Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Verkürzung der Vorstreckstempelauslegung beim Thermoformen durch Simulation – Ermittlung von Reibwerten für die Umformsimulation mit Vorstreckstempel mittels eines Reverse-Engineering-Ansatzes durch Aufbau von Prozesswissen bei der Vorstreckstempelherstellung

Beim Thermoformen werden zur Homogenisierung der Wanddickenverteilung der Bauteile Vorstreckstempel eingesetzt. Die Auslegung der Stempel erfolgt dabei noch immer zu einem großen Teil empirisch in aufwendigen Iterationsschleifen. Durch den Einsatz von Simulationen kann der Entwicklungsprozess von Vorstreckstempeln sowie die Inbetriebnahme verkürzt werden. Herausfordernd ist jedoch die simulative Beschreibung der Stempel/Halbzeug-Interaktion. Insbesondere die Bestimmung realer Reibkoeffizienten ist extrem aufwendig und führt noch immer nicht zu genauen Ergebnissen.

Daher soll in diesem Vorhaben über einen Reverse-Engineering-Ansatz die Bestimmung der für die Umformsimulation erforderlichen Reibkoeffizienten durch Ermittlung von Ersatzreibwerten vereinfacht werden. Dazu werden einerseits Umformsimulationen mit verschiedenen aus der Literatur entnommenen sowie fiktiven (Ersatz-)Reibwerten durchgeführt und der Einfluss auf die Wanddickenverteilung des simulierten Formteils analysiert. Andererseits werden Vorstreckstempel unter Variation der Fertigungsparameter bei der spanenden Bearbeitung hergestellt. Die Vorstreckstempel weisen somit unterschiedliche Oberflächenrauigkeiten auf und führen bei den Formteilen zu unterschiedlichen Wanddickenverteilungen in experimentellen Thermoformversuchen.

Durch einen Vergleich der resultierenden Wanddicken der Formteile der Simulation und der Experimente wird der Zusammenhang zwischen den simulativ zu verwenden Ersatzreibwerten und den Oberflächenrauigkeiten des Stempels erfasst. Durch den Reverse-Engineering-Ansatz kann auf die aufwendige Bestimmung von realen Reibungswerten verzichtet werden. Dadurch wird insbesondere kmU, wie z. B. Werkzeugbauern und Thermoformern der Zugang zur simulativen Stempelauslegung erleichtert. Ergebnisse sind kürzere und effizientere Designprozesse der Vorstreckstempel und der Formteile, die wiederum durch eine homogenere Wanddickenverteilung wesentliche Materialeinsparungen ermöglichen.

Ergebniszusammenfassung:

Die Untersuchungen zeigen, dass die Oberflächenrauigkeit von Vorstreckstempeln die Wanddickenverteilung (WDV) der Formteile erheblich beeinflusst. Da keine systematischen und wissenschaftlichen Erkenntnisse vorliegen, ist die praktische und simulative Untersuchung der Oberflächenrauigkeit von Vorstreckstempeln auf die Formteilqualität Gegenstand des vorliegenden Forschungsprojektes. Mithilfe von Vorstreckstempeln, welche mit unterschiedlichen Fertigungsverfahren hergestellt wurden, wurde der Einfluss der Oberflächenrauigkeit untersucht. Es lässt sich feststellen, dass die Rauigkeit insbesondere den Bodenbereich des Formteils beeinflusst. Je rauer die Oberfläche des Vorstreckstempels am Kantenradius ist, desto dicker wird das fertige Formteil im Bereich des Becherbodens. Die Oberflächenbeschaffenheit der Oberseite des Vorstreckstempels hat keinen großen Einfluss auf die resultierende WDV. Glatte Vorstreckstempel erzeugen eine homogenere WDV als raue, da das Halbzeugmaterial einfacher vom Vorstreckstempel abgezogen werden kann. Die praktischen Untersuchungen verdeutlichen jedoch, dass die Oberflächenrauigkeit nicht der einzige Parameter ist, welcher einen Einfluss auf die stempelbedingte Materialumlagerung hat. Die Stempelgeometrie der Vorstreckstempel sowie die Halbzeugtemperatur sind weiterhin bei der Stempelauslegung zu berücksichtigen. Formteile, die mit einem 89°R9-Vorstreckstempel gefertigt wurden, sind unempfindlicher gegenüber einer Temperaturänderung des Halbzeugs verglichen mit dem 4°R9-Vorstreckstempel. Erst die Betrachtung der Wechselwirkung der Prozessparameter Temperatur, Rauheit und Geometrie macht den Fertigungsprozess vorhersehbarer und ermöglicht die gewünschte Materialeinsparung durch eine bessere Steuerung der WDV. Die Untersuchungen des Toploads der Formteile zeigt ähnliche Erkenntnisse. Die Hypothese, dass homogene Wanddicken der Formteile auch hohe Topload-Werte erzielen, lässt sich mit Ausnahmen tendenziell bestätigen. Ein eindeutiger Zusammenhang zwischen der Oberflächenrauigkeit der Vorstreckstempel und der erzielbaren Toploads lässt sich nicht bestimmen. Um die Auslegungszeit von Vorstreckstempeln aufbauend auf die Erkenntnisse der praktischen Untersuchungen zu reduzieren, erfolgte eine Simulation des Vergleichprozesses unter Variation der Reibkoeffizienten der charakteristischen Stempelbereiche. Eine Signifikanzanalyse der Reibkoeffizienten auf den Einfluss auf die WDV in definierten Becherbereichen zeigt, dass der Reibkoeffizient des Stempelkantenradius sowie die mittlere Halbzeugtemperatur einen signifikanten Einfluss auf die WDV aufweist, was sich mit den Erkenntnissen aus den praktischen Versuchen deckt. Durch die Definition einer mittleren Simulationsabweichung kann bei gegebener Abweichung ein Zusammenhang zwischen der gemessenen Oberflächenrauigkeit der einzelnen Stempelbereiche und des simulativ anzusetzenden Reibkoeffizienten hergestellt werden (Reverse-Engineering). Durch die grafische Darstellung der Simulationsergebnisse konnte so ein einfach zu nutzendes Werkzeug zur Stempelauslegung unter Einbeziehung der Oberflächenrauigkeiten entwickelt werden. Je nach betrachtetem Boden- bzw. Stempelbereich liegen die optimalen Paarungen aus Oberflächenrauigkeit und Reibkoeffizient am oberen Rand des simulierten Versuchsbereichs. Für weitere Untersuchungen sollte deshalb eine sinnvolle Begrenzung des Versuchsraums durch eine der Simulation vorangehende Parameterstudie stattfinden, um sicherzustellen, dass das globale Optimum der Simulationsgüte bestimmt werden kann. Da die Vorgehensweise leicht auf Formteil- und Stempelgeometrien übertragen werden kann, führen die Erkenntnisse zu einem einfach anzuwendenden Werkzeug für die effizientere Stempelauslegung. Unter Zuhilfenahme der neuen Erkenntnisse kann die Oberflächengüte des Stempels bereits vor dem ersten praktischen Versuch definiert werden. Auf weiterhin bestehende Abweichungen zwischen Simulation und realen Versuchsergebnissen kann durch Kenntnis über den Einfluss der Oberflächenrauigkeit auf die WDV zielgerichtet reagiert werden. Die entwickelten Zusammenhänge steigern darüber hinaus den wissenschaftlichen Kenntnisstand auf dem Gebiet der Stempelverstreckung und erleichtert KmU den Einstieg in die simulative Auslegung von Vorstreckstempeln. Die erzielten Forschungsergebnisse können in der gesamten Thermoformbranche genutzt werden. Neben den KmU-lastigen Thermoformbranchen profitiert auch der durch kmU geprägte Werkzeugbau, der die neue Technologie umsetzen und vertreiben kann, da simulative Prozesse ohnehin zur Formteilauslegung in der Werkzeugentwicklung zum Ensatz kommen. Auch Dienstleister zur Systemintegration bzw. Automatisierung und Ingenieurbüros mit Schwerpunkt Digitalisierung und Simulation profitieren als kleine bzw. mittelständische Unternehmen von der Weiterentwicklung und dem Vertrieb der Entwicklung. Somit können die Ergebnisse branchenübergreifend von einer großen Anzahl an kmU genutzt werden.