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Wieso die FEM Simulation ein wichtiges Element im Feintool Werkzeugbau ist

Simulation im Werkzeugbau

Die Finite-Elemente-Methode (FEM) Simulation unterstützt den Werkzeugbau bei Feintool in verschiedenen Phasen. Die Kunden erhalten durch die Anwendung der Simulation ein auf den zukünftigen Produktionseinsatz optimiertes Werkzeug. Die Ergebnisse der Simulationen bringen im Prozess weiteren Nutzen mit sich.

Das Engineering Team bei Feintool Technologie AG nutzt bereits seit geraumer Zeit Simulationssoftware um Umformprozess, Schneidprozesse, Spannungen und Werkzeugelementebelastungen vor dem Bau der Feinschneidwerkzeuge vorherzusagen. So werden wichtige Informationen für die Werkzeugkonstruktion, den Bau des Werkzeuges und die Werkzeugerprobung gesammelt. Da die Feinschneidteile und somit die Feinschneidwerkzeuge immer komplexer werden, nimmt die Simulation einen immer grösseren Stellenwert während des gesamten Entstehungsprozesses eines Feinschneidwerkzeugs ein. Wir sehen die Simulation als wichtiges unterstützendes Instrument in allen Stufen der Werkzeugerstellung. Insbesondere, um die Erprobungsloops eines modernen Feinschneidwerkzeuges zu steuern. Die Zeiten der Erprobungen im Trial-and-Error-Prinzip sind Geschichte und werden durch eine systematische Herangehensweise, über die Grenzen von einzelnen Abteilungen hinweg, abgelöst. Um dieser Wichtigkeit gerecht zu werden, haben wir bei Feintool ein kleines aber feines Team, welches sich ausschliesslich mit FEM Simulation beschäftigt und als Dienstleiter für alle anderen am Werkzeugentstehungsprozess beteiligten Abteilungen arbeitet. Feintool setzt modernste Simulationssoftware ein, um Werkzeuge und daraus entstehende Teile am Computer abzubilden. Wir verwenden die Software Forge und Ansys für unsere FEM Simulationen. Um Kunden und internen Stellen eine bessere Vorstellung der Teilegeometrie und Grösse des späteren Feinschneidteils zu geben, erstellen wir aus der Simulation heraus 3-D Prints. Diese Teile aus Kunststoffen und / oder Metall helfen bei der visuellen und haptischen Vorstellung des späteren Produkts.

Simulation unterstützt in der Engineering-Phase

Bei Feintool startet alles mit einer Teilezeichnung des zukünftigen Feinschneid- / Umformteils. Die Aufgabe der Engineering-Mitarbeitenden ist es, eine für das jeweilige Feinschneidteil optimale Werkzeuglösung zu entwickeln. Da moderne Feinschneidteile eine Kombination aus Schneiden und Umformen darstellen und somit hoch komplex sind (3-D), bedienen wir uns des Hilfsmittels Simulation. Die Simulation hilft uns, Machbarkeitsanalysen für bestimmte Features am Feinschneidteil durchzuführen, erste Belastungsanalysen für die späteren Werkzeugelemente abzuleiten und somit eine Risikoabschätzung zu erhalten. Die Ergebnisse der Simulation sind dann Grundlage für ein Werkzeugangebot an unsere Kunden. Somit generieren wir bereits in der Engineering-Phase ein Werkzeugangebot, das von der Simulation unterstützte Machbarkeitsanalysen, eine Risikoabschätzung und Haltbarkeitsanalysen enthält.

Illustration einer Machbarkeitsanalyse eines Lappens an Bauteil Planetenträger
Illustration einer Machbarkeitsanalyse eines Lappens an Bauteil Planetenträger

Wie die Simulation in der Konstruktionsphase eingesetzt wird

Die in der Engineering-Phase gewonnen Erkenntnisse aus der FEM Simulation übernehmen wir in die Konstruktionsphase. In dieser Phase sehen wir ein sehr enges Zusammenspiel der 3-D Werkzeugkonstruktion (Werkzeugkonstrukteur) und der FEM Simulation (Mitarbeiter Simulation). Die durch die Werkzeugkonstruktion erstellten 3-D Modelle von einzelnen Werkzeugkomponenten werden in die Simulationssoftware übernommen und mittels FEM Simulation auf ihre Haltbarkeit überprüft. So führen wir beispielsweise vor und während der Werkzeugkonstruktion umfangreichere Simulationen einer ganzen Stufenfolge durch. Die Ergebnisse der Simulation (Auslegung der Aktivelemente) fliessen dann wieder zurück in die Werkzeugkonstruktion und helfen so die optimalen Werkzeugelemente zu konstruieren. Ziel ist es, die maximale Haltbarkeit der Aktivelemente zu gewährleisten, was sich später in der Produktion in langen Standzeiten des Feinschneidwerkzeuges widerspiegelt.

Zudem entsteht aus der Zusammenarbeit des Engineerings, der Simulation und der Werkzeugkonstruktion eine Strategie für den Ablauf der Werkzeugerprobung (Fahrplan). Diese systematische Herangehensweise in der Werkzeugerprobung, über die Grenzen von einzelnen Abteilungen hinweg, bedeutet auch einen qualitativen Vorteil für den Kunden.

Illustration einer Spannungsanalyse (max. Hauptspannung) an einer Brücke
Illustration einer Spannungsanalyse (max. Hauptspannung) an einer Brücke

Was die Simulation in der Werkzeugerprobungsphase kann
Die Werkzeugerprobung ist der Schritt im Erstellungsprozess eines Werkzeugs, bei dem das Werkzeug in die Presse montiert wird und erstmals versucht wird, ein zeichnungsgerechtes Feinschneidteil zu produzieren. Jede vermeidbare Korrekturschleife bedeutet eine sofortige Zeit- und Kosteneinsparung. Hier setzt die simulationsbasierte Erprobungs-Unterstützung an. Dabei werden alle theoretisch möglichen Korrekturmassnahmen der realen Werkzeugerprobung in der Simulation abgebildet. Die Ergebnisse aus der Simulation fliessen dann wieder als Korrekturmassnahmen in die Werkzeugerprobung. Das Ziel ist, so wenige Korrekturschleifen wie möglich zu fahren.

Rückfluss der Ergebnisse aus der Werkzeugerprobung zur Simulation

Am Ende der Werkzeugerprobung – im Idealfall mit nur einer Erprobungsschleife – steht ein zeichnungsgerechtes Feinschneidteil. Nun müssen die in der Realität erzielten Ergebnisse unbedingt mit denen der Simulation abgeglichen werden (sogenannter Rückfluss des realen Wertes in die Simulation). So stellen wir bei Feintool sicher, dass die Simulation eines ähnlichen Sachverhaltes beim nächsten Mal noch realistischere Ergebnisse liefert.

Fit für die Zukunft – Upgrade FEM Simulationssoft- und -Hardware

Um den immer steigenden Anforderungen an Schnelligkeit und Genauigkeit gerecht zu werden, haben wir im letzten Jahr im Feintool Werkzeugbau unsere FEM Simulationssoftware erweitert und neue Hardware installiert.

Mit diesem Upgrade können wir mehr Simulationsberechnungen gleichzeitig und in kürzerer Zeit durchführen. Damit erreichen wir schnellere Reaktionszeiten für Werkzeugangebote aus dem Werkzeugengineering und kompakten Konstruktionszeiten als ein Teil des gesamten Werkzeugerstellungsprozesses (Durchlaufzeit).

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