Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Materialgerechtes Thermoforming durch gesteuerte Werkzeugformelemente

Ziel des geplanten Forschungsvorhabens „Materialgerechtes Thermoforming durch gesteuerte Werkzeugformelemente“ (MaTs) ist eine simulationsgestützte Prozess- und Werkzeugentwicklung zum materialgerechten Thermoformen von FVK mithilfe segmentierter Werkzeuge. Anhand von Umformsimulationen und durch die Definition eines geeigneten Faserrisskriteriums soll eine Segmentierung des Werkzeugs gefunden werden. Diese wird in ein realisierbares, modulares Werkzeugkonzept mit federkinematischen und adaptronischen Formelementen für die materialgerechte Umformung überführt. Mit dem Vorhaben soll so das Wissen aufgebaut werden, um dem Werkzeugbau insbesondere bei der Methodenplanung eine generelle Herangehensweise für die Entwicklung innovativer, segmentierter Werkzeuge aufzuzeigen. Der Einsatz numerischer Methoden ist zur Steigerung der Effizienz solcher Werkzeug- und Prozessentwicklungen ein wertvolles Hilfsmittel.

Im Kontext wachsender Märkte für Leichtbau, thermoplastische Faserverbundkunststoffe und Bauteile aus faserverstärkten Kunststoffen (FVK) im Allgemeinen kommt der Erweiterung bestehender Prozessgrenzen durch materialgerechte Ausformstrategien und dazugehörige Werkzeugtechnologien eine besondere Bedeutung zu. Der deutsche Werkzeug- und Formenbau sowie dessen Zulieferer und teils auch Kunden bestehen vornehmlich aus kleinen und mittelständischen Unternehmen, deren Marktstellung national und international zu festigen ist. Besonders Werkzeugbauer sind aufgrund der Globalisierung einem hohen Innovations- und Kostendruck ausgesetzt und können nur mithilfe innovativer Technologien und (numerischen) Methoden ihre globale Marktstellung in Zukunft behaupten. Dieses Forschungsvorhaben soll einen entscheidenden Beitrag dazu leisten.

Ergebniszusammenfassung:

Das allgemeine Ziel des Forschungsvorhabens war die simulationsgestützte Prozessentwicklung mithilfe segmentierter Werkzeugkonzepte zur materialgerechten Umformung von FVK. Dazu sollte ein numerisches Modell des Thermoformingprozesses sowie ein segmentiertes Formwerkzeug mit federkinematischer und adaptronischer Segmentsteuerung entwickelt werden, welches eine hohe Modularität aufweist. Ein materialschonenderer Thermoformingprozess wurde hinsichtlich der im numerischen Modell dargestellten Dehnungsverteilung erzielt. Für eine genaue Abbildung des realen Thermoformingprozesses im numerischen Modell wurde eine umfassende Materialcharakterisierung der Zug-, Scher-, Biege- und Reibeigenschaften durchgeführt und implementiert. Das Modell kann daher auf unterschiedlichste Kavitäten für das im Projekt verwendete Material angewendet werden zur Analyse geeigneter Segmentierungs- und Sequenzierungsstrategien sowie für die Umformung ohne Segmentierung. Darüber hinaus wurden erste Ansätze eines KI-basierten Vorhersagemodells erforscht. Dieser Ansatz zielt darauf ab, Krümmungen der zu formenden Teile zu erfassen und eine Vorhersage der Scherwinkelverteilung nach dem Umformprozess auf Basis der Krümmungsausprägungen auszugeben. Durch den Einsatz von maschinellen Lernalgorithmen konnten aus den verfügbaren Daten Muster erkannt und Vorhersagen für trainierte Krümmungsgeometrien im Fehlerbereich unter 5 % getroffen werden. Dieses KI-basierte Vorhersagemodell verspricht eine effiziente und genaue Abschätzung der Scherwinkelverteilung, die in weiterführenden Arbeiten auch auf nicht antrainierte, komplexere Geometrien erweitert werden wird.