Um bei steigenden Leistungsanforderungen in der Automobiltechnik immer strengere Abgasgrenzwerte einhalten zu können, werden immer häufiger nach dem Turbolader Abgasrückführsysteme (AGR) eingesetzt, die die motorischen NOx-Rohemissionen absenken, beispielsweise im neuen VW Golf GTD. „Diese Technologie verbreitet sich, weil sonst die Emissionsgrenzwerte nicht mehr erreicht werden“, berichtet Thilo Maisenbacher, Leiter der Konstruktion bei Bernecker.
Der neue Golf GTD ist mit einem Abgasrückführsystem ausgestattet und erzielt bei einer Leistung von 184 PS einen Durchschnittsverbrauch von 4,2 l/100 km und CO2-Emissionen von 109 g/k.
Bild: VW
Trotz aller Erfahrungen, die das Unternehmen Bernecker in der Blechteilefertigung über die Jahre hinweg gesammelt hat, kommen auch auf die Werkzeugspezialisten beim AGR, das aus mehreren Edelstahlblechprofilen hergestellt wird, neue Herausforderungen zu. Denn wie in immer mehr Fällen fordert der Kunde auch beim AGR, dass bei einer Abstreckung ein bestimmter Prozentsatz nicht überschritten werden darf – und diesen Prozentsatz in das Werkzeug zu konstruieren und das am Bauteil dann zu kontrollieren ist nicht ganz einfach.
Konstruktion, Simulation und Vermessung intelligent verkettet
Zur fehlerfreien Entwicklung und Produktion solcher abgestreckten Teile wurde bei Bernecker deshalb eine Konstruktions-, Simulations- und Vermessungskette aufgebaut, die so weltweit einzigartig ist: ein Prozess-Loop von der 3D-Konstruktion im CAD/CAM-System Visicad über ein Stampack-Simulationsprogramm mit Rückfederungsberechnung, Kompensation derselben im Visicad AdvancedModelling bis zur schnellen optischen 3D-Vermessung mit einem hochauflösenden Digitalisierer, dem GOM-Atos-System – und zurück.
Trends µ-genau
Herausforderung Abstreckung
Von Abstreckung spricht man, wenn sich beim Ziehen der Platine das Material ausdünnt. Im Allgemeinen entsteht am höchsten Punkt die dünnste Abstreckung. Beim AGR treffen sich etwa bei einem Teil an der dünnsten Stelle gleich drei Radien. Hier ist die hohe Kunst der Werkzeugkonstruktion und -vermessung gefordert. Denn die Kunden geben eine maximale prozentuale Abstreckung vor – und die konventionell zu messen ist praktisch unmöglich. Man kann das Teil zwar aufschneiden – aber dann hat man immer nur auf einer Linie die Abstreckungen. Und wenn 0,5 mm neben der dünnsten Stelle geschnitten wird, ist sie nicht erfasst. Erschwerend kommt hinzu, dass beim Ziehen des Blechs ein Rand von einigen mm stehen bleiben muss. Nach dem Lösen aus dem Ziehwerkzeug und Beschneiden werden die Spannungen frei, die beim Ziehen entstanden sind. Das muss bei der Werkzeugkonstruktion berücksichtigt werden.
Der obere Teil des Verbundziehwerkzeugs mit dem Bauteil, noch unbeschnitten.
Die Größe der mit dem Atos-System messbaren Objekte reicht von wenigen Millimetern bis hin zu mehreren Metern, die Genauigkeit liegt bei kleineren Teilen wie dem AGR im Hundertstelmillimeterbereich. Dafür wird auf das Bauteil ein Streifenmuster projiziert, das von der Bauteilkontur verzerrt wird. Diese Verzerrung wird mit zwei Kameras aufgenommen. Aus den Bildern wird eine Punktewolke berechnet, die die Bauteiloberfläche exakt darstellt. Der Vorteil der Methode ist, dass ein Bauteil flächenhaft beschrieben werden kann. Der Benutzer hat digital das ganze Bauteil im Blick und kann sofort sehen, wo eventuell Probleme auftreten.
Die Möglichkeiten der schnellen Vermessung mit dem Atos-System nutzt Bernecker seit kurzem auch für die Werkzeugentwicklung. Zunächst erfolgt die Konstruktion des Werkzeugs in 3D in Visi. Anschließend werden die Geometriedaten ins Stampack-System überspielt, um das Teil dort zu simulieren. Die ermittelte Rückfederung kompensieren die Spezialisten im Visicad mit dem integrierten Advanced-Modelling-Modul und gehen dann mit diesem optimierten Stand zum ersten Mal auf die Werkzeugmaschine. „Das mit diesem Werkzeug hergestellte Teil vermessen wir mit dem GOM-Atos-3D-Digitalisierer, vergleichen das Ergebnis mit dem vorhandenen 3D-Modell und korrigieren gegebenenfalls“, erläutert Thilo Maisenbacher. „Über AdvancedModelling wird dann die eventuell noch vorhandene Rückfederung erneut korrigiert, dann das Werkzeug angepasst, das Teil produziert und auf dem Atos ver-messen. Und dann passt das.“
Dank Simulation und Messen kommt das Ziehwerkzeug mit weniger Korrekturschleifen aus.
Bilder: GOM/Men at Work
Das 3D-CAD/CAM-System Visi sowie das Simulationssystem Stampack setzt Bernecker bereits seit mehreren Jahren zur schnellen und einfachen Konstruktion sowie Simulation der Werkzeuge ein. Die Idee, daraus mittels dem GOM Atos eine geschlossene Iterationskette zu bilden, bestand anfangs noch gar nicht: In Mühlacker wurden die Teile immer aufgeschnitten, und dann tatstete man sich zeitraubend an die dünnste Abstreckung heran. Bis Bernecker von Men at Work auf die Möglichkeit aufmerksam gemacht wurde, dass die GOM-Daten in Visicad problemlos genutzt werden können.
Das Systemhaus und Konstruktionsbüro Men at Work im badischen Bietigheim vertreibt im Südwesten CAD/CAM-Lösungen und Simulationssysteme. Die Netzdaten einer GOM-Messung lassen sich einfach in Visi übertragen und können dort problemlos weiterverarbeitet werden. Hier kann der Konstrukteur dann im Visi in die GOM-Netzdaten auch Schnitte legen. Diese Möglichkeit nutzt man in Mühlacker zum Beispiel auch zur Neufertigung alter Werkzeuge. Denn Bernecker hat viele alte Werkzeuge, da sie bis zu 15 Jahre lang Ersatzteile produzieren müssen. Von diesen gibt es oft keine Zeichnungen mehr, auch weil es teilweise Kundenwerkzeuge sind. Wenn ein Schaden auftritt, werden heute die Teile auf die GOM-Maschine gelegt, oder man geht mit dem mobilen System vor Ort. Ist das Werkzeug vermessen, wird daraus im Visi eine 3D-Zeichnung erstellt.
Iterationsschleifen deutlich reduziert
Umgekehrt können an der GOM-Messmaschine auch die Visi-Daten eingelesen und damit das Messprogramm schnell erstellt werden. Mit dem Visi-Datenmodell kann quasi automatisch das Messprogramm erstellt werden. Der Bernecker Group ist es mit der Kombination aus 3D-CAD/CAM, Simulation und optischer Messtechnik gelungen, die Anzahl der Versuche in der Iterationsschleife der Werkzeugentwicklung erheblich zu reduzieren und damit Zeit und Kosten zu sparen.
Durchgängige Datenketten, wie sie die Bernecker Group realisiert hat, sind der Weg, den der Werkzeug- und Formenbau gehen muss, um vom Try-and-Error-Prinzip zu einem zielgerichteten, zeit- und kostensparenden Prozess zu kommen. „Das ist im Werkzeugbau der Schlüssel: konstruieren, simulieren, vermessen, korrigieren – fertig“, fasst Thilo Maisenbacher zusammen. „Doch dafür bedarf es natürlich auch eines Partners wie Men at Work, der die komplette Prozesskette versteht. Jedoch kommt es nicht allzu häufig vor, dass ein Systemhaus die Prozesskette der Blechumformung beherrscht und CAD/CAM, Simulation und Messung so miteinander verbinden kann.“
Links: Das Bauteil im Stampack-Simulationssystem bei der Simulation der Dickenverteilung
Mitte: Das Bauteil im Stampack-System nach dem Ende der Simulation.
Rechts: Der Ausnutzungsgrad der Formänderungsgrenze.
Bild: Men at Work