Wichtige Schritte des Konstruktionsprozesses für Automobil-Formwerkzeuge

Zusammenfassung

Der Automobil-Formen-Design-Prozess ist ein systematischer ingenieurtechnischer Workflow, der einen Teile-Konzept in ein robustes Fertigungswerkzeug umwandelt. Er beginnt mit einer gründlichen Machbarkeitsanalyse des Bauteils (DFM), gefolgt von einer strategischen Prozessplanung zur Erstellung eines Streifenlayouts, das den Materialverbrauch optimiert. Anschließend folgt die detaillierte Konstruktion des Formaufbaus und der Komponenten mittels CAD, die virtuelle Simulation zur Validierung und Rückfederkompensation und schließlich die Erstellung präziser Fertigungszeichnungen sowie eine Stückliste (BOM) für den Werkzeugmacher.

Phase 1: Teile-Machbarkeit und Prozessplanung

Die Grundlage für jeden erfolgreichen Karosseriestanzprozess wird lange vor dem ersten Zuschnitt von Stahl gelegt. Diese Anfangsphase, die auf der Prüfung der Teiletauglichkeit und der Prozessplanung basiert, ist die entscheidende Stufe, um kostspielige Fehler zu vermeiden und einen effizienten Produktionsablauf sicherzustellen. Sie umfasst eine detaillierte Analyse des Teiledesigns hinsichtlich seiner Eignung zum Stanzen, ein Vorgehen, das als Konstruktion für die Fertigung (DFM) bekannt ist. Bei dieser Analyse werden Merkmale wie scharfe Ecken, tiefe Ziehungen und Materialeigenschaften untersucht, um mögliche Fehlerquellen wie Risse oder Faltenbildung zu erkennen, bevor sie zu teuren physischen Problemen werden.

Sobald ein Teil als fertigbar eingestuft ist, folgt der nächste Schritt: die Erstellung eines Prozessplans, der visuell durch ein Streifenlayout dargestellt wird. Dieser Plan ist die strategische Roadmap dafür, wie eine flache Metallspule schrittweise in ein fertiges Bauteil umgewandelt wird. Wie in einem Leitfaden von Jeelix , wird im Streifenlayout jeder Arbeitsschritt – von Durchstanzungen und Ausschnitten bis hin zu Biegungen und Formungen – in einer logischen Reihenfolge genau festgelegt. Die Hauptziele bestehen darin, die Materialausnutzung zu maximieren und sicherzustellen, dass der Streifen stabil bleibt, während er durch die Presse läuft. Ein optimiertes Layout kann erhebliche wirtschaftliche Auswirkungen haben; bereits eine Verbesserung der Materialausnutzung um 1 % kann bei der Serienproduktion im Automobilbau zu erheblichen Kosteneinsparungen führen.

In dieser Planungsphase zerlegen Konstrukteure das fertige Bauteil gedanklich in eine Abfolge von Stanzvorgängen. Beispielsweise wird eine komplexe Halterung in ihre Grundoperationen unterteilt: Bohren von Führungslochern, Ausschneiden von Kanten, Durchführen von Biegungen und schließlich das Freischneiden des fertigen Teils aus dem Streifen. Dieser strukturierte Ansatz stellt sicher, dass die Operationen in der richtigen Reihenfolge ausgeführt werden – beispielsweise das Durchstechen von Löchern vor dem Biegen, um Verzerrungen zu vermeiden.

Wichtige DFM-Überlegungen – Checkliste:

• Materialeigenschaften: Ist die Dicke, Härte und Faserrichtung des ausgewählten Metalls für die erforderlichen Umformoperationen geeignet?
• Biegeradien: Sind alle Biegeradien großzügig genug, um Rissbildung zu vermeiden? Ein Innenradius von weniger als 1,5-facher Materialdicke ist oft ein Warnsignal.
• Löchernähe: Befinden sich die Löcher in einem sicheren Abstand zu Biegungen und Kanten, um Verzerrungen oder Brüche zu vermeiden?
• Komplexe Geometrie: Erfordern Merkmale wie Hinterschneidungen oder Seitenlöcher komplexe und potenziell fehleranfällige Mechanismen wie Seitencams?
• Toleranzen: Sind die vorgegebenen Toleranzen mit dem Stanzprozess erreichbar, ohne die Kosten unnötig in die Höhe zu treiben?

Phase 2: Gestaltung der Werkzeugstruktur und der Kernkomponenten

Mit einem soliden Prozessplan verschiebt sich der Schwerpunkt auf die Konzeption der physikalischen Präzisionsmaschine, die aus mehreren voneinander abhängigen Systemen besteht. Die Struktur der Würfel dient als robustes Rahmen oder Skelett, das alle aktiven Bestandteile unter enormer Kraft in perfekter Ausrichtung hält. Diese Basis, die oft als Matrizesatz bezeichnet wird, besteht aus oberen und unteren Platten (Schuhen), die durch Führerstift und -schrauben genau ausgerichtet sind. Dieses Ausrichtungssystem ist entscheidend für die Aufrechterhaltung der Mikrongenauigkeit, die für eine gleichbleibende Qualität von Teilen erforderlich ist, und zur Verhinderung katastrophaler Strichkollisionen beim Hochgeschwindigkeitsbetrieb.

Das Herzstück der Matrize ist das Form- und Schneidsystem, das aus den Stößen und Matrize-Hohlräumen (oder Knopfen) besteht, die das Metall direkt formen. Die Konstruktion dieser Komponenten ist äußerst präzise. Ein kritischer Parameter ist die Abstandsfreiheit, die kleine Lücke zwischen Stanz und Würfel. Nach Metall , dieser Freiraum liegt typischerweise zwischen 5–10 % der Materialstärke. Zu geringer Freiraum erhöht die Schneidkraft und den Verschleiß, während zu großer Freiraum das Metall reißen und große Grate hinterlassen kann. Die Geometrie, das Material und die Wärmebehandlung dieser Komponenten sind sorgfältig festgelegt, um sicherzustellen, dass sie Millionen von Zyklen aushalten.

Die Wahl des Materials für die Werkzeugkomponenten selbst ist eine strategische Entscheidung, bei der Kosten, Verschleißfestigkeit und Zähigkeit gegeneinander abgewogen werden. Abhängig von der Produktionsmenge und der Abrasivität des Teilematerials kommen verschiedene Werkzeugstähle zum Einsatz.

Phase 3: Virtuelle Validierung und Design-Review

In der modernen Konstruktion von Automobil-Presswerkzeugen ist die Ära der kostspieligen und zeitaufwändigen physischen Versuch-und-Irrtum-Methode vorbei. Heutzutage werden Konstruktionen im digitalen Bereich durch einen Prozess namens virtuelle Validierung gründlich geprüft. Mithilfe fortschrittlicher Computer-Aided Engineering (CAE) und Finite-Elemente-Analyse (FEA) Software simulieren Ingenieure den gesamten Stanzprozess, um vorherzusagen, wie sich das Blech unter Druck verhalten wird. Dieser virtuelle Tryout identifiziert mögliche Fehler wie Faltenbildung, Reißen oder übermäßige Dünnerwerdung, bevor eine physische Fertigung beginnt, und ermöglicht proaktive Konstruktionskorrekturen.

Eine der größten Herausforderungen beim Stanzprozess, insbesondere bei den hochfesten Stählen (AHSS), die in modernen Fahrzeugen verwendet werden, ist das Federrücklaufen. Dieses Phänomen tritt auf, wenn sich das geformte Metall teilweise wieder in seine ursprüngliche Form zurückverformt, nachdem die Stanzkraft entfernt wurde. Mit Simulationssoftware kann das Ausmaß und die Richtung dieses Federrücklaufens genau vorhergesagt werden. Dadurch können Konstrukteure aktive Kompensationen umsetzen. Wie beispielsweise von Jeelix erläutert: Wenn eine Simulation vorhersagt, dass eine 90-Grad-Biegung auf 92 Grad zurückspringt, kann der Werkzeugstempel so ausgelegt werden, dass das Bauteil bereits auf 88 Grad überbogen wird. Beim Loslassen federt das Bauteil dann genau auf den gewünschten Zielwert von 90 Grad zurück.

Der Validierungsprozess ist eine systematische Prüfung, um sicherzustellen, dass die Konstruktion robust, effizient und in der Lage ist, qualitativ hochwertige Teile zu produzieren. Er bietet die letzte Gelegenheit zur Überprüfung und Optimierung, bevor man sich auf den kostspieligen Prozess des Werkzeugbaus einlässt.

Die Schritte des virtuellen Validierungsprozesses:

1. Formanalysedurchlauf: Die Simulationssoftware analysiert den Materialfluss, um mögliche Fehler wie Risse, Falten oder unzureichende Dehnung zu erkennen.
2. Federrücklauf vorhersagen und ausgleichen: Der Grad des Federrücklaufs wird berechnet, und die Umformflächen des Werkzeugdesigns werden automatisch angepasst, um diesen auszugleichen.
3. Kräfte berechnen: Die Simulation berechnet die für jeden Arbeitsgang erforderliche Presskraft, um sicherzustellen, dass die gewählte Presse über ausreichende Kapazität verfügt und Schäden an Presse oder Werkzeug vermieden werden.
4. Abschließende Designprüfung durchführen: Eine gründliche Überprüfung des validierten Designs erfolgt durch ein Team von Ingenieuren, um verbleibende Fehler oder potenzielle Probleme zu erkennen, bevor das Design endgültig festgelegt wird.

Phase 4: Zeichnungserstellung und Übergabe an die Fertigung

Die abschließende Phase des Konstruktionsprozesses für Automobilformen besteht darin, das validierte 3D-Digitalmodell in eine universelle technische Sprache zu übersetzen, die Werkzeugbauer zur Herstellung der physischen Form verwenden können. Dies umfasst die Erstellung eines umfassenden Pakets technischer Dokumentation, einschließlich detaillierter Zeichnungen und einer Stückliste (BOM). Diese standardisierte Ausgabe ist entscheidend, um sicherzustellen, dass jedes Bauteil exakt nach Vorgabe gefertigt wird, was für eine reibungslose Montage, ordnungsgemäße Funktion und effiziente Wartung der Form von großer Bedeutung ist.

Das Dokumentationspaket dient als maßgeblicher Bauplan für die Werkzeugherstellung. Es muss klar, präzise und eindeutig sein, um kostspielige Fehler auf der Produktionsfläche zu vermeiden. Diese detaillierte Planung zeichnet erfahrene Hersteller im Automobilsektor aus. Beispielsweise Unternehmen wie Shaoyi (Ningbo) Metal Technology Co., Ltd. spezialisiert darauf, diese präzisen Konstruktionspakete in hochwertige Karosseriestanzformen und -komponenten umzuwandeln, wobei fortschrittliche Simulationen und tiefgreifendes Fachwissen genutzt werden, um OEMs und Tier-1-Lieferanten mit außergewöhnlicher Effizienz und Qualität zu unterstützen.

Das endgültige Konstruktionspaket enthält mehrere Schlüsselelemente, von denen jedes einen bestimmten Zweck im Fertigungs- und Montageprozess erfüllt. Die Qualität und Vollständigkeit dieser Dokumentation wirkt sich direkt auf die Leistung und Lebensdauer des fertigen Werkzeugs aus.

Schlüsselelemente eines endgültigen Konstruktionspakets:

• Montagezeichnung: Diese Hauptzeichnung zeigt, wie alle einzelnen Komponenten in der finalen Stanzformanordnung zusammenpassen. Sie enthält Gesamtmaße, Schließhöhe sowie Details zur Befestigung der Form in der Presse.
• Einzelfertigungszeichnungen: Für jede kundenspezifische Komponente, die bearbeitet werden muss, wird eine separate, äußerst detaillierte Zeichnung erstellt. Diese Zeichnungen legen exakte Maße, geometrische Toleranzen, Werkstoffart, erforderliche Wärmebehandlung und Oberflächenbeschaffenheit fest.
• Stückliste (BOM): Die Stückliste ist eine umfassende Aufstellung aller Einzelteile, die zum Bau der Form benötigt werden. Dazu gehören sowohl kundenspezifisch gefertigte Komponenten als auch alle standardmäßigen handelsüblichen Teile wie Schrauben, Federn, Führungsstifte und Buchsen, oft inklusive der Artikelnummern des Lieferanten.