DEFORM® - Ihre Spezialsoftware für Prozesssimulation in der Fertigungstechnik

Mit der Simulation der kompletten Prozesskette kann zum Beispiel der Eigenspannungszustand über die einzelnen Prozessschritte hinaus bis hin zur Lebensdaueranalyse berücksichtigt werden. Die Modellierungstiefe reicht bis zum Mikrogefüge von metallischen Werkstoffen, welche sich infolge von Temperatureinwirkungen und mechanischer Deformation stark verändern. Dies sind nur zwei der vielen Einflussgrößen, deren Auswirkungen auf die mechanischen Eigenschaften eines fertigen Produktes analysiert werden können.

Dem Prinzip der horizontalen Integration folgend, werden mit DEFORM die einzelnen Fertigungsprozesse miteinander verkettet. Ausgehend von der Halbzeugentstehung kann die virtuelle Prozessketten-Analyse:

• Umformungen
• Zerspanungen
• Wärmebehandlungen und
• Fügeprozesse

beinhalten. Ergänzend kann mit einem Service-Test die Funktionstauglichkeit eines Produktes nachgewiesen werden.

Beginnend mit dem Verfahren der Umformtechnik werden im Folgenden ausgewählte Fertigungsprozesse hervorgehoben, die in der Industrie von substantieller Bedeutung sind und alle mit DEFORM modelliert werden können. In Bezug auf die das Verfahren der Umformtechnik werden hier die Prozesse:

• Kaltfließpressen
• Halbwarmumformen und
• Schmiedeumformung

genannt. Das Kaltfließpressen findet bei Raumtemperatur statt während das Halbwarmumformen im Temperaturbereich von ~500°C - 800°C erfolgt. Bei Schmiedeumformungen liegt die Temperatur bei 1000°C und höher. Deshalb nutzt DEFORM erprobte Modelle für das jeweils vorliegende Mikrogefüge um das charakteristische Verformungsverhalten von Metallen über einen definierten Temperaturbereich (siehe Abb. 3) zu beschreiben.

Neben der wirkenden Temperatur kann die Umformtechnik auch in Abhängigkeit der Bauteildimension des herzustellenden Produktes in Blech- und Massivumformungen unterteilt werden. Mit der Blechumformung werden mitunter Karosserieteile erzeugt, die Massivumformung wird für Teile wie Wellen, Hohlwellen, Zahnräder, Kurbelwellen, Schrauben oder Muttern eingesetzt. Innerhalb von Umformsimulationen können Ergebnisse wie Blechdicken, Unterfüllungen, Presskraft, Verfestigung und Faltenbildung analysiert werden. Von besonderem Interesse ist hier auch die Rissbildung, die mit unterschiedlichen numerischen Techniken modelliert werden kann. Mit der vorgestellten Software können auf der Werkzeugseite kritische Spannungszustände berechnet sowie Armierungsverbände ausgelegt werden. Als ein typisches Beispiel für Massivumformung ist in Abb.2 ein fünfstufiges Kaltfließpressen dargestellt. Ein Ergebnis der numerischen Simulation ist die Visualisierung von Bereichen mit erhöhter plastischer Dehnung, die in Abb. 2 rot eingefärbt sind. Hinsichtlich des Verfahrens der Umformtechnik sind abschließend inkrementelle Walzprozesse wie Ringwalzen, Drückwalzen und Formwalzen genannt, die in der Industrie von Bedeutung sind und mit numerischer Simulation optimiert werden können.

Nachdem beim Kaltfließpressen einer Schraubenmutter ein typisches Beispiele für einen Umformprozess gezeigt wurde, möchte ich Ihnen im Anschluss das Potential von DEFORM bezüglich Zerspansimulationen erläutern. Bei der Zerspansimulation wird die Spanbildung beim Drehen, Bohren, Fräsen oder Räumen im Detail analysiert (siehe Abb. 3), all dies, unter Berücksichtigung von unterschiedlichen Werkzeugkonturen und Beschichtungen. Drehmoment und Schnittkraft sind hier die charakteristischen Ergebnisgrößen der numerischen Analyse, mit denen der Motor der Werkzeugmaschine ausgelegt und die Beanspruchung des Werkzeuges bestimmt werden kann. Mit fortgeschrittenen Simulationstechniken können sogar Erkenntnisse über den Verschleiß an der Werkzeugoberfläche und die Entstehung von weißen Schichten, die duch eine starke, lokale Temperaturerhöhung entstehen, gewonnen werden. Für die Ablösung des in Abb. 3 dargestellten Spans mit erhöhter Temperatur, stellt die Software dem Benutzer intelligente Vernetzungstechniken zur Verfügung, mit denen qualitativ hochwertige Finite-Elemente-Netze effizient aufgebaut werden können.

Abschließend möchte ich exemplarisch auf zwei Verfahren zur Wärmebehandlung von Metallen eingehen. Wärmebehandlungsprozesse können sehr komplex sein. Zum einen möchte ich die Erwärmung in klassischen Durchlauföfen bei kohlenstoffhaltiger Atmosphäre zur Aufkohlung nennen. Zum anderen die  induktiven bzw. konduktiven Aufwärmverfahren mit anschließendem Abschrecken. Als Abschreckmedium werden sowohl Gase und verdampfende Flüssigkeiten als auch Salzbäder eingesetzt. Als verdampfende Flüssigkeiten werden häufig spezielle Öle verwendet. Alternativ kann auch Wasser mit Polymeren zum Abschrecken genutzt werden. Häufig folgt eine Anlassstufe mit Erwärmung auf eine bestimmte Temperatur unterhalb der Austenisierungsgrenze mit einer anschließenden Abkühlphase, in der die Temperatur langsam wieder reduziert wird. Durch diesen Vorgang erhält das Metall die gewünschte Härte und ein adäquates Mikrogefüge.

Auch diese Prozesse mit Phasenumwandlungen können präzise mit DEFORM simuliert werden. Dargestellt werden können unter anderem das Kohlenstoffprofil und der Temperaturverlauf vom Kern des Produktes bis hin zu seiner Oberfläche. Darüber hinaus können auch die Phasenanteile wie Restaustenit, Martensit und Bainit graphisch visualisiert werden. Unter Abb. 4 sehen Sie die Volumenanteile der Martensite in einem gehärteten Kegelrad. Der Einfluss von Kohlenstoff und erhöhter Abschreckgeschwindigkeit, während des Härtens auf die verstärkte Bildung von Martensite entlang der freien Oberfläche, ist deutlich zu sehen. Weitere Ergebnisgrößen der Simulation sind die verbleibenden Eigenspannungen sowie der geometrische Verzug, der für die Herstellung von hochpräzisen Kegelrädern von besonderem Interesse ist.