Browsing by Author "Liewald, Mathias (Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c., MBA)"

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Beitrag zur Erhöhung der Schnittflächenqualität und des Formänderungsvermögens schergeschnittener Bauteilkanten
(Stuttgart : Institut für Umformtechnik, 2023) Senn, Sergei; Liewald, Mathias (Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c., MBA)
Die Anforderungen an die Qualität von schergeschnittenen Bauteilkanten haben in den letzten Jahren erheblich zugenommen. Insbesondere in der Elektronikindustrie werden Schnittkanten mit einem möglichst großen Glattschnittanteil gefordert, wobei sie zugleich gratfrei sein und ein hohes verbleibendes Formänderungsvermögen aufweisen sollen. Dieser Trend resultiert aus dem verstärkten Einsatz gestanzter metallischer Produkte in elektronischen Komponenten, wie beispielsweise Kantsteckern oder Leiterplattenhalteklipps, die zur Befestigung von Platinen in Steuergeräten dienen. In diesen Anwendungen sind Bauteilkanten mit Schnittgraten inakzeptabel, da sie während des Produktlebenszyklus, zum Beispiel aufgrund von Vibrationen im Betrieb eines Kraftfahrzeugs, zu Einrissen und Brüchen des Bauteils oder aber auch zu Ablösungen führen können. Dies könnte zu einem Kurzschluss und somit zu einem Ausfall des Produkts führen. Daher ist es insbesondere im Bereich des Stanzens von Elektronikprodukten von entscheidender Bedeutung, dass die Schnittkanten gratfrei sind und hohe Anforderungen an die Schnittflächenqualität erfüllen. Die steigenden Qualitätsanforderungen an schergeschnittene Bauteilkanten in der Elektronikindustrie stehen im Einklang mit dem Bestreben nach immer präziseren und zuverlässigeren Komponenten. Durch die Realisierung von gratfreien Schnittkanten und einer hohen Schnittflächenqualität wird die Funktionalität und Langlebigkeit elektronischer Produkte verbessert. Dies ist von großer Bedeutung, insbesondere in sicherheitskritischen Anwendungen wie der Automobilindustrie, in der Ausfälle aufgrund von fehlerhaften Bauteilen große Rückrufaktionen zu Folge haben können. Um den gestiegenen Qualitätsanforderungen gerecht zu werden, sind Forschungs- und Entwicklungsanstrengungen erforderlich, um neue Schneidverfahren und Werkzeugkonzepte zu entwickeln. Die Vergrößerung des Glattschnittanteils, die Realisierung von gratfreien Schnittkanten und das Beibehalten eines möglichst hohen Formänderungsvermögens bilden dabei entscheidende technologische Aspekte. Durch innovative Technologien und Prozesse können schergeschnittene Bauteilkanten hergestellt werden, die den hohen Qualitätsstandards der Elektronikindustrie gerecht werden und gleichzeitig eine effiziente und zuverlässige Produktion ermöglichen. Diese Arbeit greift das Problem auf und zielt darauf ab, die Schnittflächenqualität von schergeschnittenen Bauteilkanten durch die Induzierung lokaler Druckspannungen zu verbessern. Dies wird durch eine geometrische Modifikation bzw. Neugestaltung der Stempelschneidkanten erreicht. Im ersten Teil der Arbeit wird eine solche Modifikation an einem klassischen Schneidstempel durchgeführt. Dabei wird die Stirnfläche des Stempels stark konkav ausgeformt und nur mit einer relativ kleinen ringförmigen Auflagefläche auf den auszutrennenden Butzen versehen. Durch die Reduzierung der Kontaktfläche werden lokale Druckspannungen in der Scherzone erzeugt, so dass sich während des Schervorgangs ein hinreichend großer Gradient dieser Schubspannungen mit der Bewegungsrichtung des Stempels mitbewegen. Dadurch erfolgt die Rissinitiierung deutlich verzögert, was zu einem höheren Glattschnittanteil und geringerem Kanteneinzug führt. Allerdings ist mit diesem Verfahren keine Gratfreiheit und kein ausreichendes Formänderungsvermögen der Schnittkante erreichbar. Aus diesem Grund wird im zweiten Teil der Arbeit ein zweistufiges Schneidverfahren weiterentwickelt. Dabei erfolgt eine Modifikation der Stempelschneidkante in der Anschneidestufe beim Konterschneiden. Dies ermöglicht die Kombination der Vorteile zweier Verfahren: des Konterschneidens und des Nachschneidens. Beide Verfahren werden in zwei Stufen durchgeführt. Das Konterschneiden ermöglicht gratfreie Bauteile, während das Nachschneiden hohe Glattschnitte mit einem hohen verbleibenden Formänderungsvermögen der Schnittkante ermöglicht. Durch die geometrische Modifikation der Anschneidestufe, beispielsweise durch das Einbringen einer abgesetzten Schneidkante in Kombination mit negativen Schneidspalten beim Anschneiden wird es möglich, beide Verfahren zu kombinieren und ebenfalls senkrechte Druckspannungen in Blechdickenrichtung beim Anschneiden zu erzeugen. Dadurch wird eine Schnittkante erreicht, die gratfrei ist, eine sehr hohe Schnittflächenqualität aufweist und gleichzeitig ein hohes verbleibendes Formänderungsvermögen für nachfolgende Umformvorgänge ermöglicht. Durch die entwickelten Verfahren und deren kombinierter Einsatz wird angestrebt, die Herausforderungen in Bezug auf die Schnittflächenqualität bei schergeschnittenen Bauteilkanten in der Elektronikindustrie zu bewältigen. Durch die Optimierung der Schneidverfahren wird eine präzise Herstellung von Bauteilkanten mit hohen Qualitätsanforderungen ermöglicht, was insbesondere in sicherheitskritischen Anwendungen von großer Bedeutung ist.
Open Access
Berechnung kritischer Großwerkzeugkomponenten zur Verbesserung von deren Betriebssicherheit und Leistungsfähigkeit
(Stuttgart : Institut für Umformtechnik, 2023) Burkart, Maximilian Walter; Liewald, Mathias (Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c., MBA)
Aufgrund des globalen Wettbewerbs steigen die Anforderungen an die Wirtschaftlichkeit der Automobilproduktion stetig an. Die Wettbewerbsfähigkeit der Marktteilnehmer wird hierbei maßgeblich durch Produktivitätspotentiale bestimmt. Im Karosseriebau wird dieser Randbedingung durch die Erhöhung der Ausbringungsleistung begegnet. Hierbei wird insbesondere durch die Einführung neuer Fertigungssysteme versucht, die Produktivität der Blechteilherstellung zu steigern. Der Einsatz der Servopressentechnologie in der Herstellung von Karosserieaußenhautteilen bietet Möglichkeiten, langfristig den gesteigerten Anforderungen an die Produktivität moderner Presswerke zu begegnen. Durch die in Servopressen eingesetzte Motoren- und Regelungstechnik wird eine flexible Programmierung der Stößelbewegung ermöglicht. Insbesondere Nebenzeiten können durch diese relativ neue Pressentechnik reduziert werden, indem das Werkzeug mit einer höheren Geschwindigkeit geöffnet und geschlossen werden kann. Prozessfenster können dementsprechend beibehalten und gleichzeitig die Gesamtausbringung der Pressenlinie erhöht werden. Aufgrund der erhöhten Stößelgeschwindigkeiten induzieren massebehaftete bewegliche Werkzeugkomponenten erhöhte Reaktionskräfte in der Werkzeugstruktur sowie in der Pressenstruktur selbst. Diese Reaktionskräfte können wiederum kritische Belastungen für Werkzeug- und Pressenstruktur übersteigen und somit zu Störungen des Umformprozesses sowie zu einem Versagen von Komponenten in der Serienproduktion führen. Diese Herausforderung erfordert eine Anpassung des klassischen Werkzeugentstehungsprozesses im Hinblick auf die geänderten Prozessanforderungen aufgrund der neuartigen servomotorischen Stößelantriebe. Der Werkzeugentstehungsprozess bildet als Bindeglied zwischen Fahrzeugdesign und Blechteilproduktion die Schlüsselrolle in der Karosserieteilfertigung. Den Veränderungen der Produktionsbedingungen im Presswerksbetrieb durch erhöhte Stößelgeschwindigkeiten wird heute im vorwiegend empirisch geprägten Werkzeugbau aktuell noch zu wenig begegnet. Umformwerkzeuge für Karosseriebauteile werden heute noch recht konservativ ausgeführt, was bedeutet, dass diese meist durch große Massen und hohe Sicherheitsfaktoren geprägt sind. Dies wirkt sich in der Folge nachteilig auf die Ausbringungsleistung und Betriebssicherheit der Pressenlinie und die strukturelle Belastung der Umformwerkzeuge aus. Einerseits müssen in diesem Fall die Hubzahl der Pressenlinie reduziert werden, um die strukturellen Belastungen der Werkzeugkomponenten herabsetzen zu können. Andererseits bedingen hohe Massen der Oberteile von Großwerkzeugen hohe Antriebsleistungen des Pressenstößels, die es langfristig zu reduzieren gilt. Vor diesem Hintergrund wird eine Anpassung der konventionellen Werkzeugauslegung und -konstruktion notwendig, um so den zukünftigen Anforderungen an eine wirtschaftliche Pressteilherstellung im Presswerk zu begegnen. Hierfür muss eine belastungsgerechte Werkzeugausführung umgesetzt werden, um bereits im Werkzeugentstehungsprozess auf zukünftige Belastungen zu reagieren und die Leistungsfähigkeit und Sicherheit der Werkzeuge entsprechend der Anlagentechnik auch bei erhöhten Stößelgeschwindigkeiten beibehalten zu können. Im Rahmen dieser Arbeit wird deshalb eine Vorschrift zur belastungsgerechten Auslegung und Konstruktion von Werkzeugen der Folgeoperationen mit dynamisch bewegten Massen entwickelt, wobei die ganzheitliche Betrachtung des dynamischen Werkzeugsystems aus Werkzeugoberteil und massebehafteten, beweglichen Werkzeugkomponenten im Vordergrund steht. Im ersten Teil der Arbeit werden für die dynamische Belastung relevante Werkzeugkomponenten bestimmt und ein Berechnungsmodell abgeleitet, um das dynamische Systemverhalten eines Folgewerkzeugs für größere Karosserieteile zu beschreiben. Hierbei wird der Fokus aufgrund der bewegten Massen auf die Analyse des dynamischen Niederhaltersystems gelegt. Die identifizierten Werkzeugkomponenten werden daraufhin auf ihr Verbesserungspotential im Hinblick auf deren dynamische Belastung untersucht. Um dafür eine wissenschaftlich fundierte Berechnungsvorschrift zu erstellen, wird eine Modellparametrisierung zur Beschreibung des dynamischen Niederhaltersystems durchgeführt. Die Modellparametrisierung wird anhand von realen Prozessdaten durchgeführt. Zur Festlegung dieser prozessdatenbasierten Modelle werden Versuchsdaten mittels eines Versuchswerkzeugs erfasst und ausgewertet. Ein idealisiertes Versuchswerkzeug ermöglicht hierbei die Bestimmung von Parametern zuvor ausgewählter rheologischer Modellen, die eine Prognose der auftretenden Werkzeugschwingungen ermöglichen. Anschließend werden diese Modelle zur Auslegung der Werkzeugstrukturen herangezogen. Hierbei wird eine Vorgehensweise zur Spannungsbewertung nach der aktuellen FKM-Richtlinie abgeleitet, die es auf Basis der rheologischen Modelle ermöglicht, die auftretenden Belastungen über den Werkzeuglebenszyklus zuverlässig zu bewerten. Abschließend wird die Übertragbarkeit der dynamischen Schwingungsmodelle auf Serienwerkzeuge anhand von Serienmessdaten validiert. Hierfür wird das Werkzeug-Presse-Kollektiv berücksichtigt und anhand von Mehrkörpersimulationen abgebildet. Die Wechselwirkungen zwischen Presse und Werkzeug werden dabei detailliert untersucht und die Eignung der aufgestellten Modelle zur Vorhersage der Dynamik des Niederhalters beim Rückhub des Stößels validiert. Anhand einer Diskussion der Ergebnisse endet diese Arbeit mit der Festlegung einer Auslegungsvorschrift für Folgeoperationen im Hinblick auf die dynamische Niederhalterbelastung. Diese Arbeit liefert somit eine Verbesserung typischer Niederhalterstrukturen im Hinblick auf deren belastungsgerechte Auslegung gegen zu hohe dynamische Belastungen bei hohen Stößelgeschwindigkeiten in Folgeoperationen. Die diesbezüglich abgeleitete, standardisierte Auslegungsvorschrift erweitert die bisher empirische Werkzeugauslegung und -konstruktion um fundierte wissenschaftliche Gesichtspunkte.