Digitale Prozesskette für die Anwendung der Prozesskombination Streckziehen und Inkrementelle Blechumformung

Von:

Roman Ulrich Christopher Kordtomeikel

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In vielen Bereichen unseres täglichen Lebens lassen sich heutzutage Produkte finden, zu denen, schon lange bevor sie dem Ende ihres Verwendungszyklus nahen, teilweise auch nur geringfügig verbesserte oder modifizierte Folgeprodukte angeboten werden. Verkürzte Markteintrittszeiten resultieren aus den sich schnell ändernden Markt- und Kundenanforderungen, die sich in dem steigenden Wunsch nach individualisiert zugeschnittenen Produkten widerspiegeln. Teilweise ändern sich diese Anforderungen auch während sich ein Produkt noch in der Entwicklung befindet. Die Zeit, die ein neues Produkt bis zum Markteintritt benötigt, ist daher in den letzten Jahrzehnten immer kürzer geworden. Damit einhergehend ist auch eine Verkürzung von Entwicklungszeiten notwendig. Dies ist allerdings nur möglich, wenn geeignete Methoden dazu vorliegen und angewendet werden können, die eine hohe Qualität des neuen Produkts sicherstellen. In nahezu allen Bereichen ingenieurwissenschaftlicher Forschung und Entwicklung hat sich die digitale Auslegung und virtuelle Erprobung neuer Produkte im letzten Jahrzehnt als Stand der Technik etabliert und verkürzte Entwicklungszeiten ermöglicht. Kombiniert mit steigender Rechenleistung von Computern können auch komplexe Vorhaben virtuell geplant, mit Hilfe von Finite-Elemente-Simulationen (FE-Simulationen) erprobt und idealerweise danach, ohne oder nur mit wenigen physischen experimentellen Tests, ressourcenschonend und effizient zum finalen Produkt geführt werden. Das gilt auch für die Prozesse der Blechumformung. Im Jahr 2018 wurden laut Industrieverband Blechumformung e.V. von deutschen Unternehmen mit mehr als 50 Beschäftigten rund 21,9 Milliarden Euro in dieser Branche im In- und Ausland umgesetzt, zu der mehrheitlich Zulieferer der Automobil-und Elektronikindustrie, der Maschinen- und Anlagenbau, die Möbel- und Bauindustrie sowie auch die Medizintechnik zählen. Der im Bereich der Blechumformung wohl am stärksten etablierte Prozess zur Herstellung von Blechbauteilen ist das Tiefziehen, welches insbesondere in der Automobilindustrie weit verbreitet ist. Ein industrieller Tiefziehprozess in der Serienfertigung ist in der Lage innerhalb von kürzester Zeit viele Gleichteile herzustellen und ermöglicht eine effiziente Fertigung bei geringen Stückkosten. Der Weg zu einem serienreifen Tiefziehprozess bzw. einem korrekt tiefgezogenen Bauteil mit einer hohen Geometriegenauigkeit verursacht allerdings, neben den Kosten für die Auslegung, Erprobung und Anpassung des Prozesses, vor allem hohe Werkzeugkosten. Mit rund 15 % der Fix-Kosten eines Prototypen-Projekts, machen die Karosserie-Werkzeuge in einem Beispiel der Volkswagen AG einen wesentlichen Kostenanteil aus [2]. Für ein mit Tiefziehen in einer Operation herstellbares Bauteil werden zwei Werkzeughälften benötigt, deren Kosten jeweils im hohen sechsstelligen Bereich liegen können. Für viele Karosseriebauteile sind jedoch mehrere Tiefziehoperationen und folglich auch entsprechend viele Werkzeugpaare notwendig. Anpassungen der Tiefziehwerkzeuge, z. B. beim Einfahren eines neuen Prozesses, verursachen weitere Kosten und somit ist das Tiefziehen erst bei sehr großen Stückzahlen profitabel. Abgesehen von der Automobilindustrie werden auch in anderen Branchen an vielen Stellen Kleinserienbauteile, Einzelteile oder Prototypen benötigt. Für geringe Stückzahlen ist das Tiefziehen vor allem aus Kostengründen nicht attraktiv. Grund hierfür ist unter anderem der hohe Zeitaufwand, den das Bauteil vom Entwurf über die vielen und teilweise auch iterativen Prozessschritte bei derEntwicklung bis zur erfolgreichen Herstellung benötigt [2]. Eine kurze Zeit vom CADEntwurf (CAD: Computer Aided Design) zum fertigen Bauteil ist hier vonnöten und erfordert neue, flexible Verfahren. Der 3D-Druck hat sich inzwischen in vielen Bereichen neben der Prototypenfertigung auch in der Serienfertigung zur Bauteilherstellung etabliert. Für dünnwandige Blechbauteile, bei denen insbesondere die Umformgeschichte die späteren Bauteileigenschaften beeinflusst, hat sich der 3D-Druck bisher jedoch nicht bewähren können.