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FORSCHUNGSGESELLSCHAFT UMFORMTECHNIK M.B.H.RESEARCH IN INNOVATIVE ENGINEERING
Forschungsgesellschaft Umformtechnik mbH
www.fgu-mbh.de
Prof. Dr.-Ing. M. Liewald MBADipl. Kfm. techn. A. Gehle
FORSCHUNGSGESELLSCHAFT UMFORMTECHNIK M.B.H.RESEARCH IN INNOVATIVE ENGINEERING
Agenda
� Kurzvorstellung
Forschungsgesellschaft Umformtechnik mbH
� Aktueller Stand und Tendenzen in der Prozesssimulation
von Blechumformvorgängen
FORSCHUNGSGESELLSCHAFT UMFORMTECHNIK M.B.H.RESEARCH IN INNOVATIVE ENGINEERING
FORSCHUNGSGESELLSCHAFT UMFORMTECHNIK M.B.H.RESEARCH IN INNOVATIVE ENGINEERING
� Gegründet 1980 von Prof. Dr.-Ing. Kurt Lange
Founded 1980 by Prof. Dr.-Ing. Kurt Lange
� Enge Zusammenarbeit mit dem Institut für Umformtechnik
Cooperation with the Institute for Metal Forming Technology
� Wissenschaftlicher Leiter Prof. Dr.-Ing. Mathias Liewald MBA
Scientific board Prof. Dr.-Ing. Mathias Liewald MBA
� Geschäftsführer Dipl.-Kfm. techn. Andreas Gehle
General Manager Dipl.-Kfm. techn. Andreas Gehle
Forschungsgesellschaft Umformtechnik mbH
FORSCHUNGSGESELLSCHAFT UMFORMTECHNIK M.B.H.RESEARCH IN INNOVATIVE ENGINEERING
Forschungsgesellschaft Umformtechnik mbH
� 25% der Anteile liegen beim wissenschaftlichen Leiter
25% Shares owned by scientific director
� 75% bei einem Industriekonsortium von ca. 50 Firmen
75% Shares owned by an industrial consortium
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Fördererkreis Umformtechnik e. V.
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Forschungsgesellschaft Umformtechnik mbH
� 25% der Anteile liegen beim wissenschaftlichen Leiter
25% Shares owned by scientific director
� 75% bei einem Industriekonsortium von ca. 55 Firmen
75% Shares owned by an industrial consortium
Überführung der wissenschaftlichen Forschung in dieindustrielle Praxis
Ziel/ Aim:
Transfer of scientific research into industrial practice
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Dilemma: Forschung & Entwicklung Dilemma: Research and Development
Gute Auftragslage/ Increase of incoming orders
Steigender Umsatz/ Increasing Turnover
Schlechte Auftragslage/ Decreasing orders
Sinkender Umsatz/ Decreasing Turnover
Keine Zeit für Forschung & EntwicklungNo time for Research and Development
Mögliche Lösungen/ Solutions:
Kein Geld für Forschung & EntwicklungNo Money for Research and Development
Flexibilisierung der Forschung und EntwicklungFlexibility in Research and Development
Forschung und Entwicklung in KooperationenResearch and Development in Cooperation
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Aufgabengebiete der FGUMain Activities
� Durchführung von Forschungs- und Entwicklungsarbeiten
in (bilateralen) Kooperationen
Bi-/ multilateral Projects
� Organisation der internationalen Konferenzen
Organisation of International Conferences
� Neuere Entwicklungen in der Blechumformung
New Developments in Sheet Metal Technology
� Neuere Entwicklungen in der Massivumformung
New Developments in Forging Technology
� Koordination der Forschungsarbeit in
� Forschungskooperationen Research Cooperations
� Arbeitskreisen Research Groups
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Neuere Entwicklungen in der BlechumformungNew Developments in Sheet Metal Forming03.-04.06.2008Neuere Entwicklungen in der HydroumformungNew Developments in Hydroforming
05.06.2008
Internationale Konferenzen
International Conferences
FORSCHUNGSGESELLSCHAFT UMFORMTECHNIK M.B.H.RESEARCH IN INNOVATIVE ENGINEERING
Angebote der FGUOffers FGU
� Simulation von Blech- und MassivumformvorgängenSimulation Sheet Metal Forming and Forging Technology
� Konstruktion / Werkzeugentwicklung / MassivumformvorgängeDevelopment / Tool design / Forging Technology
� InbetriebnahmeCommissioning
� BauteilanalysePart Analysis
� Beratung
� Projekte: Umformtechnik/ Projects: Forming Technology
� Patentrecherchen/ Patent Research
� Technik- /Literaturrecherchen/ Technology Scanning / Literature Research
� Konstruktion / Werkzeugentwicklung / BlechumformvorgängeDevelopment / Tool design / Sheet Metal Forming
� WerkstoffprüfungMaterial Tests
� Forschungskooperationen / ArbeitskreiseResearch Cooperations / Research Groups
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Agenda
� Kurzvorstellung
Forschungsgesellschaft Umformtechnik mbH
� Aktueller Stand und Tendenzen in der Prozesssimulation
von Blechumformvorgängen
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Einflussparameter aus die FEM-Simulation
Tribologie
Oberflächen
Auswertung
Simulations-ergebnis
?????
Material
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Entwicklung Hoch- und Höchstfester Stahlblechgüten
1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005
Mikrolegierte StMikrolegierte Stäähle (hle (ZStEZStE))
Phosphorlegierte StPhosphorlegierte Stäähle (hle (ZStEZStE P)P)
Dualphasen StDualphasen Stäähle (DP)hle (DP)
Bake Bake HardeningHardening StStäählehle
HHööherfeste herfeste IFIF--StStäählehle
TRIP StTRIP Stäählehle
MSMS--StStäählehle
ComplexphasenComplexphasen--StStäählehle
TWIPTWIP--StStäählehle
Quelle: ThyssenKrupp Steel
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Hochfeste Stahlbleche
Quelle: ThyssenKrupp Steel
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Probengeometrien
Tensile Specimens
VersuchsanlageTensile Test Equipment
ZugversuchTensile Test
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Zugversuch 1.4301Tensile Test
T in °C
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Logarithmische Formänderung
ϕl = ln (l1/lo)Logarithmische Formänderung
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Material Property Determination and Characterisation
Forming Limit CurveBulge Test Nakazima Test Erichsen Test
- 0 +Minor Strain ϕ2
Majo
r str
ain
ϕ1
Deep
Drawing
Unia
xial T
ensi le
Test
Pla
ne
Stra
in
Biaxial
Compe
nsate
dStre
tchin
g
ϕ1 = −ϕ2
Failure
No Failure
(Forming Limit Curve FLC)
ϕ1 = −2ϕ2 ϕ2 = 0 ϕ1 = ϕ2
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RückfederungsverhaltenSpring back
DP 600DP 600ZStEZStE 340340
Quelle: Tower Automotive
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Einflussparameter aus die FEM-Simulation
Tribologie
Oberflächen
Auswertung
Simulations-ergebnis
?????
Material
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Das Tribologische System nach DIN 50320
1: Grundkörper
2: Gegenkörper
3: Zwischenstoff
4: Umgebungsmedium
Oberflächenveränderungen(Verschleißerscheinungsform)
Materialverlust(Verschleiß-Meßgröße)
Verschleißkenngrößen
Beanspruchungskollektiv
Struktur des Tribosystems
2
1
3
4
Quelle: DIN EN 50 320
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Der VerschleiDer Verschleißß ist nach DIN 50320 definiert als fortschreitender Materialverluist nach DIN 50320 definiert als fortschreitender Materialverlust st aus der Oberflaus der Oberflääche eines festen Kche eines festen Köörpers, hervorgerufen durch mechanische rpers, hervorgerufen durch mechanische Ursachen, d.h. Kontakt mit einem festen, flUrsachen, d.h. Kontakt mit einem festen, flüüssigen oder gasfssigen oder gasföörmigen Krmigen Köörper rper
und Relativbewegung. Ursache des Verschleiund Relativbewegung. Ursache des Verschleißßes ist die Reibkraft.es ist die Reibkraft.
Verschleißmechanismen
AdhäsionAdhAdhääsionsionAusbildung und Trennung von Grenzflächen-haftbedingungen
Ausbildung und Trennung von GrenzflAusbildung und Trennung von Grenzfläächenchen--haftbedingungenhaftbedingungen
Fresser, Löcher, Kuppen,Materialübertrag
Fresser, LFresser, Lööcher, Kuppen,cher, Kuppen,MaterialMaterialüübertragbertrag
AbrasionAbrasionAbrasionMaterialabtrag durch ritzende Beanspruchung
(Mikrozerspanung)Materialabtrag durch ritzende BeanspruchungMaterialabtrag durch ritzende Beanspruchung
((MikrozerspanungMikrozerspanung))
Kratzer, Riefen, Mulden,Wellen
Kratzer, Riefen, Mulden,Kratzer, Riefen, Mulden,WellenWellen
Oberflächen-
zerrüttungOberflOberfläächenchen--
zerrzerrüüttungttung
Ermüdung und Rissbildung im Oberflächenbereich
durch tribologische WechselbeanspruchungenErmErmüüdung und Rissbildung im Oberfldung und Rissbildung im Oberfläächenbereich chenbereich
durch tribologische Wechselbeanspruchungendurch tribologische WechselbeanspruchungenRisse, GrübchenRisse, GrRisse, Grüübchenbchen
Tribochem.
ReaktionTribochemTribochem..
ReaktionReaktion
Entstehen von Reaktionsprodukten durch tribologische
Beanspruchung von Grund-, Gegenkörper & MedienEntstehen von Reaktionsprodukten durch tribologischeEntstehen von Reaktionsprodukten durch tribologische
Beanspruchung von GrundBeanspruchung von Grund--, Gegenk, Gegenköörper & Medienrper & Medien
Reaktionsprodukte
(Schichten, Partikel)ReaktionsprodukteReaktionsprodukte
(Schichten, Partikel)(Schichten, Partikel)
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Blechhalter/Schmierstoff/BlechBlechhalter/Schmierstoff/Blech
Ziehring/Schmierstoff/BlechZiehring/Schmierstoff/Blech
Ziehringradius/Schmierstoff/BlechZiehringradius/Schmierstoff/Blech
Stempel/Schmierstoff/BlechStempel/Schmierstoff/Blech
Stempelradius/Schmierstoff/BlechStempelradius/Schmierstoff/Blech
1a1a
1b1b
22
33
44
FBH FBH
Ziehstempel
Blechhalter
BlechZiehring
FSt
1a1a
1b1b
22
33
44
Quelle: K. Siegert, V. Thoms
Tribologische Systeme beim Tiefziehen
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Quelle: R. Balbach, IFU
Hydrodynamischer
Druckaufbau(Flüssigkeitsreibung)
Werkzeug
ττττ
ττττ
vrel
pHS
PHS
pHD
v
kf
Abrasionspartikel
Einebnungsvorgänge
(elastisch, plastischeVerformungen)
Hydrostatischer
Druckaufbau
Schmierfilm aus tribochemischen
Reaktionsprodukten und Wirkstoffen
ppNN
Blech
Adhäsion(Brückenbildung durch
Kaltverschweißung)
Reibmechanismen
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Definition Rauheitswerte Ra; Rt
Rt: Gesamthöhe des Rauheitsprofils
Ra: Arithmetischer Mittenrauwert
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Surface:EBT
WerkzeugoberflächeTool Surfaces
BauteiloberflächeSurfaces of
Stamped Parts Stationärer SensorStationary Sensor
Source: IFU
3D Oberflächenmessung Blech/ Werkzeug mit tragbarem Sensor 3D Measurement of sheet and tool surfaces with a portable sensor
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Quelle: LFT
Darstellung der 3D-Oberflächenkenngrößen
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Schnittebenen
Beispiel:AlMg5Mn-T0, LasertexMessfeld: 920 µm x 920 µm
Lage
der
Schnitt-
ebene
MaterialLeer
Horizontal-schnitte
Horizontalschnitte durch die Blechoberfläche
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Gemessene 3D-Oberflächenkennwerte
2D-/ 3D- Oberflächenansicht
Sa - Arithmetischer 3D-MittenrauhwertSt - 3D- RautiefeVcl - Geschlossenes LeervolumenVop - Offenes LeervolumenVma - Material Volumenαcl - Geschlossener Leerflächenanteil
Auswertung der Blechoberfläche mit Topmess-3D
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Topmess-3D: Messfeld 1,75 x 2,3 mm
2D-Ansicht
Topmess-3D: Messfeld 1,75 x 2,3 mm
3D-Ansicht
Optisches Mikroskop: Vergrößerung A Optisches Mikroskop: Vergrößerung B
Quelle: Becker, IFU
0 100 µm 0 10 µm
AA 5182 Mill-Finish Oberfläche
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Geschlossener Leerflächenanteil
Materialflächenanteil
OffenerLeerflächenanteil
[µm] [µm] [mm³/m²] [mm³/m² ] [mm³/m²] [%]
0,40 3,8 82,7 1985,9 1742,3 10,03
aS tS clV opV maV clmα
0 100 µm
3D-Oberflächenkennwerte AA 5182 Mill-Finsh
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Optisches Mikroskop: Vergrößerung A Optisches Mikroskop: Vergrößerung B
Topmess-3D: Messfeld 1,75 x 2,3 mm 2D-Ansicht
Topmess-3D: Messfeld 1,75 x 2,3 mm3D-Ansicht
0 100 µm 0 10 µm
AA 5182 EDT- OberflächeQuelle: Becker, IFU
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Geschlossener Leerflächenanteil
Materialflächenanteil
OffenerLeerflächenanteil
0 10 µm
[µm] [µm] [mm³/m²] [mm³/m² ] [mm³/m²] [%]
1,19 7,37 440,69 2960,01 3980,33 23,85
aS tS clV opV maV clmα
Quelle: Becker, IFU 3D-Oberflächenkennwerte AA 5182 EDT
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Werkstoff: AA 5182,Oberfläche: MF; Werkzeugwerkstoff: 1.2379Schmierstoff: ca. 0,5g/m² M 75
FN = 5 N/mm²
FN = 10 N/mm²
FN = 20 N/mm²
Flächenpressung:
Quelle: Becker, IFU
°- Winkel zur Walzrichtung
Abhängigkeit der Reibungszahl von der Ziehrichtung
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Streifenziehversuch unter erhöhten TemperaturenStrip-Draw-Test at Elevated Temperatures
Reibkraft -messung
Normalkraft-messung
HydraulikzylinderHydraulic Cylinder
MessrechnerComputer
SchlittenCarriage
AntriebDrive
ZiehbackeDrawing jaw
BeheizbarHeatable
Friction force
Normal force
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mit Schmierstoffresten
AA 5182 Mill-Finish-Oberfläche nach dem Streifenziehversuch, Ziehrichtung: 30°zur Walzrichtung, Flächenpressung: 10 N/mm²
mit Schmierstoffresten
Quelle: Becker, IFU
offene unbedeckteStellen
µ= 0,09(der höchste Wert !)
0 100 µm 0 10 µm
0 100 µm 0 10 µm
gereinigt, ohne Schmierstoff gereinigt, ohne Schmierstoff
Schmierstofftransport und Oberflächenänderung
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AA 5182 Mill-Finish-Oberfläche nach dem Streifenziehversuch, Ziehrichtung : 90°zur Walzrichtung, Flächenpressung: 10 N/mm²
Quelle: Becker, IFU
mit Schmierstoffresten mit Schmierstoffresten
Schmierstoff-verteilung
µ= 0,038(der kleinste Wert!)
0 100 µm 0 10 µm
0 100 µm 0 10 µm
gereinigt, ohne Schmierstoff gereinigt, ohne Schmierstoff
Schmierstofftransport und Oberflächenänderung
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Einflussparameter aus die FEM-Simulation
Tribologie
Oberflächen
Auswertung
Simulations-ergebnis
?????
Material
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Was wird simuliert?
� Simulation
� Werkzeuge
� Bauteile
� Fertigungsverfahren
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Box-
Profil
C-
Profil
Quelle: M. Häussermann, IFU
Aufbau konventioneller Ziehwerkzeuge
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Num m er A1 A2 A3 A4 A 5 A6 A 7 A8 A9 A10
N iederha l te r
M atrize
p m ax [% ] 431 374 739 528 437 329 329 451 166 128
p m in [% ] 0 0 0 0 0 0 0 0 19 63
∆ p [% ] 431 374 739 528 437 329 329 451 147 65
G ewicht [% ] 53,3 56,5 36,0 39,8 45,4 49,2 61,5 46,0 80,8 100
A1 A2 A 3 A 4 A5
A6 A 7 A 8 A9 A10
Quelle: M. Häussermann, IFU
Symmetrische Verrippung
Verteilung Flächenpressung
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Quelle: IFU
Konventioneller Blechhalter
Segmentelastischer Blechhalter
Matrize
BlechhalterPlatine
FPin FPin FPin
Örtlich erhöhte Flächenpressung
Fpin, erhöht
Der am IFU entwickelte segmentelastische Blechhalter ermöglicht es,
bestimmte Blechhalterflächensegmente
partiell mit zugehörigen Blechhalterkräften zu beaufschlagen,
dass über dem Ziehweg vorgebbare Flächenpressungen pro Segment erzielbar sind,
ohne dass hierdurch die Nachbarsegmente
wesentlich beeinflusst werden
Segmentelastischer Blechhalter
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4.5 N/mm2
0 N/mm2
Flä
ch
enp
ressun
g
Quelle: IFU
Verteilung Flächenpressung
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Quelle: IFU / D. Vlahovic
Beulprüfstand
Statische und dynamische Beulprüfung
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Definition der Beulsteifigkeit und Beulfestigkeit
Beulsteifigkeit =
Beulfestigkeit =Aufgebrachte Kraft, Druck oder Energie
plastische Beultiefe
Aufgebrachte Kraft, Druck oder Energie
elastische Beultiefe
plastische Beultiefemaximale Beultiefe
Querschnitt Bauteiloberfläche
FD [N] bzw. Wkin [J]Prüfkörper
elastische Beultiefe
Quelle: IUL Dortmund
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Spannungszustände im Blech States of Stress in Sheet
Scherschneiden/ Shear Cutting
TRIP700Stempelkantenradius 30µm
Die Edge Radius 30µmSchneidspalt 18%Cutting clearance 18%
CP1000Stempelkantenradius 30µmDie Edge Radius 30µmSchneidspalt 18%Cutting clearance 18%
TRIP700Stempelkantenradius 30µmDie Edge Radius 30µmSchneidspalt 10%Cutting clearance 10%
StempelPunch
Blech
Blank
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Matrizensegmente
Blechwerkstoff
Blechhaltersegmente
Stempel
Variante 1: Konstante Reibungszahl in alle Blechhalter- sowie Matrizensegmenteµkonst = 0,10
Variante 2: Unterschiedliche Reibungszahl in den einzelnen Blechhaltersegmente.Die Reibungszahl in den dazugehörigen Matrizensegmente ist gleich.
µM,0-30° = µBH,0-30° = 0,075 µM,30-45° = µBH,30-45° = 0,09µM,45-60° = µBH,45-60° = 0,0875 µM,60-90° = µBH,60-90° = 0,07
Blechwerkstoff: AA5182 MF, s0 = 1 mm
Blechgröße: 140 x 120 mm
Quelle: Khandeparkar, IFU
Werkzeug
FE-Simulation mit richtungsabhängigen Reibungszahlen
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Blechausdünnung [%]
Mit unterschiedlichenReibungszahlen
Mit konstanterReibungszahl
AA5182, s0 = 1 mm
µ = 0,10 µ0-30° = 0,075; µ30-45° = 0,09µ45-60° = 0,0875; µ60-90° = 0,07
15,15 %17,55 %
Quelle: Khandeparkar, IFU
FE-Simulation mit richtungsabhängigen Reibungszahlen
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Reales Bauteil
Riss
Crack
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Einflussparameter aus die FEM-Simulation
Tribologie
Oberflächen
Auswertung
Simulations-ergebnis
?????
Material
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Hydromechanical Deep Drawing – Cup Wall Thickness
Cup wall thickness
Blank thinning [%] LSDYNA®
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Coordinate Measurement machine (CMM)
Contour Definition Strain Measurement
Strain Measurement
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Optisches Messsystem zur Formänderungsanalyse
Laborversuch zur
Erstellung von FLC‘sEinsatz der FLC in der laufenden
Qualitätssicherung
FLD
Ursachenfindung im VersagensfallMaterialchargeWerkzeugProzessfehler
Quelle: VIALUX, IFU
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VR: Virtual Reality
Quelle: IFU / S. Huhn
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Simuliertes Bauteil
Augmented Reality Visualisierung(Blechdickenverteilung)
Realbauteil mit AR-Marker Quelle: IFU / H. Meyer, Th. Keesser
AR: Augmented Reality
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Virtual Reality in der Cave
Quelle: IFU / H. Meyer, Th. Keesser
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Stempelseite/ Punch side: Ansicht SchneidkanteCutting Edge View
Nach 1.000 Schnitten/ After 1000 cuts Nach 310.000 Schnitten/ After 310,000 cuts
Schneidkantenbeschädigung am Stempel/ Cutting edge deterioration on punch
Quelle/ Source: FGU
Schneidkantenbeschädigung / Cutting Edge deterioration
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Ausschnitt der Schnittfläche am StreifenCut edge sectional view
Glattschnittfläche der Schnittfläche am StreifenSmooth Cut Area on Strip
Nach 7.000 Schnitten/ After 7000 cuts Nach 270.000 Schnitten/ After 270,000 cuts
Quelle/ Source: FGU
Glattschnittanteil/ Smooth Cut Area
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0,00
0,04
0,08
0,12
0,16
0 80.000 160 .000 240.000 320 .000
Anzahl Schnitte
Max
imal
e S
chn
ittg
rath
öh
e h
G m
ax i
n m
m
Verschleißgrenze0 ,12
Lochbi ld
16 30
8
T0 8 CP 1 000 , 1,2 m m, Elo-ve rzinkt , BSTA 18, Sc hne ids palt 10% , 6 2 HRC T0 9 TRIP 70 0, 1 ,2 m m , fe uerverzinkt, BSTA 1 8, S chneidspa lt 1 0% , 62 HRC T1 6 CP 1 000 , 1,2 m m, Elo-ve rzinkt , BSTA 500 , S chneidspalt 11 %, 61 HRC T2 1 TRIP 70 0, 1 ,2 m m , fe uerverzinkt, BSTA 3 00, Sc hne ids palt 10% , 6 1 HRC
Stem pel aus Werkzeug stah l1.2379 , unb eschichtetButzenh G
S treifen
Maximale Schnittgrathöhe über Anzahl der Schnitte/Maximum Burr Height over Number of Cuts
Quelle/ Source: FGU Number of Cuts
Ma
xim
um
Bu
rr H
eig
ht h
G,m
ax
[mm
]
Grathöhe/ Burr height
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Einflussparameter aus die FEM-Simulation
Tribologie
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Auswertung
Simulations-ergebnis
?????
Material
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Forschungsgesellschaft Umformtechnik mbH
Andreas Gehlegehle@fgu-mbh.de
Tel.: +49 (711) 226 – 4125
www.fgu-mbh.de
Vielen Dank Für Ihre Aufmerksamkeit!
Thank you for your attention!