Experimentelle und numerische Analyse von mehrstufigen Stanzbiegeprozessen für Bauteile mit federnden Eigenschaften

Von:

Chris Frederic Mertin

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Standbiegeteile mit federnden Eigenschaften übernehmen u.a. wichtig, teils sicherheitsrelevante Aufgaben in der Automobil- und der Elektroindustrie. Die Bauteile können Dimensionen von wenigen Millimetern bis hin zu 40 cm annehmen. Neben Band- und Blechmaterialien wern Rund- und Flachdrähte zur Fertigung der Bauteile und Baugruppen eingestetzt. Stanzbiegeteile mit ferdernden Eigenschaften werden meist in einer komplexen Prozessabfolge von Stanzen und mehrstufiger Biegung auf Stanzbiegeautomaten gefertigt. Weiter sind Stanzbiegeprozesse durch Taktraten von bis zu 1000 Bauteilen pro Minute charakterisiert. Eine große Herausforderung stellt die Kombination mehrerer, nacheinander ablaufender Arbeitsschritte auf begrenztem Bauraum dar. Der Entwicklungsprozess für Stanzbiegeteile mit federnden Eigenschaften und die dazugehörige Prozessauslegung erfolgen größtenteils erfahrungsbasiert. Ausgearbeitete Fertigungskonzepte werden experimentell erprobt und iterativ angepasst bis das Produkt in der gewünschten Qualität im Serienbetrieb produziert werdne kann. Durch den steigenden Kosten- und Zeitdruck sowie den Trend zu kleinen Losgrößen verbunden mit einer steigenden Variantenvielfalt sind konventionelle, rein erfahrungsbasierte Entwicklungsprozesse durch rechnergeschützte Werkzeuge zu ergänzen. In Branchen wie der Automobilindustrie ist der Einsatz der Finite-Elemente-Methode (FEM) während der Entwicklungsphase bereits als Standard etabliert. Herausforderungen der Stanzbiegetechnologie, wie ein begrenzter Bauraum und hohe Taktraten sowie die Verwendung höchstfester Federstähle, erschweren das numerische Abbilden der Fertigungsprozesse. Um den Anforderungen von kürzeren Produktlebenszyklen und dem Wunsch zu ressourcenschonenden Fertigungsverfahren gerecht zu werden, wird eine Methodik erarbeitet, die die Integration der FEM in den Entwicklungsprozess von Stanzbiegeteilen mit federnden Eigenschaften und deren Fertigungsprozesse ermöglicht. Dafür werden die im Prozess wirkenden Einflussgrößen experimentell und numerisch untersucht. Darunter zu nennen sind bspw. prozessspezifische Einflüsse wie Geometrien und die Kinematik. Ein weiterer Einfluss resultiert aus den verwendeten Werkstoffen, von denen Materialdaten für die FEM entsprechend zu charakterisieren und aufzubereiten sind. Für Stanzbiegeteile mit federnden Eigenschaften spielt die hinreichend genaue Abbildung der Baugeometrie und Rückfederung eine wesentliche Rolle. Die getrennte Betrachtung der Einflussfaktoren in experimentellen und numerischen Untersuchungen trägt zum ganzheitlichen Prozessverständnis bei. Die Betrachtung von drei unterschiedlichen Fertigungsprozessen ermöglicht zudem Untersuchungen unter Laborbedingungen bis hin zu seriennahen Produktionsbedingungen bei mittleren bis hohen Taktraten. Ergebnis der Untersuchungen stellt u.a. eine Liste notwendiger Einflussfaktoren dar, die in FE-Modellen zu berücksichtigen sind, um die komplexen Fertigungsprozesse für Stanzbiegeteile mit federnden Eigenschaften hinreichend genau numerisch zu beschreiben. Die Gesammelten Erkenntnisse werden für ein Anwendungsbauteil validiert.