Metamodell unterstützte Simulation und Kompensation von Rückfederungen in der Blechumformung

In dieser Arbeit wird die Simulation und Kompensation rückfederungsbedingter Formabweichungen von Blechformteilen untersucht. Durch Rückfederungen entstehen bei Blechumformprozessen Formabweichungen, die die Qualität eines Blechformteils negativ beeinflussen bzw. zu Ausschuss führen können. Die Finite-Element Methode bietet das Potential, diesen rückfederungsbedingten Ausschuß durch eine virtuelle Prozess- und Werkzeugplanung zu minimieren und damit wirtschaftlichere Umformprozesse zu erreichen. Im Rahmen dieser Arbeit wird gezeigt, dass die Voraussetzung für gute Rückfederungsvorhersagen eine möglichst gute Beschreibung des Werkstoffverhaltens und insbesondere eine angemessene Modellierung des Verfestigungsverhaltens nach einer Lastrichtungsumkehr ist. Dazu wurde das Werkstoffverhalten durch Zugversuche, hydraulische Tiefungsversuche, Schichtstauchversuche, zyklische Scherversuche, Zugdruckversuche und Sekundärprobenversuche beschrieben. So konnten durch eine angemessene Modellierung des Werkstoffverhaltens Rückfederungsvorhersagen mit einer relativen Abweichung zum Experiment von weniger als 5% erreicht werden. Durch eine präzise simulationsgestützte Vorhersage von Rückfederungen wird eine rechnergestützte Kompensation der Rückfederung möglich. Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine Rückfederungskompensation anhand eines Streckbiegeteils demonstriert. Dabei wurden unterschiedliche Strategien wie die Veränderung der Werkzeuggeometrie (Bombierung), die Veränderung des Spannungszustandes oder die Veränderung der Bauteilsteifigkeit vorgestellt. Die unterschiedlichen Rückfederungskompensationen wurden weiterhin bezüglich ihrer Robustheit gegenüber im Prozess nur schwer zu kontrollierenden Störgrößen, wie der Anfangsfließspannung, der Einlegeposition der Platine sowie der Reibzahl, untersucht. Dazu wurde ein effizientes Verfahren zur Beschreibung der Prozessrobustheit auf Basis eines Metamodells vorgestellt. Für das untersuchte Problem konnte der numerische Aufwand im Vergleich zu einer konventionellen Quasi-Monte-Carlo-Methode um 70% reduziert werden. Mithilfe der Metamodell-basierten Robustheitsanalyse wurden dann Robustheiten unterschiedlicher Kompensationstrategien untersucht. Für das untersuchte Bauteil weist eine mechanische Kompensationsstrategien, auf Basis einer Variation der Niederhalterkräfte, eine sehr geringe Streuung der Rückfederung unter den betrachteten Störgrößen auf. Allerdings konnte dabei die Rückfederung nicht vollständig kompensiert werden. Die geometrische Kompensationslösung über eine Werkzeugbombierung ist sensitiver gegenüber den Störgrößen, ermöglicht hingegen prinzipiell auch eine vollständige Rückfederungskompensation. Durch eine Kombination dieser beiden Kompensationsstrategien konnte schließlich ein robuster Prozess und eine Einhaltung der Formgenauigkeit erreicht werden.