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Dienstag, 02. Juni 2020
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data M auf der Tube 2014 in Düsseldorf

Neue Technologien von data M

COPRA® RF CageForming

COPRA® RF CageForming
Abb. 1: COPRA® RF CageForming

Korb- und Linealeinformung

Das System der Korb- oder Linealeinformung ist ein kontinuierlicher Formprozess durch Gruppen (Balken) von einzelnen, einfachen Rollen und zusätzlichen unterstützenden äußeren und inneren Rollen. Das Hauptziel ist die bei großen Rohrdurchmessern hohen Werkzeugkosten und Einstellzeiten zu reduzieren, da ein Rollenwechsel für verschiedene Rohrdurchmesser nicht notwendig ist.

Obwohl die Flexibilität einer derartigen Anlage große Kostenvorteile bietet, hat diese Methode auch seine Nachteile. Das Formen des Rohrs wird fast ausschließlich von den Korbrollen ausgeführt, was eine bleibende plastische Verformung des Materials sehr schwierig macht. Daher muss ein Großteil der Umformung nur durch die Messergerüste erfolgen, um die hohe Rückfederung zu kompensieren.

Bei dünnem Material kann der dadurch notwendige Druck auf die Bandkanten eine Welligkeit des Materials verursachen, was ein kontrolliertes Schweißen nahezu unmöglich macht. Aus diesem Grund sind gut positionierte Innenrollen für eine kontrollierte Verformung essentiell. Mit einer FEASimulation
können die dafür notwendigen Informationen am effektivsten ermittelt werden.

Bevor eine FEA-Simulation gestartet wird ist die erste und wichtigste Aufgabe das Sammeln aller verfügbaren Daten der Maschine und der Linealpositionen. Dabei ist es äußerst wichtig, dass der Aufbau des Simulationsmodells möglichst genau dem der Maschine entspricht, da dies die Basis für das dazugehörige Ergebnis ist. Die größte Herausforderung bei der Korbeinformung besteht darin, die korrekte Position des Lineals in der Anlage zu definieren.

Wenn keine Konstruktions- und Maschinendaten verfügbar sind, ist es oft schwierig – aber immer noch möglich – die korrekten Einstellungen direkt von der Maschine zu holen. In diesem Fall kann die Linealposition einfach in einem dreidimensionalen Modell definiert werden. So können die Korb-, Rollen- und Achsenpositionen direkt aus dem 3D-Modell abgegriffen werden.

Mit COPRA® RF ist es sehr einfach, auf Basis der leistungsfähigen parametrischen Struktur die verschiedenen Typen von Linealeinformungs-Systemen zu modellieren. Die Linealbalken und -rollen sind entweder vordefiniert oder – wenn es einzeln montierte Rollen gibt – jede Rolle und die zugehörige Position werden über spezifische Tabellen definiert.

Kurz eine Zusammenfassung der individuellen Möglichkeiten, eine Linealanlage zu definieren:

  • In einem COPRA® Projekt können ein oder mehrere unabhängige Lineale hinzugefügt werden
  • Die Linealbalken können zur Wiederverwendung als unabhängige Teile definiert werden
  • Maße kommen aus den Konstruktionszeichnungen oder werden direkt an der Anlage ermittelt
  • Lineal-Definition über die speziellen Eigenschaften der Rollen und die Position der Innenrollen
  • Definition der Position des Innenbalkens für spezielle Rohrprodukte bzw. Durchmesser
  • Überprüfen und definieren der Position eines Linealbalkens in einem 3D-Modell
  • Die Tabellen für die Definition der Balken werden aus dem 3D-Modell automatisch aktualisiert
Einstellung der Balkenpositionen
Abb. 2: Einstellung der Balkenpositionen
Einstellung der Balkendefinition
Abb. 3: Einstellung der Balkendefinition
Besonders bei dünnwandigen Rohren können viele Schwierigkeiten auftreten, wenn die falsche Umformstrategie verwendet wird
Figg. 4: Besonders bei dünnwandigen Rohren können viele Schwierigkeiten auftreten, wenn die falsche Umformstrategie verwendet wird
Welligkeit nach der Bandkanten- Anbiegung
Abb. 5: Welligkeit nach der Bandkanten- Anbiegung
Hochovale Rohrform nach dem Verlassen des Rollenkorbs
Abb. 6: Hochovale Rohrform nach dem Verlassen des Rollenkorbs

Die beiden Bilder oben zeigen einige typische Defekte wie sie in Linealanlagen auftreten: Bandkanten-Welligkeit, verursacht durch die Anbiegerollen und eine hochovale Form, wenn das Rohr aus dem Lineal kommt. Mit der Unterstützung von FEA kann der Rollenaufbau und die beste Einstellung der Balken bereits während der Konstruktion festgelegt werden.

COPRA® FEA RF Advanced Restart

RF Simulation – Schnell – Flexibel – Top-Qualität

Die neuesten Entwicklungen der Rollformsimulationssoftware COPRA® FEA RF haben sich auf wesentliche Verbesserungen der Neustart-Funktionalitäten konzentriert. Die bestehenden Versionen ermöglichen bereits, eine Simulation an einem bestimmten Punkt neu zu starten bzw. die Simulation mit veränderten Rollen fortzusetzen und somit den Optimierungsprozess der Rollenwerkzeuge und der Abwicklungsstrategie signifikant zu beschleunigen.

Leistungsstarkes Rollformen mit Mesh-Refinement
Die verbesserte Neustart-Funktionalität in COPRA® FEA RF erlaubt nun nicht nur eine konstruktive Veränderung der Rollen, sondern auch eine prozessoptimierte Anpassung der Vernetzung an jeder beliebigen Stelle der Simulation. Diese Vernetzung kann vom Benutzer definiert und optimiert werden. Verfeinerungen und zusätzliche Elemente können exakt an der Stelle und zu dem Zeitpunkt definiert werden, wo sie wirklich sinnvoll sind. Das spart zusätzliche Elemente und damit vor allem wertvolle Zeit.

Rollformen mit Mesh-Refinement
Abb. 7: Rollformen mit Mesh-Refinement

Gestern: Vernetzungsdefinition durch Ausprobieren
Bei einer Rollform-Simulation wird die Vernetzung – basierend auf der im COPRA®-Projekt definierten Bandbreite – automatisch vorbereitet. Dabei werden die Biegezonen feiner vernetzt und die unverformten Teile eines Profils mit größeren Elementen beschrieben, um die Berechnungszeit zu optimieren. Allerdings gibt es keine Garantie, dass die vom Benutzer definierte Bandbreitenberechnung dem tatsächlichen Umformverhalten verhalten entspricht.

Abhängig von der Profilform kann das zu einem zeitaufwendigen Ausprobieren mit verschiedenen Vernetzungen führen. Das Problem: die Simulation muss jedes Mal von ganz vorne – also beim flachen Band – begonnen werden, wenn eine verfügbare Re-Meshing-Technologie wie "Adaptive Refinement" nicht ausreichend ist. Zudem werden nicht alle Biegestellen schon von der 1. Station an umgeformt. Stark verfeinerte Bereiche erhöhen daher unnötigerweise die Berechnungszeit der Simulation in den Stationen, in denen diese Biegestellen noch gar nicht geformt werden.

Rollformen mit Mesh-Refinement vs. standardmäßigem “Adaptive Refinement”
Standard FEA-Pakete bieten die Möglichkeit der Neuvernetzung mit der "Adaptive Refinement” Funktionalität. Dabei werden die Elemente in allen drei Ebenen unterteilt. Dies vervielfacht die Rechenzeit, da die Anzahl der Elemente anstelle eines linearen Anstiegs um die 3. Potenz erhöht werden. Wenn beispielsweise ein Element einfach geteilt werden soll, dann entstehen acht neue Elemente – wobei zwei Elemente absolut ausreichend wären. Doppelte Elementanzahl = vierfache Rechenzeit ! Diese Standard-Funktionalität ist daher für das Rollformen absolut unbrauchbar. Es wird ein für die Technologie Rollformen angepasster Remesh-Algorithmus benötigt.

Mit COPRA® FEA RF gibt es das Problem jetzt nicht mehr: Element-Unterteilungen erfolgen nur in der tatsächlich notwendigen Ebene. Damit wird die Anzahl der Elemente gegenüber einem typischen "Adaptive Refinement”, der die bestehenden Elemente in X/Y/Z – Ebene unterteilt, auf ein Minimum reduziert. Elemente, die durch hohe Deformation beschädigt wurden, werden bei Verwendung des "Adaptive Refinement” mit derselben schlechten Qualität in acht Elemente unterteilt. COPRA® FEA RF ersetzt diese Elemente einfach durch neue mit verbesserter Geometrie.

Mit den standardmäßigen "Adaptive Refinement”-Methoden kann man nur reagieren, wenn ein hoher Grad an Verformungen auftritt. Mit COPRA® kann man einen Neustart vor der Verformung der Elemente verwenden und eine konstant hohe Qualität der Vernetzung während der ganzen Simulation garantieren. Das garantiert eine hohe Qualität auch der Berechnungsergebnisse.

Integration des Rollform-Mesh Refinement in COPRA® FEA RF
Das Grundprinzip von COPRA® FEA RF ist es, die einzelnen Schritte für den Benutzer möglichst einfach zu gestalten. Die Software bietet klare Abläufe, mit denen der Anwender die Vernetzung zielgerichtet anpassen kann. Die Änderung der Vernetzung erfolgt immer im flachen Band, das Ergebnis wird auf die bereits verformte Geometrie projiziert. So kann der Benutzer die Veränderungen im verformten Zustand verifizieren und direkt mit den konstruierten Profilen vergleichen. Dann wird das Profil wieder abgewickelt und weitere Anpassungen können vorgenommen werden.

Manuelle Modifikationen auf dem Band
Abb. 8: Manuelle Modifikationen auf dem Band
Verifizieren Sie die verformte Vernetzung in den entsprechenden Profilen
Abb. 9: Verifizieren Sie die verformte Vernetzung in den entsprechenden Profilen

Inline- und Nach-Stanzen unterstützt
Als Alternative dazu kann der Benutzer auch ein Gitternetz von einer bestimmten Station übernehmen, das automatisch von COPRA® FEA RF aufbereitet wurde und – wenn erforderlich – zusätzliche Anpassungen vornehmen. Diese Option ist unter anderem dann sehr hilfreich, wenn zwischen 2 Stationen Inline gestanzt wird: zu diesem Zeitpunkt kann ein Neustart durchgeführt werden, bei dem die automatisch vorbereitete Vernetzung von COPRA® FEA RF importiert wird. Bei diesem Neustart kann der Einfluss der inneren Spannungen auf der Stanz-Geometrie untersucht werden, unabhängig davon, ob noch weitere Stationen folgen oder nicht.

Zusätzliche Funktionen – bequeme Vor- und Nachbereitung
Es versteht sich von selbst, dass alle weiteren Aktivitäten betreffs Finite Elemente wie z.B. die Aktualisierung der Randbedingungen, die Verwaltung von Modellinformationen wie Schweißzugabe oder das Trennen automatisch von der Software berücksichtig werden. Selbstverständlich werden die Simulationsergebnisse auf die neue Vernetzung übertragen. Damit ist sichergestellt, dass die Historie der Umformung auch bei einem Neustart berücksichtigt wird.

Darüber hinaus gibt es die Möglichkeit, die Ergebnisse der einzelnen Simulationen so zu kombinieren, dass alle vorangegangenen Berechnungsergebnisse in der Ergebnisdatei des neu gestarteten Projektes enthalten sind. Das ist z.B. dann von großem Nutzen, wenn die Neustart-Funktion parallel zum Konstruktionsprozess verwendet wird: eine Simulation kann bereits dann gestartet werden, wenn erst einige wenige Stationen konstruiert wurden. Sobald die Konstruktion für weitere Stationen vorliegt, kann ein Neustart mit diesen zusätzlichen Stationen durchgeführt werden, wobei die Ergebnisse aus der vorhergehenden Simulation mit übernommen werden. Die finale Simulation enthält dann alle Ergebnisse der vorhergehenden Simulationen.

Neustart nach dem Herunterfahren oder Stromausfall
Nicht zuletzt ermöglicht die Neustart-Funktion die Fortsetzung einer Simulation, falls diese durch einen Stromausfall abgebrochen wurde – und zwar direkt vom letzten gespeicherten Inkrement.

Der nächste Meilenstein in der Rollform-Simulation
Mit dieser neuen Funktionalität wird die Anwendung flexibler, die Berechnung schneller und es kann mit erheblich weniger Aufwand eine sehr gute Qualität der Berechnungsergebnisse erzielt werden. Es ist nicht mehr notwendig, eine Simulation von Beginn an zu starten, weil das Gitternetz verbessert werden musste. Abhängig von der Profilform und den damit verbundenen Randbedingungen kann die Rechenzeit auf diese Weise um bis zu 50% reduziert werden.

COPRA® ProfileScan Desktop

COPRA® ProfileScan Desktop
Abb. 10: COPRA® ProfileScan Desktop

Kontinuierliche Verbesserung der preisgekrönten, einfachen, sicheren und schnellen Vermessung von Profilquerschnitten

Aufbauend auf den langjährigen Erfahrung im Bereich der Messtechnik hat data M ein komplett neues System entwickelt, das die Vermessung von Profilquerschnitten deutlich vereinfacht und die Effizienz der Messwert-Erfassung signifikant erhöht – den COPRA® ProfileScan Desktop (CPS).

COPRA® Abweichungsdiagramm
Abb. 11: COPRA® Abweichungsdiagramm

Wie in der Softwareentwicklung unterliegt das Gerät einem kontinuierlichen Verbesserungsprozess. Das betrifft vor allem die Messgenauigkeit und Wiederholgenauigkeit als auch die Auswertung der Messergebnisse selbst.

Die CPS-Software wurde um die folgenden Neuerungen erweitert:

  • Für einen direkten Soll- Ist- Vergleich können DXF-Dateien einfach importiert werden
  • Eine direkte Schnittstelle zu COPRA® RF 2013 erlaubt es, einzelne oder alle Querschnitte automatisch zu übertragen
  • Das integrierte Qualitätsdiagramm ermöglicht eine schnelle Prüfung, ob das gemessene Profil innerhalb der Toleranzen liegt
  • Lückenlose Rundum-Messung: durch Parallelisierung der einzelnen Prozesse wird die Anzahl der Aufnahmen deutlich erhöht und das Messergebnis signifikant verbessert

COPRA® FEA RF – Neues aus der Forschung

Induktives Hochfrequenz-Schweißens von Rohren
Abb. 12: Induktives Hochfrequenz-Schweißens von Rohren

Simulation des induktiven Hochfrequenz-Schweißens von Rohren

Bis heute war es extrem schwierig, den Prozess des HF-Schweißens zu simulieren, weil drei verschiedene Simulationen kombiniert werden müssen: elektromagnetisch, thermisch und mechanisch. Im Rahmen einer engen Zusammenarbeit zwischen data M und MSC.Software wurde ein Weg gefunden, wie dieses Problem gelöst werden kann.

Die neuen Möglichkeiten für das HF-Schweißen erlauben eine Kombination der folgenden physikalischen Schritte:

Simulation der Schweißnaht
Abb. 13: Simulation der Schweißnaht
  • Elektro-magnetischer Schritt:
    der Benutzerdefinierte, harmonische Strom in der Induktionsspule erzeugt ein Magnetfeld, das wiederum elektrische Ströme im Rohr induziert. Durch dieses Stromfeld entsteht eine Wärmequellenverteilung, bedingt durch den elektrischen Widerstand des Rohrmaterials. In diesem Schritt werden sowohl das Rohr als auch die umgebende Luft durch ein adäquates Finite Elemente Netz dargestellt.
  • Thermischer Schritt:
    Aus der zuvor berechneten Wärmequellenverteilung wird das Temperaturfeld im Rohr bestimmt. Die höchste Temperatur wird im Berührpunkt der Bandkanten an der Spitze des V- Spalts erreicht, da an dieser Stelle die höchste Energiedichte vorliegt.
  • Mechanischer Schritt:
    Die Temperaturverteilung führt zu einer thermischen Ausdehnung des erhitzten Rohr-materials. Zudem führt die temperaturabhängige Materialbeschreibung zu einer Verände-rung der Festigkeit, bis hin zum schmelzflüssigen Zustand. Gleichzeitig wird das Material durch den Druck der Schweißrollen aus dem Schweißspalt herausgedrückt.

Auch die Rückwärts-Kopplung wird berücksichtigt. Sowohl die geometrische Veränderung des Rohrs als auch die temperaturabhängige Veränderung der Materialeigenschaften führen zu einem veränderten Ansprechen auf das elektromagnetische Feld, welches von der Induktionsspule erzeugt wird.

Diese gekoppelte Simulation erlaubt es nun, die für das Rollformen wichtigen Phänomene wie z.B. Temperaturverteilung im Rohr und die Ausbildung der Schweißnaht im Detail zu untersuchen. Es kann untersucht werden, welcher Teil des Materials aus der Bandkante herausgequetscht wird. Dies ist eines der Kriterien zur Beurteilung der Schweißnahtqualität. Es wird dadurch möglich, Rückschlüsse auf die in der Konstruktion definierte Schweißzugabe und die zugehörige Rollenkonstruktion zu ziehen.

Vor dem Schweißen:Bereich des Materials, der aus der Bandkante gequetscht wird
Abb. 14: Vor dem Schweißen:Bereich des Materials, der aus der Bandkante gequetscht wird
Nach dem Schweißen:Position des aus der Bandkante gequetschten Materials
Abb. 15: Nach dem Schweißen:Position des aus der Bandkante gequetschten Materials

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Bei Rückfragen oder wenn Sie zusätzliche Informationen wünschen, wenden Sie sich bitte an:
Herrn Albert Sedlmaier
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Fax: +49 8024 640-300
datam(at)datam(dot)de

Abzüge frei verfügbar; Belegexemplar erbeten.