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Die Geometrie als Parameter zur Optimierung
von IHU-Umformprozessen
Von Dipl.-Ing. Markus Werner
Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU
Abteilung Grundlagen und Sonderverfahren
Reichenhainer Str. 88
09126 Chemnitz
markus.werner@iwu.fraunhofer.de
Schlüsselwörter: Innenhochdruck-Umformung (IHU), Methodenplanung, Prozessoptimierung,
Knowledge-based Engineering (KBE)
Einleitung/Motivation
Bei Umformprozessen, insbesondere im Bereich der Massivumformung, ist die Materialvorverteilung
entscheidend für die Qualität des Bauteils als auch für die Robustheit des Prozesses selbst. Einen ebenso
starken Einfluss bei der Blechumformung hat die Ankonstruktion, da sie wesentlicher Bestandteil
der technologischen Umsetzung der eigentlichen Bauteilgeometrie ist. Gängige Simulationstools unterstützen
den Anwender bei der Erzeugung von Zwischengeometrien und Ankonstruktionen. Nachteilig
hierbei ist die Tatsache, dass die Rückführung derart erzeugter Geometrien in CAD-Systeme
zum Teil problematisch ist, insbesondere dann, wenn es auf die Qualität der Flächen für die weitere
Verarbeitung ankommt. Ein weiteres Manko ist die Tatsache, dass eine Vielzahl von Parametern für
eine Optimierung genutzt werden kann, die Geometrie jedoch als Ganzes oder in Teilbereichen nicht.
Methode zur Optimierung der Ankonstruktion
Abbildung 1: Schema und Ablauf der Methode zur automatisierten Optimierung der Ankonstruktion
www.utfscience.de IV/2009
Verlag Meisenbach GmbH, Franz-Ludwig-Str. 7a, 96047 Bamberg, www.umformtechnik.net
Markus Werner: Die Geometrie als Parameter ... , S.1/4

Aus den genannten Gründen wurde am Fraunhofer IWU Chemnitz eine Methode entwickelt, die auch
die Geometrie, speziell die Ankonstruktion, in die Optimierung mit einbezieht. Voraussetzung hierfür
ist ein parametrisch assoziativ gestaltetes CAD-Modell. Via Skript wird ein gewählter Parametersatz
eingelesen und damit ein neues Geometriemodell erzeugt. Hiervon werden automatisch die notwendigen
Geometrien für das Halbzeug als auch für die Werkzeugaktivteile abgeleitet und vernetzt. Im
nächsten Schritt wird ein Input-File für die Simulation erzeugt, das die neu generierten Geometrien
verwendet. Danach wird die Simulationsrechnung mittels Kommandozeile gestartet. Sobald die FEM-
Rechnung fertig ist, wird die Ergebnisdatei analysiert und die notwendigen Daten aufbereitet. Zuvor
bestimmte, meist kritische, Stellen am Bauteil werden über den Prozess hinweg beobachtet und
entsprechend ausgewertet. Sofern sich Veränderungen einstellen, werden diese beurteilt. Hieraus
wird dann die Entscheidung gefällt, in welche Richtung, d.h. mit welchem Parametersatz die nächste
Simulation ausgeführt wird. Die zentrale Steuerung des Ablaufes erfolgt mit MATLAB.
Praxisbeispiel
Am Beispiel der Optimierung einer Ankonstruktion werden die Vorgehensweise und die Ergebnisse
vorgestellt. Abbildung 2 zeigt eine Leichtbautür mit ausgewähltem IHU-Bauteil (blau) in Einbaulage.
Abbildung 2: TeMaK - Leichtbautür mit IHU-Bauteil (blau) und Verstärkungsteilen (orange), einzeln und im Zusammenbau
(rechts)
Im abgebildeten Ausschnitt in Abbildung 3 ist die Fertigteilgeometrie blau dargestellt und die zu optimierende
Ankonstruktion beige. Rechts daneben sind die Schnittkurven des Nachschiebebereiches
(schwarz) als auch des engsten Fertigteilquerschnittes (blau), in eine Ebene projiziert, abgebildet.
Aufgrund der vorliegenden Bedingungen kann der Nachschiebebereich in Bezug zur Fertigteilgeometrie
in der Ebene verschoben und um diese rotiert werden, wie es in der Abbildung 3 rechts
angedeutet ist. Als Nebenbedingung wurde festgelegt, dass sich beide Konturen nicht durchdringen
dürfen, da das zu einer ungewollten Umformung beim Schließen der Gravur zur Folge hätte. Durch
diese Randbedingung werden die Wertebereiche für die Variation der drei Parameter (Verschiebung
in x und y-Richtung, Drehung um c) eingeschränkt. Als Zielkriterium wurde eine minimale Ausdünnung
im kritischen Bereich deklariert. In Abbildung 4 sind exemplarisch 12 verschiedene Varianten
dargestellt, wobei in eckigen Klammern die Werte für die Verschiebung um x, um y und die Drehung
um c stehen. Unterhalb der Skizze steht das zugehörige Ergebnis der Simulation hinsichtlich der
größten Ausdünnung im kritischen Bereich. Die Ankonstruktion mit Variante 11 führte zum besten
Umformergebnis bzw. zur geringsten Ausdünnung im kritischen Bauteilbereich. Auf Basis dieser Ankonstruktion
konnte in darauf aufbauenden Schritten durch weitere Optimierung der Prozessführung
das Ergebnis zusätzlich verbessert werden.
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Abbildung 3: IHU-Bauteilgeometrie (blau) mit Ankonstruktion (beige) links sowie die zugehörigen Querschnitte rechts
Abbildung 4: Varianten für die Gestaltung der Ankonstruktion und Ergebnisse der Simulation
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Abbildung 5: Resultat mit der geringsten Ausdünnung im kritischen Bereich
Ausblick
Die vorgestellte Methodik ist Teil der Aktivitäten am Fraunhofer IWU in Chemnitz mit der Zielstellung,
eine automatische Methodenplanung für Umformprozesse zu schaffen. Ein wesentlicher Baustein
liegt in der automatischen Extraktion fertigungsrelevanter Merkmale direkt aus den CAD-Daten der
Fertigteilgeometrie. Nach ersten richtungsweisenden Experimenten werden die hierfür notwendigen
Grundlagen in einem Projekt geschaffen, das durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft gefördert
wird. Das Vorhaben wird gemeinschaftlich mit der Professur für Graphische Datenverarbeitung der
TU Chemnitz durchgeführt. Auf Basis der automatisch extrahierten fertigungsrelevanten Merkmale
soll dann eine featurebasierte Fertigungsprozessgestaltung am Beispiel der Methodenplanung von
IHU- Bauteilen prototypisch umgesetzt werden.
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