalzprofilen gehen natürlich weit über die Reduzierung der Einfahrzeiten für einen neuen Werkzeugsatz und Erhöhung der Prozesssicherheit hinaus. Der Profilhersteller erhält jetzt wichtige Erkenntnisse und Erfahrungen über den gesamten Umformprozess ›Walzprofilieren‹, wie es laut Data M nie zuvor möglich war. Damit lassen sich zukünftige Fehler und Probleme, die in diesem Zusammenhang auftreten, für neue Produkte bereits im Vorfeld vermeiden.

F & E für eine lebendige Software

Walzprofilierte Bauteile gewinnen aufgrund ihrer Anwendungsvielfalt in den vergangenen Jahren immer mehr an Bedeutung und werden in neuen Bereichen wie der Automobilindustrie verwendet. Folge: eine erheblich größere Formenvielfalt an Kaltwalzprofilen und der Einsatz neuer Werkstoffe mit höherer Bruchfestigkeit, aber schlechteren Umformeigenschaften. Das bedeutet für die Data M Sheet Metal Solutions aber auch, dass sie ihr Softwareprogramm ›Copra RF‹ kontinuierlich weiterentwickeln muss. Dazu nutzt das Unternehmen Forschungsergebnisse aus den unterschiedlichsten Projekten zum Walzprofilieren.

Die Geschichte der heutigen Data M Sheet Metal Solutions GmbH fing schon vor der eigentlichen Gründung des Unternehmens an. Der Gründer, Dipl.-Ing. Albert Sedlmaier, arbeitete von 1982 bis 1987 als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lehrstuhl für Konstruktion im Maschinenbau der TU München. Im Rahmen eines Forschungsprojektes der Studiengesellschaft für Stahlanwendung, der heutigen Fosta Forschungsvereinigung Stahlanwendung e.V., Düsseldorf, forschte Sedlmaier zu dem Thema ›Wissensbasierte Konstruktion von Walzprofilierwerkzeugen – CAD/CAM-Anwendungen‹.

Die Arbeiten und Entwicklungen aus dieser Forschungszeit inspirierten den jungen Ingenieur gemeinsam mit Dipl.-Ing. Stefan Freitag zur Gründung der Data M Software GmbH im Juni 1987. Ziel des Unternehmens war zunächst die reine Software-Entwicklung. Langsam entwickelte sich daraus der Bereich ›Verfahrenssimulation‹.

Heute, 23 Jahre später, ist Data M wieder an einem Fosta-Projekt beteiligt. Darin geht es im Prinzip darum, sowohl Biegeversuche als auch einfache Rollformversuche simulativ abzubilden und die Simulation mit den durchgeführten Experimenten zu verifizieren. Ziel ist unter anderem herauszufinden, welche Materialmodelle und Elementbeschreibungen die gemessene Realität optimal abbilden.

Die Entwicklung des flexiblen Walzprofilierens

Vor circa zehn Jahren wurde das sogenannte flexible Walzprofilieren entwickelt, mit dem durch neuartige, verstellbare Walzgerüste auch über der Längsachse diskontinuierliche Querschnitte hergestellt werden können. Die 1. Generation dieses Anlagentyps wurde aus Ideen von Prof. Schmoeckel, Prof. Groche und Dr. Istrate vom PtU Darmstadt entwickelt. Die Data M Sheet Metal Solutions GmbH hat diese Entwicklung mit eigenen Ideen maßgeblich begleitet und bereits für diese erste Anlage die erforderliche flexible Steuerung Copra AMC (Adaptive Motion Control) konzipiert und geliefert.

Ebenfalls am PtU läuft ein anderes Projekt zur Erzeugung maßgeschneiderter Vorformen für IHU-Prozesse. Insbesondere beim Einsatz höherfester Bleche wird nicht selten sehr schnell die Versagensgrenze des nicht mehr so gut verformbaren Materials erreicht. Durch flexibles Walzprofilieren können hier bereits endkonturnahe Vorformen mit einem effizienten und für höherfeste Stähle auch gut geeigneten Verfahren hergestellt werden.

Eine deutliche Weiterentwicklung erfuhr diese Technik in dem EU-Projekt ›Proform‹ am Labein Tecnalia in Spanien, an dem insgesamt 22 europäische Partner beteiligt waren. Data M Sheet Metal Solutions konzipierte, entwickelte und lieferte auch hier für eine von Gasparini gebaute Versuchsanlage die komplette Steuerung Copra AMC für bis zu 256 flexible Achsen. Das im Oktober 2010 endende Projekt hatte zum Ziel, die grundsätzliche Eignung des Verfahrens ›Flexibles Walzprofilieren‹ für die Herstellung von Fahrzeugkomponenten mit diskontinuierlichen Querschnitten (3D-Profile) aus der Karosserie zu untersuchen und anhand einer Demonstrationsanlage zu beweisen. Das Vorhaben war erfolgreich, der Nachweis konnte erbracht werden.

Basierend auf den Erkenntnissen aus der aktiven Mitarbeit an den genannten und weiteren Projekten wurde jedoch von den Ingenieuren der Data M Sheet Metal Solutions GmbH eine neue Anlage der 2. Generation mit verbesserten Aggregaten entwickelt, die im Juni 2010 nach Erprobung und Vorführung an einen der größten Stahlhersteller der Welt als ›Versuchsanlage‹ verkauft wurde.

Differenziertes Materialverhalten

An der Deakin University in Melbourne wurde ein neuer Biegeversuch speziell für die Anwendung im Profilwalzen entwickelt. Durch die Möglichkeit zur momentenfreien Biegung eines Blechstreifens in der Versuchseinrichtung wird eine präzisere Beschreibung des Materialverhaltens als bisher erreicht. Der Versuch erlaubt zum Beispiel eine deutliche Differenzierung des Biegeverhaltens eines Blechstreifens in und gegen die Coilrichtung. Dieses unterschiedliche Materialverhalten lässt sich auch an den gewalzten Bauteilen eindeutig nachweisen.

Die verbesserte Beschreibung des Materialverhaltens soll in einem Projekt mit der Deakin University nun auch in die Data-M-Software Copra FEA RF implementiert werden und dort zu einer verbesserten Voraussage der Rückfederungen, Verdrehungen und anderer Fehler des Profils führen. Damit kann der Anwender schon frühzeitig mit geeigneten Gegenmaßnahmen reagieren und die teure Fertigung fehlerhafter Rollenwerkzeuge und eine zeitaufwendige Versuchsreihe am fertigen Profil vermeiden.

Ein weiteres Forschungsprojekt, mit Data M als Projektkoordinator, ist ›RFexpert‹. In diesem Projekt sollen unter anderem die Einflüsse verschiedener Parameter wie Reibung und Verfestigung auf die Profilqualität kalt profilierter Querschnitten untersucht werden, um durch geeignete Messverfahren und den Einsatz eines Expertensystems die gleichbleibende Qualität der zu produzierenden Profile zu sichern. Das Finite-Elemente-Modell, das zur Simulation des Rollformprozesses eingesetzt wird, soll durch dieses Projekt stark verbessert und noch leistungsfähiger werden.

Das Dienstleistungszentrum

Schon seit Jahren denken die Macher von Data M Sheet Metal Solutions über die Erweiterung ihres Dienstleistungsspektrums nach, um das selbst entwickelte Know-how den Kunden in aller Welt noch besser vermitteln zu können. Zu diesem Zweck hat das Unternehmen bereits Niederlassungen in den USA, Indien, Brasilien, Polen, Schweden und im Vereinigten Königreich gegründet. Auf diese Weise haben die Data-M-Ingenieure ihre Ohren und Augen bei ihren Kunden und direkt am Markt. Dieser Teil des Data-M-Serviceangebotes wird auch in Zukunft weiter wachsen.

Ein weiterer, maßgeblicher Teil kommt aber noch hinzu: Data M wird in den nächsten Jahren im oberbayrischen Valley (sprich: »Fallei«, nicht »Wälli«) ein Dienstleistungszentrum einrichten. Hier soll eine industriell einsetzbare Prototypen-Anlage zum flexiblen Walzen von Blechprofilen mit über der Längsachse diskontinuierlichen Querschnitten entwickelt und gebaut werden. Völlig neu an diesem Vorhaben ist, dass man erstmalig industrielle Standards in der Automobilindustrie für 3D-Profile erreichen will. Intelligente Steuerungstechnik, zuverlässige Simulationstechnik und patentierte Verfahrenstechnik sind dafür unabdingbare Voraussetzungen, um eine prozesssichere Kontrolle der Umformvorgänge im Blechband zu erreichen.

Modernes Engineering

Sowohl den Automobilzulieferern als auch den einschlägigen Maschinenherstellern fehlt es in dieser speziellen Technik zur Zeit noch an Know-how und Erfahrung. Deshalb hält sich die Industrie schon seit Jahren mit Investitionen auf diesem Gebiet zurück, obwohl die Vorteile der neuen Technik auf der Hand liegen:

-Höhere Flexibilität als pressgeformte Teile (die jeweils ein Extrawerkzeug brauchen) und größere Formvielfalt (etwa für geschlossene Profile)

-Kostenvorteile durch kontinuierliche Produktion

-Fertigung kompletter Teilefamilien auf nur einer Anlage

-Bessere Umformbarkeit für hoch- und höchstfeste Stähle sowie Aluminium et cetera

Dazu soll auch ein Versuchslabor aufgebaut und dessen Dienste der Industrie angeboten werden – spezialisiert auf das ›Verfahren Walzprofilieren‹. Einige Data-M-Kunden sehen dieser Entwicklung voll positiver Erwartung entgegen. Mit der Umsetzung des geplanten Projektes will Data M Sheet Metal Solutions in Zukunft die gesamte Prozesskette für das Walzprofilieren flexibler Querschnitte von deren Berechnung und Konzeption bis hin zur Realisierung einer kompletten industriellen Anlage bei dem Endkunden zu deren effizienten Herstellung als kompetenter Engineering-Dienstleister abdecken.

Im Einzelnen umfassen diese zukünftigen Dienstleistungen folgende Bereiche:

-Ausarbeiten einer Machbarkeitsstudie

-Erarbeiten eines (teilweise) neuen Maschinen- und Umformkonzeptes

-Fertigung eventuell fehlender Komponenten für die Prototypenanlage

-Herstellung von 10 bis 20 Bauteilen der geforderten Profile

-Planung der industriellen Anlage und entweder

-Lieferung kompletter industrieller Anlage an den Endkunden als Generalunternehmer oder

-Beratung einzelner ausgewählter Maschinenhersteller, um diese Anlage(n) für ausgewählte Endkunden zu fertigen.

Belastungsoptimierte Profile

Um unter anderem die Automobilindustrie von den Vorteilen des 3D-Walzprofilierens zu überzeugen, sollen auf dieser industriellen Prototypenanlage später die vom potenziellen Anwender gewünschten Prototypen der Bauteile – also die jeweiligen unregelmäßigen und natürlich auch konventionellen Profilquerschnitte – als Beweis für die Machbarkeit erstellt werden.

Mit dem neuen Verfahren lassen sich auch ›belastungsoptimierte‹ Profile mit an die jeweilige Belastung optimal angepassten Querschnitten herstellen. Dadurch werden an Strukturbauteilen von PKWs und LKWs, wie Längs- und Querträger, Gewichtseinsparung über 20 Prozent erreicht, was bei anderen Techniken oft mit wesentlich höherem Aufwand und Kosten verbunden ist.

Auch die ökonomischen und ökologischen Effekte sind beachtlich. So ergäbe sich bei einer angenommenen Laufleistung von 100000 km eine Gesamteinsparung von 4 l Treibstoff je eingespartem kg Auto (Annahme: Einsparung von 0,4 l pro 100 km je eingesparte 100 kg). Das ist nicht nur wirtschaftlich, sondern auch umweltschonend.

Besonders erwähnenswert an dem neuen Verfahren ist jedoch, dass es nicht annähernd so viel kostet, wie es letztendlich einsparen hilft. Aufgrund der hohen Flexibilität des Verfahrens in Verbindung mit der Effizienz des Walzprofilierens können nämlich ganze Baugruppen und ähnliche Bauteilfamilien auf einer einzigen Anlage produziert werden.

Data M Sheet Metal Solutions stellt auf der Euroblech 2010 in Halle 27, Stand F65, und Halle 11, Stand F06, aus.

Erschienen in Ausgabe: 05/2010