Beschreibung
P 567 – Simulationsgestützte Optimierung der Prozesskette Umformen – Laserstrahlschweißen
Innovative Fertigungstechnologien im Bereich der Umformtechnik, z.B. das Innenhochdruck-Umformen (IHU), und im Bereich der Fügetechnik, z.B. das Laserstrahlschweißen, ermöglichen die Herstellung von funktionalen Strukturelementen im Leichtbau. Vor allem beim Einsatz hoch- und höherfester Stähle kommen die Vorteile der genannten Verfahren, wie eine Steifigkeitserhöhung trotz Reduktion von Gewicht, zum Tragen. Die Anforderungen der Industrie an die Wirtschaftlichkeit der Herstellung, die Belastbarkeit und die Gewichtsreduktion von Bauteilstrukturen erfordern weitere Innovationen auf dem Gebiet der Fertigungstechnologien. Die Kombination der genannten Verfahren bietet in diesem Zusammenhang die Möglichkeit, die spezifischen Vorteile der einzelnen Fertigungsschritte, wie z.B. die hohe Automatisierbarkeit, innerhalb einer Prozesskette zu nutzen.
Als Hilfsmittel zur Betrachtung der Auswirkung des Prozesses auf das bearbeitete Bauteil dient die numerische Simulation auf Basis der Finite-Elemente-Methode (FEM). Die Zielsetzung der Simulation des Umformens besteht vor allem in der Untersuchung der Prozessparameter und der Analyse der Machbarkeit der einzelnen Umformschritte. Die Schweißsimulation dient zur Ermittlung des Bauteilverzugs infolge des Wärmeeintrags in das Bauteil. Bisher bestehen auch auf Grund der unterschiedlichen Zielsetzungen und Methoden der jeweiligen Prozesssimulationen noch keine Integrationsmöglichkeiten. amit ist eine ganzheitliche Betrachtung in der Simulation erschwert. Die hohen Belastungen, die sich nach dem Umformprozess als Eigenspannungen in einem umgeformten Halbzeug befinden, beeinflussen das Verhalten des Bauteils im weiteren Verlauf der Fertigungskette erheblich. Beim Laserstrahlschweißen wird das innere Gleichgewicht der Eigenspannungen durch die Strahl-Stoff-Wechselwirkungen des Bauteils mit dem Laserstrahl gestört. Dadurch wird die innere Energie teilweise in eine Deformation des Werkstoffes umgewandelt. Diese Deformation hat in hohem Maße Einfluss auf den Verzug durch das Schweißen.
Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens wurde eine Methodik entwickelt, um Ergebnisse der Simulation des IHU-Prozesses in die Simulation des Laserstrahlschweißens zu transferieren. Dazu wird das Resultat der Umformsimulation als Ausgangszustand in die Schweißsimulation implementiert. Um einen stabilen Spannungszustand als Initialzustand in der Schweißsimulation zu erhalten, wurde ausgehend vom Spannungszustand im letzten Schritt der Umformsimulation ein Dehnungstensor generiert, der den geforderten Spannungszustand hervorruft. Die Ergebnisse beispielhafter Simulationsberechnungen zeigen eine deutliche Verbesserung der Genauigkeit durch die integrierte Betrachtung der beiden Verfahren IHU und Laserstrahlschweißen im Gegensatz zu einer bloßen Verzugssimulation des Schweißens. Tendenzen werden teilweise bei komplexen Strukturen erst durch die Verwendung der Integrationsmethodik ersichtlich. Allerdings sind quantitative Aussagen zur Deformation der Struktur durch die eingebrachte Laserenergie unter Verwendung numerischer Verfahren und stark abstrahierter Modelle, etwa die Modellierung der Einspannung oder der Wärmequelle, derzeit noch nicht möglich.
Autoren:
M. F. Zäh, F. Auer, S. Roeren, H. Hoffmann, S. Häußinger
Veröffentlichung:
2004
