Mechanisches Fügen simulieren

Management Summary

Das Modul Mechanical Joining in Simufact Forming

Das Anwendungsmodul Mechanical Joining wurde speziell für die Simulation von mechanischen Fügeprozessen konzipiert. Es ermöglicht die numerische Berechnung von Technologien, die vorrangig auf dem fügenden Umformen beruhen. Somit sind vielfältige Nietverfahren, wie beispielsweise das Stanznieten, Halbhohlstanznieten und Blindnieten virtuell analysierbar. Aber auch die Verbindungsausbildung bei diversen Durchsetzfügetechnologien, wie z.B. das Druckfügen, Clinchen und Toxen mit fester und öffnender Matrize sind berechen- und damit vorhersagbar. Des Weiteren können auch spezielle Effekte, wie hohe Fügegeschwindigkeit, wie z.B. beim Bolzensetzen oder eine hohe Drehbewegung, wie z.B. beim Fließlochformenden Schrauben in den Berechnungen berücksichtigt werden. Auch eine Betrachtung mit Klebstoff in der Fügezone ist durchführbar.

Simufact Forming Mechanical Joining beinhaltet Datenbanken zur Ablage der CAD-Beschreibung Ihrer Fügewerkzeuge bzw. -elemente und gibt die spezifischen Verbindungskennwerte nach der numerischen Berechnung automatisiert aus. Des Weiteren ist es durch ein gesondert angepasstes Simulationssetup gekennzeichnet, das eine stabile und effektive Berechnung von Fügeprozessen ermöglicht. In Kombination mit den Basisfunktionalitäten des Simufact.forming Hub steht Ihnen somit ein Werkzeug zur numerischen Beantwortung Ihrer Einzel- oder Multi-Punkt-Fragestellungen zur Verfügung.

 

Nutzen Sie die Vorteile von Simufact Forming für Ihre mechanischen Fügeprozesse:

Robuste und performante Simulationen, durchgeführt von Technologen (Fügeexperten), mit Ergebnissen nahe an der experimentellen Realität, ermöglichen:

Vorhersage von charakteristischen Verbindungsparametern (z.B. Hinterschnitt) bei unterschiedlichen Fügeanordnungen und dem Verhalten unter Belastung (z.B. Kopf-Zug-Versuch)

  • Robustheitsbewertungen für Schwankungen bezüglich Materialdicken, Materialeigenschaften (z.B. Rm), Schmierung oder Presseneigenschaften
  • Erhebliche Reduktion von Aufwänden
    • geringere Anzahl an experimentellen Tests
    • geringere Anzahl an Querschliffpräparationen und Messungen der Verbindungskennwerte
    • weniger Ressourcen (Zeit, Mitarbeiter, Pressen, …) für experimentelle Untersuchungen und deren Bewertung
  • Signifikanter Gewinn an Prozess-Know-how
  • Bestimmen des Niet- und Materialverhaltens während des Fügevorgangs
  • Stabilität der Verbindung und des Prozesses
  • Versagensvorhersage für Werkzeuge oder Nieten

 

 

 

Simufact - Simulation Flow-Drill-Schraubwerkzeuge
Flow-Drill-Schraubwerkzeuge

Modellierung kompletter Prozessketten (Virtual Joining Factory)

Simufact Forming Mechanical Joining ist ein Baustein, der es Ihnen ermöglicht, die gesamte virtuelle Prozesskette zu simulieren. Numerische Berechnungen der Herstellung des Fügeelementes einerseits und der Blechumformung andererseits können Eingabegrößen der Fügesimulation darstellen. Somit bietet Ihnen Simufact.forming Mechanical Joining die einzigartige Möglichkeit, einer fertigungsschrittübergreifenden Prozesssimulation im Sinne einer Virtual Joining Factory.

Simulation von Stanznietprozessen mit Simufact Forming

Anwendungsfelder für das Modul Mechanical Joining

Einzelpunktbetrachtung

Alle mechanischen Fügetechnologien sind durch eine Vielzahl von Parametern gekennzeichnet, die einen Einfluss auf die Qualität des Fügeergebnisses ausüben und sich multifaktoriell beeinflussen. Um diese systematisch untersuchen und quantifizieren zu können, sind Experimente nicht weitreichend genug. Hier bietet die numerische Simulation vielfältige und mithin einzigartige Möglichkeiten, bei der Auswahl und dem Setup der geeigneten Fügetechnologie.

Neben der Berechnung der qualitätsbestimmenden Merkmale sind u.a. auch eine Visualisierung des Werkstoffflusses während der Verbundherstellung und die Gegenüberstellung der erforderlichen Fügekraft zum -weg möglich.

Case Study Eckold

Numerisch basierte Entwicklung der Flach-Clinch-Technologie (Quelle: Professur Virtuelle Fertigungstechnik, Technische Universität Chemnitz)
Numerisch basierte Entwicklung der Flach-Clinch-Technologie (Quelle: Professur Virtuelle Fertigungstechnik, Technische Universität Chemnitz)

Neben der optimierenden Anpassung bestehender Fügetechnologien an aktuelle Verbindungsaufgaben, bietet das Anwendungsmodul Mechanical Joining auch alle Möglichkeiten für die Neuentwicklung von Technologien. Ein Beispiel dafür ist die Realisierung der Flach-Clinch-Technologie durch den Fügespezialisten Eckold.

Download Case Study

Neben der Berechnung der qualitätsbestimmenden Merkmale sind u.a. auch eine Visualisierung des Werkstoffflusses während der Verbundherstellung und die Gegenüberstellung der erforderlichen Fügekraft zum -weg möglich.

Spezielle Auswertefunktionalitäten zeigen Spannungszustände an, die während des Fügens im Werkzeug entstehen; so erhalten Sie Hinweise auf dessen Lebensdauer.

Auch die Untersuchung von Hochgeschwindigkeitseinflüssen und Klebstoff in der Fügezone, wie nachfolgend am Beispiel des RIVTAC®-Verfahrens gezeigt, ist möglich.

Multi-Punktbetrachtung

Während bei den bisherigen Betrachtungen aufgrund der axialsymmetrischen Fragestellung eine zweidimensionale Berechnung genügte, müssen für die Simulation von mehreren Fügepunkten dreidimensionale Modelle aufgebaut und berechnet werden. Hier bieten die bereits angesprochenen speziellen Setups eine einzigartige Möglichkeit der effektiven und numerisch sicheren bzw. stabilen Betrachtung solcher Art von Fragestellungen.

Multi-Punkt-Betrachtung Clincen. Dargestellt: Flansch, Matrize, Stempel und Niederhalter Simulation: 3D, 180° (Ergebnisgröße: Umformgrad)  Ergebnis: Materialflussanalyse zur Überprüfung der Verbindungsausbildung und des Materialverhaltens zwischen den Fügepunkten.

Somit ist es möglich, Untersuchungen zur gegenseitigen Beeinflussung von Fügepunkten bzw. Optimierung der Fügereihenfolge durchzuführen, gezielt Einflussparameter des Bauteilverzuges zu analysieren und deren Auswirkungen zu minimieren. Des Weiteren ist mit der dreidimensionalen Simulation auch die Berechnung verfahrensbedingter Effekte beim Fügeprozess möglich. Beispielsweise führen unterschiedliche Steifigkeiten der C-Bügel zu dessen Auffederung während des Fügeprozesses, die je nach Ausprägung das Fügeergebnis entscheidend beeinflussen können. Auch Außermittigkeit des Fügestempels bzw. Fügeelements zur Matrize oder eine Matrizenverkippung haben Wirkung auf die Verbindungsausbildung und können durch eine dreidimensionale Analyse vorherbestimmt werden.

Simulationsvideos Mechanisches Fügen

Stanzbolzen
Dargestellt: Material-Ronden, Stanzbolzen,Matrize, Stempel, Niederhalter
Simulation: 3D, Vernetzung Material und Niet
Ergebnis: Materialflussverhalten zur technologischen Analyse des Fügeprozesses

Halbhohlstanznieten mit Klebstoff
Dargestellt: Material-Ronden dazwischen Klebstoff, Matrize, Niet, Stempel und Niederhalter
Simulation: 2D, Materialien und Niet, Stempel, Matrize, Niederhalter
Ergebnis: Materialflussanalyse zur Überprüfung der Verbindungsausbildung und Taschenbildung

Modellierung kompletter Prozessketten

Virtual Joining Factory

In Simufact Forming Mechancial Joining können Sie Resultate aus vorangegangenen, virtuellen Fertigungsschritten einlesen. Dadurch berücksichtigen Sie die Werkstoffhistorie, z.B. Eigenspannungen, wie in der Realität vorhanden. Diese Option der Prozesskettensimulation wirkt sich qualitätssteigernd auf die Vorhersage von Fertigungsergebnissen aus.

Virtual Joining Factory

3D-Modell für Belastungstest

Das Anwendungsmodul Mechanical Joining bietet Ihnen des Weiteren die Möglichkeit, die berechneten Ergebnisse aus der Fügesimulation für weitere Betrachtungen zu verwenden. Somit können Sie aus dem virtuellen Fügepunkt mit wenigen Klicks ein dreidimensionales Modell für verschiedene Belastungstests (z.B. Kopf-, Scher- und Schälzug) generieren.

Dieses Video zeigt einen Scherzugversuch an einer Halbhohlstanznietverbindung. Die Simulation ist als halbsymmetrisches Modell aufgebaut und endet nach dem kompletten Herauslösen des Niets.

Einsatzspektrum / Randbedingungen

Verfahren

Die Software deckt eine Vielzahl von Fügeverfahren ab, darunter:

  • Fügen durch Umformen/Joining
  • Nieten (Riveting)
  • Stanznieten (Punch Riveting)
  • Halbhohlstanznieten (Self-Piercing Riveting, Abk. SPR)
  • Blindnieten (Blind Riveting/ Fasteners)
  • Durchsetzfügen/Druckfügen/Clinchen/Toxen
  • Fließlochformende Schrauben Abk. FLS (Flowdrill screws Abk. FDS)
  • Hochgeschwindigkeits-Bolzensetzen (Applikationen: Rivtac®, Impact®)
  • Schließringbolzen (Lock Bolt)
  • Bördeln/Crimpen
  • Stanzbolzen

Werkstoffe

  • Stahl
  • Nichteisenmetalle wie Titan, Aluminium- und Kupferlegierungen
  • in Abhängigkeit vom eingesetzten Verfahren Kunststoffe auch faserverstärkt

Randbedingungen

Für die realistische Abbildung der mechanischen Fügeprozesse berücksichtigt das Anwendungsmodul Mechanical Joining typische Prozessbedingungen der spezifischen Verfahren:

  • Öffnende und starre Matrizen
  • kraft-, druck- oder geschwindigkeitsabhängige Pressensteuerung
  • Federkopplung oder separate Steuerung des Niederhalters
  • C-Bügelauffederungen
  • Außermittigkeiten zwischen Stempel und Matrize

Gesicherte Entscheidungen durch Fügesimulation

Fügesimulation optimiert Ihre mechanische Fügetechnik

  1. Auswahl der geeigneten Fügetechnologie
  2. Auswahl der geeigneten Verfahrensvariante
  3. Verfahrenssetup (Anpassung Fügeelement zu Matrize bzw. Werkzeug)
  4. Prozess-Setup (Stempelkraft, Niederhalterkraft)
  5. Prozessrobustheit: systematische Betrachtung von Schwankungen in Materialdicke, -festigkeit, Beölung
  6. Werkzeugbelastung, Lebensdauer, Verringerung von Fehlzeiten
  7. Schädigung (Fügeelement, Werkstoffe) während des Fügens (Ziel: Reduzierung der Nacharbeit)
  8. Resistenz der Verbindung gegen Belastung (statisch und dynamisch)
  9. Klebstoff in der Fügezone: Einfluss auf die Verbindungsausbildung
  10. Einfluss von Materialvorverfestigung auf die Verbindungsausbildung
  11. Einfluss von Fügebügelauffederungen und Außermittigkeiten
  12. Entwicklung neuer Fügetechnologien
  13. Fügereihenfolge (mit dem Ziel einer Minimierung des Bauteilverzugs)
  14. Minimaler Fügepunktabstand
  15. Betrachtung der virtuellen Prozesskette von Karosserie- bzw. Fügeelementherstellung über das Fügen bis zum Crash

Funktionale Highlights

Nutzen Sie die funktionalen Vorteile von Simufact Forming Mechnanical Joining

  • präzise Ergebnisse durch die konsequente Verwendung von Hexaeder- und Tetraeder-Elementen
  • spezielle Vernetzungsalgorithmen und -strategien für das mechanische Fügen
  • durchgängige Anwendung von elastisch-plastischer und thermomechanischer Kopplung im Materialmodell
  • dadurch höchst präzise Beschreibung des Spannungs-Dehnungszustands, der Eigenspannungen und der charakteristischen Verbindungskennwerte
  • Schädigungskriterium-basierte Materialauftrennung (auch in 3D)
  • einfache Bedienung durch Vorlagen und Datenbanken, die fertigungsnahe Parameterdefinitionen ermöglichen
  • präzise Modellierung der Tribologie durch innovative Reibmodelle
  • numerisch stabile Abbildung des Kontakts durch Verwendung der "Segment-to-Segment-Methode"
  • spezielle Simulationssetups zu Reibung, Materialtrennung und Kontakt ermöglichen realistische Simulationsergebnisse
  • die Verfahrensmodellierung kann im Hinblick auf die Anzahl der Werkzeuge, die Zahl der Bewegungsfreiheitsgrade und Randbedingungen beliebig komplex ausgelegt werden, ohne dabei ihre Nutzerfreundlichkeit zu verlieren
  • höchste Effizienz bei hoher Ergebnisgenauigkeit durch Ausnutzung von 2D-Axialsysmetrien
  • schnelle 3D-Modellierung und Simulationen
  • Automatische Verkettung aller Prozessschritte inklusive 2D- zu 3D-Übergang

 

Gegenüberstellung von Querschnitten

Die Gegenüberstellung der Querschnitte aus Experiment und Simulation zeigt eine präzise Übereinstimmung der virtuellen Vorhersage mit der realen Wirklichkeit.

Diese plakative Darstellung ist durch wenige Iterationsschritte erreichbar. Danach können numerische Varianten, ohne nochmaligen Abgleich mit der Realität, mit gleicher Qualität der Simulationsergebnisse berechnet werden.

Querschnitt Stanzniet: Simulation und Real
Querschnitt Stanzniet: Simulation und Real

Referenzen

Eine große Zahl an Anwendern, darunter auch führende OEMs aus dem Automotive-Bereich, vertrauen auf die Simulationstechnologie von Simufact. Zu Projektpartnern und Kunden von Simufact Forming für Fügeprozesse zählen unter anderem:

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Markus Merten

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