Die Herstellung von Verbindungselementen ist ein zentraler Bereich der Kaltmassivumformung in Deutschland, steht jedoch durch kürzere Produktlebenszyklen vor wachsenden Herausforderungen. Insbesondere das energieintensive Profilwalzen komplexer Bauteile wird aktuell durch empirische, kostenintensive Prozessauslegungen und fehlende digitale Modelle begrenzt. Die Finite-Elemente-Methode (FEM) als Möglichkeit der Digitalisierung bietet hier großes Potenzial, um durch virtuelle Simulation und Schädigungsmodelle, wie das Mohr-Coulomb-Kriterium, Prozessfehler vorherzusagen und Prozessgrenzen effizient abzubilden. Hierdurch kann die Wettbewerbsfähigkeit von kleinen und mittelständischen Unternehmen (KMU) erhöht werden.

Motivation

Die Herstellung von Verbindungselementen stellt mit einer Gesamtmasse von 777.000 t jährlich und einem Umsatz von 3,82 Mrd. € einen maßgeblichen Teil der in Deutschland kaltmassivumformtechnisch hergestellten Bauteile dar.

Die fortschreitende Digitalisierung und die damit einhergehende Verkürzung von Produktlebenszyklen stellen die Fertigungsindustrie, insbesondere kleine und mittelständische Unternehmen (KMU), vor neue Herausforderungen. Dieser Trend erfordert kürzere, effizientere, digitale und nachhaltige Produktentwicklungsprozesse. Insbesondere die Kaltmassivumformung als energieintensiver Prozess mit hohen Maschinen- und Werkzeugkosten muss sich diesen Entwicklungen anpassen. Dabei stehen hohe Qualitäten, Festigkeit und Ausbringung sowie geringe Stückkosten bei hohen Stückzahlen der erzeugten Bauteile im Widerspruch zu den genannten Anforderungen.

Das Profilwalzen birgt großes Potenzial zur Steigerung der Effizienz und Flexibilität in der Produktion. Der Einsatz des Profilwalzens für neue, komplexere Bauteile wie moderne Verbindungselemente mit Nuten oder speziellen Passflächen ist jedoch aufgrund von Herausforderungen bisher begrenzt. Die Prozessauslegung basiert aktuell vor allem auf empirischen, iterativen Verfahren, was zu hohen Kosten führt. Häufig werden teure Werkzeuge mehrfach mit iterativen Verbesserungen hergestellt (Abbildung 1, links).

Die Finite-Elemente-Methode (FEM) ist in der Lage, diese Herausforderungen zu meistern, indem sie eine virtuelle Abbildung des Umformprozesses ermöglicht (Abbildung 1, rechts). Bisherige Studien zeigen jedoch, dass sich die Anwendung der FEM im Profilwalzen noch in der Entwicklung befindet. Insbesondere die Vorhersage von Prozessfehlern wie Innenrissen und Einschnürungen stellt eine große Herausforderung dar. Hohe Simulationszeiten und die noch zu erforschenden Prozessgrenzen erschweren die breite Anwendung. Schädigungsmodelle bieten die Möglichkeit, durch Vorhersage von Schädigungen diese Prozessgrenzen abzubilden.

Lösungsweg

Das Ziel dieses Projekts besteht in der Erschließung von Versagensmechanismen wie Innenrisse und Einschnürungen beim Profilwalzen mittels Finite-Elemente-Methode (FEM) mit integrierten Schädigungsmodellen (Mohr-Coulomb-Schädigungsmodell). Um die Prozessauslegung mittels FE-Simulation abbilden zu können, wird zunächst eine Simulation auf Grundlage des Profilwalzens erstellt und optimiert (siehe Abbildung 2). Zeitgleich wird ein Modellversuch entwickelt, um Schädigungen (Innenrisse) gezielt in zylindrischen Versuchsproben einzubringen. Dieser wird in industriellen Walzversuchen erprobt. Gleichzeitig werden die Walzversuche simuliert. Durch metallografische Untersuchungen auf Innenrisse und den Abgleich der Spannungszustände am selben Ort in der Simulation lassen sich Stützpunkte entnehmen, mit denen die Schädigungsgleichung des Mohr-Coulomb-Kriteriums kalibriert und in die Simulation eingebunden werden kann. Im nächsten Schritt wird eine Parameterstudie mit der durch das Schädigungsmodell erweiterten Simulation durchgeführt, um das Prozessfenster simulativ ermitteln zu können. Das Prozessfenster dient dazu, festzustellen, mit welchen Geometrien Nuten ohne mögliche Schädigungen eingewalzt werden können. Zur Absicherung spezifischer Einflüsse des Solvers bei der Simulation erfolgt eine Modellierung und Durchführung der gleichen Simulation neben dem Programm „Simufact Forming“ auch mit „QForm UK“. Das ermittelte, FEM-basierte Prozessfenster wird dann experimentell validiert, um zu bestätigen, ob die simulativ ermittelte Prozessgrenze auch in der Realität besteht. Hierbei wird ebenso der entwickelte Kalibrierversuch bewertet und das Simulationsmodell weiter optimiert. Die gewonnenen Erkenntnisse können auch auf weitere Schädigungsmechanismen wie Einschnürung oder Überwalzungen übertragen werden.

Danksagung

Das Forschungsprojekt findet im Rahmen des IGF-Vorhabens IGF 22806 N/1 der Forschungsgesellschaft Stahlumformung e.V. (FSV) statt. Dieses wird über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

Wir bedanken uns bei allen Industriepartnern, sowie beim BMWK, der AiF und der FSV, die das Forschungsprojekt IGF 22806 N/1 im projektbegleitenden Ausschuss (PA) unterstützen.

Gefördert durch

Projektpartner