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Erste kommerzielle
Lösung zur Finite Elemente-Simulation des Walzprofilier-prozesses für
Profile und Rohre
COPRA’s nicht-lineare
Finite-Elemente-Simulation ist ein erster Schritt zur virtuellen
Rohrschweißanlage.
Das Kaltwalzprofilieren gilt als hochproduktives Verfahren zum
Herstellen von Leichtprofilen oder längsnahtgeschweißten Rohren. Um
die volle Effizienz des Walzprofilierens zu nutzen, gilt es, bereits in
der Profilkonstruktion Methoden und Verfahren anzuwenden, welche die
Qualität der Konstruktion und damit auch die Qualität des Endproduktes
entscheidend verbessern.
Die virtuelle
Rollformanlage
"Mit der
Fertigstellung des neuesten COPRA Softwaremodules ‚COPRA
FEM-Walzprofilieren’ sind wir unserem Ziel, eine virtuelle
Rollformanlage zu schaffen, einen wesentlichen Schritt
weitergekommen" meint Stefan Freitag – Geschäftsführer und
technischer Leiter der data M Software GmbH.
COPRA FEM-
Walzprofilieren’ erweitert die bisherige Lösung COPRA FTM (Formänderungs
Technologie Modul) um ganz wesentliche Inhalte. Der in COPRA FEM-
Walzprofilieren enthaltene nicht-lineare Solver erlaubt insbesondere die
Berücksichtigung der während der Umformung auftretenden Kräften und
Reibungsverhältnisse ebenso wie die genaue Behandlung kritischer
Einformzonen.
COPRA FEM- Walzprofilieren wird data M’s bisherige bewährte und
weltweit führende Simulations- und Analysesoftware COPRA FTM nicht
ersetzen, sondern vielmehr gezielt ergänzen. Nachdem, wie sich nunmehr
nach umfangreichen Vergleichsrechnungen gezeigt hat, COPRA FTM recht
zuverlässige Werte über den Dehnungsverlauf beim Walzprofilieren
liefert (Längs- und Querdehnungen an der Materialober- und Unterseite),
hat es sich geradezu angeboten, dieses bewährte Softwaretool als
Pre-prozessor für die weitere Berechnung in COPRA FEM-Walzprofilieren
einzusetzen. Damit ist auch sofort klar, wie der Ablauf in der
Prozesskette aussieht:
Zuerst werden die
einzelnen Umformschritte (Profilblume) mit Hilfe der COPRA
Softwarewerkzeuge definiert und mittels des COPRA
Formänderungs-Technologie-Moduls optimiert. Bei kritischen
Querschnitten oder in Fällen höherer Genauigkeitsanforderungen kann
COPRA FEM-Walzprofilieren diese Daten direkt übernehmen und
weiterverarbeiten. Ein Großteil der für die Berechnung erforderlichen
Randbedingungen ist damit bereits definiert – ohne daß der Anwender
ein FEM Spezialist zu sein braucht.
Nutzen für Röhrenhersteller, Profilierer und Maschinenbauer
Da der nicht-lineare FEM
Solver in COPRA FEM-Walzprofilieren ganz speziell für diesen
Anwendungsfall von Spezialisten entwickelt worden ist, halten sich die
Rechenzeiten in Grenzen. Das ist gerade für den praktischen Einsatz von
Vorteil. Über Nacht lässt sich damit auf handelsüblichen
Personalcomputern (der natürlich nicht zu knapp mit RAM-Speicher
ausgestattet sein sollte) ein kompletter Rollensatz durchrechnen. Das
macht diese Lösung für den praktischen Einsatz tauglich und eröffnet
ganz neue Möglichkeiten sowohl für den Röhrenhersteller, für den
eine spannungs- und dehnungsoptimierte Einformung gerade im Hinblick auf
spätere Innenhochdruckumformung (IHU) von Bedeutung ist, als auch für
den Profilhersteller, der mit COPRA FEM-Walzprofilieren eine noch viel
genauere Aussage über die Machbarkeit eines Profiles treffen kann als
bisher.
Auch der
Maschinenhersteller wird davon profitieren, weil er mit COPRA
FEM-Walzprofilieren eine viel genauere Maschinenauslegung durchführen
kann, als es bisher möglich war.
Nachdem Rohre heute in
vielen Fällen längst nicht mehr als Rohr zu erkennen sind, weil sie,
mit Innenhochdruck umgeformt, das Gerüst so mancher modernen Karosserie
bilden, wird die Simulationstechnik von Tag zu Tag auch in diesem
Bereich wichtiger. Das Auto ist aber nur ein Beispiel von vielen in
diesem sich rasch entwickelnden Wachstumsmarkt. data M zeigt deshalb auf
der diesjährigen Tube 2000 ein neues Softwareprodukt, welches das
längsnaht-geschweißte Rohr zum Halbzeug macht:
walzprofilierte und längsnahtgeschweißte Rohre als Vorprodukt zum
Innenhochdruckumformen.
Simulation des
Walzprofilierprozesses
Kontinuierliche
Weiterentwicklung unserer Produkte sind der Schlüssel für unseren
Erfolg
COPRA FEM-Walzprofilieren ist de-facto bereits die vierte Generation von
Berechnungs- und Simulationssoftware innerhalb der COPRA
Programmfamilie.
Angefangen hatte es 1987
mit der schlichten Berechnung der theoretischen Länge der Bandkante
("Bandkantendehnung bzw. –spannung). Nachdem aber dieses (heute
stellenweise in kommerzieller Software noch zu findende
Berechnungsmodell) bereits bei einem einfachen U-Profil mit
"Umschlag" versagt (siehe Bild), sind wir sehr bald zu unserem
sogenannten Fadenmodell übergegangen.
1987: Berechnung der
Bandkantenspannung
Bei Berechnung der sogenannten Bandkantenspannung wird lediglich ein
unkritischer Bereich herangezogen, während die wirkliche
"Kante" nicht in die Berechnung eingeht.
1989: COPRA Fadenmodell
Beim Fadenmodell ging es
übrigens nicht um die schöne 3-dimensionale Darstellung des
Umformablaufes, sondern vielmehr darum, auch die theoretischen
Dehungswerte "innerhalb" des Profilquerschnittes zu berechnen.
Dieses Verfahren ist übrigens – neben
einer ganzen Reihe anderer Funktionen - auch heute noch Bestandteil
unseres Softwarepaketes "COPRA Abwicklungstechnologie" und
bietet dem Anwender mit geringeren Anforderungen die Möglichkeit, seine
Abwicklungsblumen sehr einfach aber effektiv zu gestalten.
Die einzelnen
Profilquerschnitte in der Profilieranlage werden durch ein
"Fadenmodell" dargestellt. Man kann sich das so vorstellen,
als ob durch die einzelnen Querschnitte Gummifäden durchgefädelt
werden. Wenn nun das ganze Modell gestreckt wird (wobei die einzelnen
Längen den Gerüstabständen bzw. Einformlängen entsprechen), dehnen
sich die einzelnen Gummifäden unterschiedlich. Die jeweiligen
Längsdehnungen entsprechen dann den jeweiligen theoretischen
Materialdehnungen.
Durch dieses Fadenmodell
konnten die Ergebnisse gegenüber der reinen Bandkantenbetrachtung
erheblich verbessert werden – die Berechnung basierte aber trotzdem
weiterhin auf einem "Dreiecksansatz". Hierbei spielt es keine
Rolle, ob die theoretischen Längen mit einem linearen Faktor gewichtet
werden, um sogenannte "Bezier-Splines" zu definieren, wie es
heute vielfach noch (fäschlicherweise) zu hören ist.
Dieser Begriff stammt
vielmehr aus einem Forschungsprojekt, in dem praktische
Profilierversuche an der TU Darmstadt rechnertechnisch ausgewertet
werden sollten. Herr Dipl.-Ing. Sedlmaier (Mitbegründer der data M
GmbH) hatte hier Ende der achtziger Jahre an der rechnerinternen
Modellierung von Einformzonen in Profilierstraßen mitgearbeitet. Diese
Methode erlaubte es, praktisch durchgeführte Profilierversuche
auszuwerten, um daraus wertvolle Kennzahlen zu ermitteln.
Auf dieser Grundlage
wurde im Hause data M die heute führende Software zur Berechnung von
Längs- und Querdehnungen bei der Walzprofilierung entwickelt: COPRA
Formänderungs-Technologie-Modul (FTM).
1994: COPRA
Formänderungstechnologie
Beim COPRA
Formänderungs-Technologie Modul werden Parameter wie
Werkzeugdurchmesser und deren Lage, Blechdicke, Material, Profilform
etc. berücksichtigt und daraus eine idealisierte Einformkurve
berechnet. Erstmals war es hier auch möglich, die Werte für Ober- und
Unterseite des Bandes getrennt zu bestimmen. Die in der Software
implementierten Programme bestimmten die Dehnungswerte genauer als alle
bisher bekannten kommerziellen Rollformprogramme.
COPRA FTM hat sich sehr
rasch am Markt durchgesetzt. Grund dafür waren die relativ guten
Ergebnisse und die ausgesprochen kurzen Rechenzeiten, die im
Minutenbereich liegen. Eine Reihe von Anwendern haben diese Methode den
bis dahin stellenweise bereits eingesetzten Finite Elemente Berechnungen
vorgezogen. Grund dafür waren und sind die ausgesprochen langen
Rechenzeiten, die bei den heute am Markt befindlichen nicht-linearen FEM
Systemen immer noch mehrere Tage betragen können.
COPRA
FEM-Walzprofilieren
Außerdem wird ein in
diesen Fragen ausgebildeter Anwender vorausgesetzt. Im Hause data M
wurden und werden ebenfalls umfangreiche Berechnungen mit nicht-linearen
Finite Elemente Programmen durchgeführt – mit dem gleichen Ergebnis
wie bei den langen Rechenzeiten.
Trotzdem verlangt der
Markt nach genaueren Ergebnissen – insbesondere Aussagen über den
inneren Spannungszustand und das Formänderungsverhalten des Materials.
Ein rein geometrischer
Ansatz, wie ihn die oben beschriebene COPRA FTM Software darstellt, ist
nicht ausreichend, wenn man Aussagen über auftretende Kräfte- oder
Reibungsverhältnisse treffen will.
Für Anwendungen wie
beispielsweise das Innenhochdruckumformen ist es von großem Vorteil,
den inneren Spannungszustand des Endquerschnittes zu kennen.
Aus diesem Grund hat man
sich im Hause data M entschlossen, zusammen mit der auf diese Fälle
spezialisierten Firma SHAPE ein eigenes Finite Elemente Modell zu
schaffen, welches die bekannten Nachteile weitgehend eliminiert.
Dieses Ziel wurde mit
COPRA FEM-Walzprofilieren nun weitgehend erreicht. Die bewährte
Software Lösung COPRA FTM wird dabei insbesondere nicht ersetzt,
sondern wurde zum Pre-Prozessor für die nachgeschaltete Finite Elemente
Simulation erweitert. Das hat insbesondere den Vorteil, daß der
Anwender seine vertraute und vor allem relativ einfache Umgebung nicht
zu verlassen hat.
Das FEM Modell kann
aufgrund der engen Verflechtung mit der COPRA Datenbasis vollautomatisch
an genau den Stellen verfeinert werden, wo es für den jeweiligen
Anwendungsfall notwendig ist. Das beschleunigt den Rechenvorgang und
erleichtert die Anwendung.
Und: die gesamte
Softwarelösung wird auch für den mittelständischen Betrieb
erschwinglich.
Rollenwerkzeuge
wirtschaftlich verwalten
Die COPRA Datenbank,
welche alle produktrelevanten Informationen enthält, ist
"Drehscheibe" zwischen den Gliedern der Prozesskette
Kaltwalzprofilieren. Das vereinfacht in der Konstruktion die Suche nach
ähnlichen Profilformen ebenso (Ähnlichkeitssuche über Fourieranalyse)
wie die Verwaltung der Rollenwerkzeuge. Weil auf eine gemeinsame
Datenbasis zugegriffen wird, verkürzen sich die Durchlaufzeiten und die
Fehlerrate wird gesenkt.
Bestandteil dieser
Prozesskette ist der COPRA Rollenscanner, eine berührungslos arbeitende
Messmaschine für Drehteile. Die vollautomatisch arbeitende Anlage dient
nicht nur zum Archivieren, sondern wird auch zur laufenden
Qualitätskontrolle der eingesetzten Werkzeuge verwendet. Die in der
Datenbank gespeicherten Soll-Geometrien werden mit den vom Scanner
generierten Daten verglichen und in einem Qualitätsprotokoll
ausgedruckt. Damit erhält der Anwender bei jedem Scanvorgang einen
Nachweis der Maßhaltigkeit seiner Rollenwerkzeuge.
Mehr Informationen zu
diesem Thema finden Sie in einem Sonderdruck der Zeitschrift
Maschinenmarkt, den wir Ihnen gerne zusenden.
COPRA Rollenscanner
200 für 99.800 DM.
Für einen Preis von
unter 100 TDM bietet data M ab sofort einen Rollenscannertyp 200 an. Das
Gerät basiert auf einem Steinbett, besitzt zwei gesteuerte Achsen (x
und y) und ist für Rollen bis zu einem Durchmesser von 500 mm geeignet.
Der COPRA Rollenscanner wird standardmäßig mit Netzwerk-Interface und
COPRA-/ DXF Schnittstelle ausgeliefert.
COPRA Rollenscanner 500
Dienstleistungen von data M
Neben umfangreichen
Softwareprogrammen bietet Ihnen die data M Software + Engineering auch
umfangreiche Dienstleistungen, von denen Sie profitieren können:
- Fundierte Schulungen zur effektiven
Anwendung unserer CAD / CAM Programme für die Blechumformung
- Workshops zur Vertiefung Ihrer
Kenntnisse – gerne auch auf Ihre speziellen Anforderungen hin
zugeschnitten.
Zitat eines unserer Kunden: "Nach Teilnahme an Ihrem Workshop
zur Simulation der Profileinformung konnten wir den Nutzen Ihrer
COPRA Software erst richtig ausschöpfen. Die 4 Profile, die wir
seitdem gemacht haben, liefen erstmals ohne nachträglich Korrektur
der Werkzeuge."
- Analyse Ihrer vorhandenen
Rollenwerkzeuge durch unseren optischen COPRA Rollenscanner (den wir
Ihnen auch gerne verkaufen). Der COPRA Rollenscanner ist mit einer
Datenbankschnittstelle ausgerüstet. Die gescannten Rollen können
in einer Datenbank abgelegt werden (wie übrigens die
Profilquerschnitte auch). Wir bieten Ihnen automatisierte
Softwarelösungen zur Qualitätskontrolle und Wiederholteilsuche.
- Überarbeiten/ Optimieren Ihrer
Rollenwerkzeuge
- Rollenkonstruktionen – mit oder ohne
Fertigung der Rollensätze
- Entwicklungsdienstleistungen für
Automatisierungsprobleme/ Bildverarbeitung
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