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Kalkulation in Hochform

FEM: Einsatz nichtlinearer Berechnungsprogramme beim Tiefziehen
Kalkulation in Hochform

Die viel beachteten Simulationsanwendun-gen der Automobil- und Luftfahrtindustrie sind nur die Spitze einer Pyramide. Längst nutzen immer mehr kleine und mittelständische Unternehmen die computergestützte Simulation, um die Produktqualität zu steigern, neue Verfahren anwendbar zu machen und neue Märkte zu erschließen.

Die im niedersächsischen Rinteln ansässige Firma Stüken GmbH & Co. KG gilt mit mehr als 500 Mitarbeitern und über 80 Mio. E Umsatz als eines der führenden Unternehmen und Know-How-Träger der Tiefziehbranche. Die Spezialität von Stüken sind kleine und kleinste Bauteile von unter 1 bis max. 60 mm Länge mit Wandstärken zwischen 35 µm und 2 mm. Von der Kundschaft, die sich vorwiegend aus der Elektronik-, Konsumgüter- und Automobilindustrie rekrutiert, wird besonders die Zuverlässigkeit und konstant hohe Qualität geschätzt. Dabei sind die Anforderungen, die zur Entwicklung und Fertigung der nur bei oberflächlicher Betrachtung einfachen Bauteile bewältigt werden müssen, enorm.

Vorteilhaftes Tiefziehen
In den DIN-Normen wird das Tiefziehen definiert als ”das Zugdruckumformen eines Blechzuschnitts zu einem Hohlkörper ohne beabsichtigte Veränderung der Blechdicke”. Diese akademische Formulierung beschreibt ein Verfahren zur kostengünstigen und umweltschonenden Herstellung von Präzisionsteilen, das andere, kostenintensivere, Fertigungsverfahren immer häufiger substituiert. Durch die hohe Materialausnutzung und den geringen Nachbearbeitungsaufwand kann dabei in Extremfällen der Artikelpreis eines Ziehteils sogar unter dem Materialpreis eines vergleichbaren Drehteils liegen.
Wachsende Kundenanforderungen und immer engere Zeitpläne erfordern zunehmend komplexe Problemlösungen, bei der die Grenze des technisch Machbaren stetig näher rückt. Um Materialeigenschaften, Wandstärken, Toleranzen und Fertigungskosten dennoch unter Kontrolle zu halten, wird neben modernsten Maschinen vor allem tiefgreifendes Know-how auf dem fertigungs- und materialtechnischen Sektor benötigt.
Technologieschub: FEM-Simulation
Erfahrung allein reicht jedoch für die Bewältigung der neuen Aufgabenstellungen heute nicht mehr aus. Und auch für zeit- und kostenintensive Versuche bleibt in den seltensten Fällen Raum. Innovative Lösungen, Qualitätssteigerung und kürzere Entwicklungszeiten lassen sich nur erreichen, wenn möglichst umfassende Informationen über alle produkt- und fertigungsrelevanten Aspekte zu einem frühen Zeitpunkt verfügbar sind.
Ein adäquates Mittel zur Erreichung dieser Ziele ist die computergestützte Simulation von Umformprozessen mit FEM-Analyseprogrammen. Mit dem Ziel, seine Marktposition durch neue Technologien zu sichern und auszubauen, hat man sich bei Stüken schon vor über zehn Jahren mit diesem Thema befasst. Mehrere Lösungsanbieter waren aufgefordert, vorgegebene, aus der Praxis abgeleitete, Aufgabenstellungen im zweistufigen und vierstufigen Tiefziehprozess zu lösen. Dabei flossen nicht nur die funktionale und qualitative Beurteilung in die Entscheidungsfindung ein. Ein besonderes Augenmerk wurde auch auf die qualifizierte fachliche Beratung und Unterstützung seitens des Anbieters gerichtet. Das Rennen für sich entscheiden konnte letztlich das Berechnungsprogramm MSC.Marc mit dem Pre-/Postprozessor MSC.Mentat von MSC.Software, einem bekannten Anbieter von Simulationslösungen und Serviceleistungen. Auf diese Weise wurde der gesamte Virtual Product Development (VPD)-Prozess unterstützt und begleitet.
FEM nahtlos einbinden
Die FEM-Simulation wird bei Stüken als Dienstleistung für Entwicklung und Konstruktion aufgefasst, mit dem Ziel, seinen Kunden praxisorientierte und realisierbare Verbesserungsvorschläge unterbreiten zu können.
Dabei wurde folgende Strategie zur Einführung des FEM-Systems in einem Drei-Stufen-Plan realisiert:
  • Schulung, Anpassung des Systems und Integration in die IT-Umgebung
  • Einarbeitung durch Verifika- tion vorliegender Ergebnisse
  • Produktiver Einsatz und Erweiterung der derzeitigen Arbeitsmöglichkeiten.
Dank der Unterstützung durch die MSC.Software-Berater verlief dieser Prozess nahezu problemlos, was nachträglich die Richtigkeit der Überlegungen bestätigt, auch die Bewertung der Support-Leistungen in die Systemauswahl mit einzubeziehen.
Das von Stüken eingesetzte Programm MSC.Marc gehört seit Jahren zu den führenden FEM-Systemen für nichtlineare 2D- und 3D-Berechnungen. Es verdankt diese Stellung nicht zuletzt seiner hohen Zuverlässigkeit und Berechnungsgenauigkeit sowie der Tatsache, dass es nahtlos in die vorhandene Entwicklungsumgebung eingebunden werden kann. Zu den besonders geschätzten Stärken zählen – angesichts der Komplexität der zu lösenden Probleme – eine einfache Bedienung, die flexible Eingabe der Materialparameter sowie die Möglichkeit, über sog. „User Subroutines” anwendungs- oder kundenspezifische Anpassungen selbst vornehmen zu können.
Wichtig: richtige Materialdaten
Jede Simulation kann nur so gut sein, wie die Annahmen, die ihr zugrunde liegen. Die Richtigkeit dieser Aussage bestätigte sich bei Stüken schon in der Einarbeitungsphase im positiven Sinne. Speziell die Materialdaten, die der Umformsimulation zugrundeliegen, haben gravierenden Einfluss auf die Güte der Ergebnisse. Bei Stüken ermittelt man diese wichtigen Kenngrößen daher in Eigenregie. Entsprechend niedrig sind die Abweichungen zwischen Simulation und Realität – sie liegen fast immer im niedrigen einstelligen Prozentbereich.
Sicherlich steht Stüken mit der Umformsimulation erst am Anfang aber die Beteiligten sind sich einig, dass der Schritt in die Simulation die richtige Entscheidung war. Die Kompetenz des Systemlieferanten hat entscheidend zu dieser positiven Entwicklung beigetragen und die Zeichen bei Stüken stehen gut, sich durch Nutzung des FEM-Systems nicht nur den gewünschten technologischen Vorsprung zu sichern, sondern auch weiterhin direkten wirtschaftlichen Nutzen aus deren Einführung zu ziehen.
Weitere Informationen
MSC.Marc
KEM 522
MSC.Nastran
KEM 523
MSC.Patran
KEM 524
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