Numerical Tool Optimization in Deep Drawing

Im Kontext der begrenzten Ressourcen haben führende Automobilhersteller die Bedeutung einer ressourceneffizienten Produktion erkannt. Neue Werkzeuge und verbesserte Prozesse werden heute in der Blechumformung und insbesondere beim Tiefziehen von Karosseriebauteilen verbreitet eingesetzt, um eine effiziente Produktion der immer komplexer werdenden Produkte zu gewährleisten. Eine effiziente Herstellung und ein Einsatz solcher Werkzeuge werden im Wesentlichen durch zwei Wissenslücken verhindert. Zum einen führen die Verwendung hochfester Stähle und die immer komplexer werdenden Fahrzeugkomponenten zu einem erhöhten Verschleiß der Werkzeugaktivelemente. Zum anderen erfordert das hohe Gewicht der bewegten Werkzeugsysteme beim Tiefziehen einen hohen Energieverbrauch im Einsatz. Eine Verschleiß- und Gewichtsreduktion kann durch eine Anpassung der Werkzeuggeometrie an den lokal vorliegenden Belastungen erreicht werden. Diese kann jedoch nur durch den Einsatz der numerischen Optimierung auf Basis der tatsächlichen Werkzeugbelastungen effektiv vorgenommen werden. Für komplexe Tiefziehprozesse wird ihr Einsatz durch die niedrige Zeiteffizienz der numerischen Prozesssimulation verhindert. Das Ziel dieser Arbeit ist die Schließung dieser Wissenslücken durch die Entwicklung einer effizienten numerischen Methode zur Werkzeugoptimierung beim Tiefziehen. Zur Erhöhung der Berechnungseffizienz wurde eine gekoppelte numerische Modellierungsmethode auf Basis der FEM und BEM entwickelt. Der Einsatz dieser FEM/BEM-Kopplung ermöglichte eine Reduktion der Rechenzeit um den Faktor 20 für ein nichtlineares Standardproblem der Kontaktmechanik bei vergleichbarer Genauigkeit mit der FEM. Eine Erweiterung der FEM/BEM-Kopplung zur Modellierung komplexer Tiefziehprozesse erlaubte eine zeiteffiziente und genaue Berechnung der Werkzeugbelastungen unter Berücksichtigung des gesamten Werkzeugsystems. Die Integration dieser Methode in numerische Optimierungsalgorithmen ermöglichte eine Gewichtsreduktion des bewegten Werkzeugsystems um 23 % bei einem insignifikanten Steifigkeitsverlust. Des Weiteren wurde durch eine Gestaltoptimierung der Ziehkante eine an den lokal vorliegenden Belastungen adaptierte Geometrie berechnet. Sie ermöglichte eine Homogenisierung und Reduktion der Kontaktflächenpressungen an der Ziehkante. Experimentelle Untersuchungen zeigten, dass hierdurch eine Verschleißreduktion von über 50 % für die optimierte Ziehkantengeometrie möglich ist.