Wesentliches Verfahren für die Automotive-Formeneinrichtung: Ein technischer Leitfaden

Zusammenfassung

Das Werkzeug-Einlaufverfahren im Automobilbereich ist ein kritischer, iterativer Prozess, bei dem ein neues Stanzwerkzeug in einer Presse getestet und justiert wird. Diese entscheidende Phase umfasst die Erstellung erster Teile, die Identifizierung von Fehlern wie Rissen oder Faltenbildung sowie präzise Korrekturen am Werkzeug. Das Hauptziel besteht darin, sicherzustellen, dass das Werkzeug bereits vor der Serienproduktion kontinuierlich hochwertige Blechbauteile produziert, die strengen Spezifikationen entsprechen – ein Prozess, der durch moderne virtuelle Simulationstechnologien erheblich beschleunigt wird.

Verständnis des Die-Einlaufprozesses: Definition und Ziele

In der automobilen Fertigung ist der Die-Einlauf der grundlegende Schritt, bei dem ein neu hergestelltes Werkzeug erstmals in eine Presse eingesetzt wird, um die ersten Teile herzustellen. Wie von Stanzexperten bei AutoForm , ist dies kein einmaliger Vorgang, sondern eine intensive Feineinstellungsphase. Es handelt sich um einen systematischen Validierungsprozess, der die Lücke zwischen der Werkzeugkonstruktion und der Serienproduktion schließt. Das Hauptziel besteht darin, zu überprüfen, ob das Werkzeug ein flaches Metallblech in ein komplexes dreidimensionales Bauteil umformen kann, das exakt den Konstruktionsvorgaben entspricht.

Der Prozess ist von Natur aus iterativ und beinhaltet sogenannte „Korrekturschleifen“. Nach einem ersten Umformstempel untersuchen Techniker und Ingenieure das Bauteil akribisch auf Fehler. Diese reichen von sichtbaren Mängeln wie Falten, Rissen und Oberflächenunregelmäßigkeiten bis hin zu dimensionsbezogenen Abweichungen, die nur mit präzisen Messgeräten erfasst werden können. Jeder identifizierte Fehler löst eine Korrekturschleife aus, bei der das Werkzeug durch Schleifen, Beplatten oder andere Anpassungen modifiziert und anschließend erneut getestet wird. Dieser Zyklus wiederholt sich, bis das Werkzeug kontinuierlich Teile der geforderten Qualität liefert.

Das Erreichen dieses Ergebnisses ist das primäre Ziel, doch die Ziele sind vielfältig. Erstens validiert es die Funktionalität und Robustheit des Werkzeugs selbst und belegt, dass Konstruktion und Bau solide sind. Zweitens wird ein stabiler und reproduzierbarer Prozess für die Serienproduktion etabliert, wobei die exakten Presseneinstellungen definiert werden. Für komplexe Automobilbauteile ist diese Validierungsphase äußerst umfangreich und kann Wochen oder sogar Monate dauern. Eine Fallstudie von PolyWorks über Majestic Industries zeigt, dass eine anspruchsvolle Stufenfolge fünf bis acht Iterationen erfordern kann, um sie zu perfektionieren, was die Komplexität und den Ressourcenaufwand unterstreicht, die notwendig sind, um ein serientaugliches Werkzeug zu erreichen.

Das schrittweise Verfahren zur Werkzeug-Erprobung: Von der ersten Umformung bis zur Validierung

Das praktische Werkzeugerprobungsverfahren folgt einer strukturierten Abfolge, um das Werkzeug systematisch zu debuggen und zu validieren. Während der übergeordnete Entwicklungsprozess alle Schritte von der Projektprüfung bis zum Werkzeugdesign umfasst, ist die Erprobungsphase der Zeitpunkt, an dem die Leistung des physischen Werkzeugs nachgewiesen wird. Die Kernschritte wandeln das zusammengebaute Werkzeug von einem nicht verifizierten Tool in ein produktionsbereites Asset um.

Das Verfahren kann in die folgenden Hauptphasen unterteilt werden:

1. Erste Presseneinrichtung und erster Stanzvorgang: Das neu zusammengebaute Werkzeug wird sorgfältig in eine Erprobungspresse eingebaut. Techniker laden das vorgeschriebene Blechmaterial ein und führen den Pressvorgang durch, um die ersten Musterteile herzustellen. In diesem Stadium werden Presseneinstellungen wie Tonnage und Kissenpressdruck angepasst, um eine Grundlinie für die Leistung festzulegen.
2. Teileinspektion und Fehleridentifikation: Die Erstteile werden sofort einer strengen Inspektion unterzogen. Dazu gehören visuelle Kontrollen auf offensichtliche Fehler wie Risse, Falten oder Kratzer. Noch wichtiger ist, dass fortschrittliche Messtechnikgeräte wie Koordinatenmessmaschinen (KMM) oder 3D-Laserscanner verwendet werden, um die Geometrie des Teils mit dem ursprünglichen CAD-Modell zu vergleichen.
3. Fehlersuche und Abdrücken: Werden Abweichungen festgestellt, beginnt die Fehlersuchphase. Eine traditionelle und entscheidende Technik ist das „Abdrücken der Werkzeuge“ ("die spotting"). Wie von Experten bei FormingWorld beschrieben, kann dies beinhalten, dass ein Ingenieur einen blauen Lack auf beiden Seiten des Blechs aufträgt, um eine nicht gleichmäßige Berührung vor dem Abdrücken zu erkennen. Beim Schließen des Werkzeugs zeigt die Übertragung des blauen Lacks Hoch- und Tiefpunkte an und macht sichtbar, wo die Oberflächen nicht perfekt Kontakt haben. Die Techniker korrigieren diese Unregelmäßigkeiten dann manuell durch Schleifen und Polieren, um eine gleichmäßige Druckverteilung sicherzustellen.
4. Iterative Anpassungen und erneutes Stanzen: Basierend auf den Prüf- und Auswertungsergebnissen nehmen erfahrene Werkzeugmacher präzise Änderungen an der Form vor. Dies kann das Schleifen von Umformflächen, das Aufschweißen von Material zur Zugabe von Zusatzstoffen oder das Einlegen von Distanzscheiben zur Anpassung von Spaltmaßen umfassen. Nach jeder Anpassung wird die Form erneut gestanzt, ein neuer Satz Teile hergestellt und geprüft, wodurch die Korrekturschleife von neuem beginnt. Dieser Versuch-und-Irrtum-Zyklus setzt sich fort, bis alle Fehler beseitigt sind.
5. Endgültige Validierung und Freigabe: Sobald die Form kontinuierlich Teile produziert, die allen messtechnischen und qualitativen Spezifikationen entsprechen, wird ein endgültiger Probensatz zur Kundenfreigabe hergestellt. Dieser wird oft von einem Initial Sample Inspection Report (ISIR) begleitet, einem umfassenden Dokument, das detaillierte Messdaten enthält. Wie im Entwicklungsprozess von AlsetteVS beschrieben, dient dieser Bericht als endgültiger Nachweis der Leistungsfähigkeit der Form. Nach Freigabe wird die Form für den Versand an die Produktionsstätte des Kunden vorbereitet.

Häufige Herausforderungen beim Werkzeugablauf und korrigierende Maßnahmen

Der Werkzeugerprobungsprozess ist im Wesentlichen eine Problemlösungsübung, da zahlreiche Herausforderungen verhindern können, dass ein Werkzeug beim ersten Versuch akzeptable Teile produziert. Das Verständnis dieser häufigen Probleme und der entsprechenden Korrekturmaßnahmen ist entscheidend für eine effiziente Erprobung. Zu den am häufigsten auftretenden Fehlerarten gehören Risse, Faltenbildung, Federrücklauf und Oberflächenunvollkommenheiten, die oft auf komplexen Wechselwirkungen zwischen Werkzeug, Material und Presse beruhen.

Zu den häufig auftretenden Hauptproblemen zählen:

• Werkzeugverformung: Während des Stanzvorgangs unter enormen Druckbelastungen können sich das Werkzeug, der Pressenstößel und das Bett physisch verformen oder verbiegen. Dies führt zu einer nicht gleichmäßigen Belastung des Blechs und verursacht somit Fehler. Wie eine Analyse von FormingWorld darlegt, kann diese Verformung bei großen Bauteilen bis zu 0,5 mm betragen und erhebliche Qualitätsprobleme verursachen. Die traditionelle Abhilfemaßnahme besteht in manuellem Aufspüren und Nacharbeiten des Werkzeugs, während moderne Lösungen die Simulation dieser Verformung und eine vorbeugende Kompensation der Werkzeugoberfläche beinhalten – eine Technik, die als „Überkrümmung“ ("over-crowning") bezeichnet wird.
• Faltenbildung und Reißen: Dies sind zwei der häufigsten Umformfehler. Faltenbildung tritt auf, wenn der Halterdruck unzureichend ist und das Blech wellenartig ausbeulen kann. Umgekehrt kommt es zum Reißen oder Brechen, wenn das Metall über seine Grenze hinaus gestreckt wird. Laut einem Artikel in Der Blechverarbeiter , erfordert die Behebung dieser Probleme oft die Anpassung von „Zusatzmerkmalen“ wie Ziehlinien, bei denen es sich um gezielt platzierte Stege handelt, die den Materialfluss in den Formhohlraum steuern.
• Springback: Nachdem der Umformdruck abgebaut ist, führt die inhärente Elastizität hochfester Metalle dazu, dass sie teilweise in ihre ursprüngliche Form zurückfedern. Dieses Phänomen, als Rückfederung bekannt, kann dafür sorgen, dass kritische Maße außerhalb der Toleranz geraten. Die Vorhersage und Kompensation der Rückfederung gehört zu den größten Herausforderungen und erfordert oft mehrere Iterationen beim Nachbearbeiten der Formoberflächen, um das Bauteil gerade so stark überzubiegen, dass es in die korrekte Endform zurückspringt.
• Oberflächenfehler: Für sichtbare Außenteile (Flächen der Klasse A) sind Kratzer, Schrammen oder Verformungen absolut inakzeptabel. Diese können durch schlecht polierte Werkzeugoberflächen, falsche Toleranzen oder Falten verursacht werden, die bereits früh im Stanzprozess aufgrund einer ungeeigneten Halterform entstehen. Sorgfältiges Polieren und präzise Anpassungen sind erforderlich, um eine makellose Oberfläche zu gewährleisten.

Die Rolle der virtuellen Simulation bei der Modernisierung des Werkzeugabnahmeverfahrens

Das traditionelle, manuelle Werkzeugabnahmeverfahren ist zwar wirksam, jedoch zeitaufwändig, arbeitsintensiv und kostspielig. Die Entwicklung leistungsstarker Computer-Aided Engineering (CAE)-Software hat diese Phase revolutioniert, indem sie die „virtuelle Werkzeugabnahme“ eingeführt hat. Bei diesem Ansatz wird der gesamte Stanzprozess am Computer simuliert, bevor physische Werkzeuge hergestellt werden, sodass Ingenieure potenzielle Probleme digital vorhersagen und beheben können.

Die virtuelle Simulation ermöglicht einen tiefgreifenden Wandel von einem reaktiven zu einem proaktiven Ansatz. Statt eines Risses oder einer Falte erst in der Presse zu entdecken, können Ingenieure dies bereits auf dem Bildschirm erkennen und das digitale Werkzeugdesign entsprechend anpassen, um dies zu verhindern. Diese digital-first-Methode bietet zahlreiche Vorteile. Wie in *The Fabricator* erwähnt, kann die Änderung einer Funktion in einer Simulation etwa eine Stunde dauern, während die entsprechende physische Änderung an einem Stahlwerkzeug eine Woche in Anspruch nehmen könnte. Diese erhebliche Reduzierung der Iterationszeit ist ein zentraler Vorteil. Die Fallstudie von PolyWorks unterstreicht dies und stellt fest, dass die Kombination aus 3D-Scanning und Software dabei hilft, die Einrichtzeiten für Werkzeuge um mehr als die Hälfte zu verkürzen.

Anbieter, die auf fortgeschrittene Fertigung spezialisiert sind, wie Shaoyi (Ningbo) Metal Technology Co., Ltd. , nutzen diese CAE-Simulationen, um Präzision und Effizienz für ihre Automobilkunden zu steigern. Durch die digitale Modellierung sämtlicher Aspekte – von Materialfluss über Werkzeugverformung bis zum Federrücklauf – können sie die Werkzeugdesigns optimieren und die Anzahl physischer Korrekturschleifen deutlich reduzieren, was zu einer schnelleren Bereitstellung hochwertiger, zuverlässiger Werkzeuge führt.

Virtueller vs. physischer Probelauf: Ein Vergleich

Obwohl die virtuelle Simulation leistungsstark ist, bleibt der physische Probelauf der endgültige Nachweis für die Leistungsfähigkeit eines Werkzeugs. Beide Methoden sollten am besten als ergänzende Phasen in einem modernen Arbeitsablauf betrachtet werden.

Vom Versuch-und-Irrtum-Ansatz zur präzisen Ingenieurskunst

Das Verfahren zum Probeneinsatz von Werkzeugen in der Automobilindustrie hat sich von einem handwerklichen, auf Erfahrung und Intuition basierenden Vorgehen zu einer hochtechnischen, datengesteuerten Ingenieurdiziplin entwickelt. Während die grundlegenden Ziele, Qualität der Bauteile und Prozessstabilität zu erreichen, unverändert bleiben, haben sich die Methoden zu deren Erreichung gewandelt. Die Integration virtueller Simulationen hat die Abhängigkeit von langsamen, kostspieligen physischen Korrekturschleifen drastisch reduziert und ermöglicht eine zuverlässigere Handhabung komplexerer Bauteile und Materialien. Dieser Wandel beschleunigt nicht nur die Fahrzeugentwicklungszeiten, sondern verbessert auch die endgültige Qualität und Konsistenz von Automobilkomponenten und markiert einen klaren Übergang vom Versuch-und-Irrtum-Prinzip zur Präzisionsengineering.

Häufig gestellte Fragen

1. Was ist ein Werkzeugprobelauf?

Der Tryout ist eine kritische Phase bei der Herstellung von Blechformen, in der ein neu gebautes Werkzeug in einer Presse getestet wird. Es handelt sich um einen iterativen Prozess, bei dem Probeteile gefertigt, auf Fehler wie Risse, Falten oder Maßabweichungen geprüft und anschließend physische Anpassungen an der Form vorgenommen werden. Das Ziel besteht darin, das Werkzeug so lange zu optimieren, bis es durchgängig Teile produziert, die allen Qualitätsanforderungen entsprechen, bevor es für die Serienproduktion freigegeben wird.

2. Welche sind die 7 Schritte des Stanzverfahrens?

Obwohl der Begriff verschiedene Prozesse bezeichnen kann, umfasst eine allgemeine Fertigungssequenz für gestanzte Teile mehrere Schlüsselphasen. Ein allgemeiner Werkzeugentwicklungsprozess beinhaltet: 1. Projektüberprüfung (Anforderungen verstehen), 2. Prozessplanung (Auslegung der Stanzsequenz), 3. Werkzeugdesign (Erstellung des Werkzeugs in CAD), 4. Materialbeschaffung und Bearbeitung (Fertigung der Komponenten), 5. Montage (Zusammenbau des Werkzeugs), 6. Fehlerbehebung und Probelauf (Test und Validierung) sowie 7. Endgültige Validierung und Auslieferung (Freigabe durch den Kunden und Versand). Jeder Schritt ist entscheidend, um sicherzustellen, dass das fertige Werkzeug effizient hochwertige Teile produziert.