HotFormOpt
Steigerung der Effizienz bei der industriellen Warmumformung


Projektpartner:
Lindemann GmbH & Co. KG
Universität Paderborn, Lehrstuhl für Umformende und Spanende Fertigungstechnik (LUF)
Metatech GmbH
DynWeld hat von Metatech die Verwertung der Projektergebnisse übernommen.

Projektlaufzeit: April 2016 - März 2018

Kurzfassung:
Zur Verbesserung von Produktivität und Ressourceneffizienz von nach dem "Hamburger-Verfahren" gefertigten Rohrbogen wurde ein Finite-Elemente-Modell entwickelt. Um das Werkzeugdesign zu optimieren, wird eine Sensitivitätsanalyse der Werkzeugparameter, wie Dornhöhe und -länge durchgeführt, die die Qualität der Rohrbogen beeinflussen. Mittels numerischer Simulationen wurde es möglich, eine optimierte Werkzeuggeometrie für die Herstellung bestimmter Rohrbogenmaße zu ermitteln. Darüber hinaus wurde es möglich, basierend auf den durchgeführten Experimenten und numerischen Simulationen, die Produktionsgeschwindigkeit von Serienanlagen deutlich zu erhöhen. Um werkstoff- und verfahrenstechnische Prozessgrenzen zu ermitteln, wurden Schadensmodelle in Simulationen einbezogen. Schließlich wurde ein experimentell validiertes Modell zur Steigerung der Ressourceneffizienz in der Rohrbogen-Fertigung entwickelt.
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Rissbildung und Faltung von Edelstahlrohren in der Produktion (a) and (b) zugehörige Simulation

Animation zur Warmumformsimulation

Projektziele waren:
Die Schaffung einer innovativen Softwarelösung, die eine Steigerung der Produktivität und Effizienz auch in anderen kleinen und mittleren Unternehmen der Warmumformung identifizierbar und praktisch umsetzbar macht
Die Validierung in Form erheblicher Verbesserungen bei der Warmumformung am konkreten Beispiel der Rohrbogenfertigung
Senkung der spezifischen Energieverbräuche um > 12 %
Senkung der planerischen Materialzuschläge von ca. 12 % auf ca. 8 % Absenkung der Bedarfe an teuren Legierungselementen
Steigerung der Produktivität um mindestens 20%

Erreicht wurden folgende Projektziele:
Ein neuartiges Softwarewerkzeug, das die multivariate FEM-Optimierung am Bespiel der Rohrbogen inkl. parametrischer Geometrievariation automatisiert und erleichtert. Allerdings konnte das ursprüngliche Ziel einer reinen Freewarelösung wegen der Komplexität des Anwendungsfalls nicht erreicht werden, sondern es wurde auf den gut parallelisierbaren Solver des kommerziellen Systems LS-DYNA zurückgegriffen. Erheblich erweitert wurde die Zielsetzung um integrierte Schädigungsmodelle für Werkstoffe, so dass zusätzliche Effekte wie Schädigung/Rissbildung abgebildet werden. Erweitert wurde die Lösung zusätzlich um eine Meta-Modellierung, die eine Eingrenzung des Lösungsraums zur signifikanten Reduktion der Rechenaufwände ermöglicht. Erhebliche Verbesserungen bei der Rohrbogenfertigung Materialzuschläge und Energie können durch neue Werkzeuggeometrien in der angestrebten Größenordnung eingespart werden. Problematisch bleiben hohe Toleranzen beim Eingangsmaterial sowie die teils inhomogene Temperaturverteilung bei den realen Prozessen Es ist nicht gelungen, teure Legierungselemente bei den Rohrbogenwerkzeugen einzusparen – alternative Konzepte wurden wirtschaftlich oder technisch negativ bewertet. Die Produktivität kann unerwartet um bis zu 300 % erhöht werden (Ziel 20%). Damit einhergehend ist eine weitere Absenkung des Energieverbrauchs durch gesenkte Abstrahlungsverluste. Insgesamt konnte ein großer Teil der ambitionierten Projektziele erreicht und praktisch an einzelnen Abmessungen validiert werden. Es sind allerdings nach Abschluss des Projekts weitere erhebliche Aufwände erforderlich um die Forschungsergebnisse in die tägliche industrielle Praxis zu überführen. Beim Projektpartner Lindemann bedeutet dies beispielsweise signifikante Modifikationen an allen Werkzeugen sowie Verbesserungen in der Anlagentechnik und Ausbildung der Mitarbeiter.