Verzugsmanagement beim Zusammenbau


Bei der Fertigung geschweißter Blechbaugruppen (Fahrzeug-Karosserien und Komponenten, Abgasanlagen, Kraftwerkkomponenten, Haushaltsgeräten und vielem anderen mehr) entstehen Formabweichungen. Sowohl thermischer Verzug aus dem Schweißvorgang, das Auftreten von Beulproblemen, als auch Verzug beim Einspannen imperfekter Einzelbauteile tragen dazu bei. DynaWeld kann diese Formabweichung schon im Entwurfsstadium berechnen und Kompensationsmaßnahmen vorschlagen.

Die DynaWeld befasst sich mit der thermischen Füge- und Fertigungssimulation. Die Fertigungssimulation hilft moderne hochtechnisierte Herstellverfahren optimal auszulegen. Damit können Unternehmen einerseits Kosten in der Fertigung einsparen und sind andererseits auch in der Lage, anspruchsvolle Fertigungsstufen überhaupt realisieren zu können.

In der Vergangenheit wurde die Schweißstruktursimulation für die Vorhersagen von Verformungen und Eigenspannungen meistens nur auf kleine Bauteile angewendet. Untersuchungen und Validierungen erfolgten auf kleinen Testbeispielen. Mittlerweile ist ein Stand für diese Simulationsmethodik erreicht, mit dem zutreffende Ergebnisse mit exzellenter Übereinstimmung zur Realität erreicht werden. Allerdings sind kleine Baugruppen in der industriellen Anwendung weniger von Interesse, da Schweißversuche schneller und kostengünstig durchgeführt werden können. Anders sieht es bei großen Strukturen und mehrstufigen Zusammenbauten aus. Versuchsschweißungen werden immer kostspieliger, insbesondere dann, wenn große Spezialwerkzeuge geändert werden müssen, ohne dass hinreichende Sicherheit über die Wirksamkeit der Maßnahme besteht. Hier hilft die Simulation massiv Kosten in der Entwicklung der Fertigungsstraße und der Fertigungsauslegung einzusparen.

Im Karosseriebau ist es eine große Herausforderung, die Abweichung der gefertigten Struktur zur Zielgeometrie (CAD) in gewünschten Grenzen zu halten. Der Fertigungsprozeß sollte gleichzeitig und parallel zur Produkt-Entwicklung zu einem sehr frühen Zeitpunkt abgesichert werden. Fertigungsanlagen werden teilweise schon ausgelegt bevor der Fertigungsprozeß hinsichtlich Machbarkeit und zu erzielender Toleranzen abgesichert ist. So stehen zum Beispiel die Anzahl von Fertigungsstationen, Taktzeiten und die Roboter mit Aktionsvorgaben bereits fest. Treten nun in einer späten Entwicklungsphase Probleme in der Maßhaltigkeit des Endprodukts auf, sind die die Möglichkeiten gegenzusteuern aufgrund der bereits gesetzten Randbedingungen begrenzt. Dieses kann vermieden werden durch den Einsatz eines leistungsfähigen Simulationstools um:
  • Ursachen für verschiedene Verzugsentstehungen herauszufinden und
  • verschiedene Ausgleichsmaßnahmen virtuell zu überprüfen.
Die beste Maßnahme ist der Einsatz der Zusammenbausimulation in einem frühen Stadium:
  • Überprüfung der ersten Planungen der Produktion
  • Gegensteuern im frühen Entwicklunsstadium, falls Toleranzen nicht eingehalten werden oder sichtbare Beulprobleme auftreten.
DynaWeld hat ein Simulationstool mit speziellen Methoden entwickelt, die der genauen Zusammenbausimulation gerecht werden. Die wichtigsten Leistungsmerkmale sind dabei:
  • Unterstützung von FE-Codes mit hoher Performance
  • spezielle Methode zur Abbildung der Schweißnahtkinematik
  • Abbildung der Spannvorrichtung mit Anfahren und Lösen der Spanner
  • Berücksichtigung imperfekter Einzelbauteile
  • Mehrstufiger Zusammenbaus
Bislang wird bei den Simulationen das Schweißzusatzmaterial zu Berechnungsbeginn auch für noch nicht geschweißte Nähte fest mit den Bauteilen verbunden. Zwar kann man durch Materialseitige Eingriffe die Steifigkeit dieser noch nicht exisiterenden Verbindungen herabsetzen, aber die Vorgehensweise verfälscht dennoch maßgeblich das Ergebnis. DynaWeld hat eine besondere Simulationsmethode entwickelt, bei der dieser Fehler nicht auftritt, sondern die noch unverschweißten Bauteile sich frei bewegen können. Damit ist DynaWeld in der Lage, Spaltbildung beim Schweißen zu detektieren. Spann oder Heftkonzepte können so ausgelegt werden, daß keine kritischen Spalte auftreten. Im Umkehrschluss lassen sich mit dieser Metthodik auch Prozesse besser auslegen, weil sich die Orte für Heftnähte oder Spannwerkzeuge dadurch bestimmen lassen.
Spaltbildung
Bild 2: Anfahren und Lösen der Spanner beim Schweißen eines Autodaches

Aus der Einspannung der Bauteile ergibt sich ein weiterer signifikanter Einfluß auf den Zusammenbauverzug. Das Schließen der Spanner prägt eine zusätzliche Verformungs- und Spannungskomponente ein, sobald die Einzelbauteile oder Unterbaugruppen bereits Geometrieabweichungen zur CAD-Nulllage aus vorherigen Fertigungsschritten aufweisen. Derartige Einspannverzüge werden durch das Fügen „eingefroren“. Darüber hinaus können Vorverformungen durch Spanner bewußt zur Verzugskompensation ausgelegt werden. DynaWeld berücksichtigt in der Simulation den Einspannvorgang einschließlich vorgegebener Spannwege oder Spannkräfte. Bild 2 zeigt dies am Beispiel des Verschweißens eine Autodachs mit der Karosserie.

Der Zusammenbau einer Karosserie oder Schweißkonstruktion erfolgt üblicher Weise in mehreren Stationen. Dabei werden zunächst Unterbaugruppen gefertigt, die in weiteren Schritten zur Hauptbaugruppe zusammengefügt werden (Bild 3). Dieser mehrstufige Prozeß wird mit DynaWeld prozeßgetreu nachsimuliert. Dabei werden die Zustandsgrößen Verformung, Spannungen, Kontakt und Resttemperaturen aus der ersten Berechnungsstufe in die nächstfolgende als Eingangsgröße übernommen.
Spaltbildung
Bild 3: Zusammbenbausimulation

Mit den aufgezeigten Methoden kann der Zusammenbauverzug großer Blechstrukturen zutreffend berechnet werden. Das Bild links zeigt den Beulverzug am Autodach im noch nicht optimierten Zustand sowie denselben Verzug in farblicher Darstellung. Die Zusammenbauberechnung kann und sollte bereits in früher Entwurfsphase erfolgen, da daraus das Konzept zur Verzugskompensation ausgelegt werden kann.

Das Verzugsmanagement mit DynaWeld ermöglicht eine Fertigungsplanung, die im Gegensatz zur heutigen Praxis mit fast keinen späteren Werkzeugkorrekturen der Fertigungsstraße auskommt.

Unsere Softwarelösungen:
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