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Sonntag, 24. September 2017
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COPRA® RollForm in der 1., 2. und 3. Generation...

Technische Information

Dazu werfen wir am besten einen kurzen Blick zurück auf die Entwicklung der technischen Berechnung der theoretischen Materialdehnungen.

1. COPRA® Generation
Berechnung der Bandkantendehnung

Dem Verlauf der Bandkante ist in der Vergangenheit stets eine große Bedeutung zugeschrieben worden, wenn es darum ging, Profilblumen zu konstruieren. Größtes Problem war es stets, den Verlauf der Bandkante richtig zu berechnen und die daraus folgenden Bandkantendehnungen und - spannungen. Eine ganze Reihe von Autoren haben sich mit diesem Thema beschäftigt. Es wurden auch an den verschiedensten Stellen im In- und Ausland Softwareprogramme entwickelt, die alle das gleiche Ziel hatten: die Berechnung der Bandkantenspannung.

Es wurden die unterschiedlichsten Annahmen getroffen. Die eine Gruppe definierte maximal zulässige Spannungswerte, andere setzten voraus, daß die Bandkante nicht über einen bestimmten Wert hinaus gedehnt werden dürfe. Nach dem Hook´schen Gesetz übrigens beides dasselbe.

Die  Bandkantendehnung wurde durch trigonometrische Formeln berechnet. Einige Ansätze berücksichtigten den Gerüstabstand zwischen den einzelnen Umformstufen oder die Länge der zu biegenden Schenkel. In einigen (wenigen) Fällen wurde auch eine sogenannte Einformlänge anstatt Gerüstabstand verwendet. Die Berechnungsalgorithmen blieben aber stets die gleichen.

Prinzipiell wurden zwei unterschiedliche Ansätze für diese Berechnungen herangezogen. Einer nach Schulze, der einen geradlinigen Verlauf der Bandkante postulierte und der andere nach Pawalkat, der besagte, daß die Einformlänge vom Rollenwerkzeug abhängt. Hier war der Rollendurchmesser ausschlaggebend. Die Einformlänge war die Kontaktlinie von Blech und Werkzeug.

Bild: Ansätze zur Berechnung der Bandkantendehnung

1987, als die erste kommerzielle COPRA®-Version freigegeben wurde, war die Methode nach Schulze implementiert.
Nachfolgend ein einfaches Beispiel - nach dieser Methode gerechnet:

Nach der Methode von Schulze (Dreiecksansatz) beträgt die theoretische Kantendehnung hier ca. 0,9% (die Spannungen konnten gemäß dem Hook´schen Stoffgesetz daraus abgeleitet werden). Mit einem angenommenen maximalen Dehnungswert von 0,35% wäre diese Konstruktion damals also  zum Scheitern verurteilt gewesen.

Was hätte dieses Berechnungsprogramm für die Bandkantenspannung aber geliefert, wenn es sich nicht um ein U-Profil, sondern eins mit Umschlag gehandelt hätte?





Für jeden Profilierer liegt es auf der Hand: Wenn obiges U-Profil schon nach unserer Berechnung versagen soll, dann wird jenes mit   Falzumschlag sicherlich ebenfalls diese hohen Bandkantenwerte liefern!
Aber weit gefehlt! Die berechneten Werte liegen um Größenordnungen unter dem des einfachen UProfiles, nämlich bei 0,25% Dehnung.

Warum das alles?
Die Antwort ist ganz einfach. Für das Computerprogramm war die Bandkante nicht identisch mit der in Wirklichkeit kritischen Kante. Die in der Praxis wesentlichen Bereiche des Profilquerschnittes liegen also nicht unbedingt an der Bandkante, sondern oftmals ganz woanders.
Spezielle Einformtechniken, wie z.B. "ins Tal fahren" oder Drehen des Profilquerschnittes würden diesen Effekt noch verstärken.

-> Ein Berechnungsprogramm, das nur die Bandkante betrachtet, ist also höchst gefährlich.
Übrigens - Sie finden eine gleichartige Berechnungsmethode auch heute noch (Stand Juli 2003) unverändert (und als einzige Berechnungsmethode) in dem seit 1987 angebotenen Softwareprogramm "Profil"...

Auf Grund der Einschränkungen der oben beschriebenen und lange veralteten Methode wurde bei data M bereits 1988 eine neue Software freigegeben, nämlich die "2. Generation"...

2. COPRA® Generation
Das COPRA® Drahtmodell

Die Grundidee war folgende:
Die einzelnen Profilquerschnitte in der Profilieranlage wurden durch ein "Fadenmodell" dargestellt. Man kann sich das so vorstellen, als ob durch die einzelnen Querschnitte einzelne Gummifäden durchgefädelt werden. Wenn nun das ganze Modell gestreckt wird (wobei die einzelnen Längen den Gerüstabständen bzw. Einformlängen entsprechen), dehnen sich die einzelnen Gummifäden unterschiedlich. Die jeweiligen Längsdehnungen entsprechen dann den jeweiligen Materialdehnungen.
Der Berechnungsansatz bleibt also unverändert ein Dreiecksansatz, die Ergebnisse für komplexe Profilformen konnten aber erheblich verbessert werden.
Praktisch als Nebeneffekt liefert die Darstellung ein übersichtliches 3D-Bild. Wesentlich an dieser Darstellung ist aber nicht  das dreidimensionale Bild, sondern die farbige Darstellung der Ergebnisse. Der Konstrukteur erkennt nun die jeweiligen Dehnungswerte im Profil - sowohl nach Größe als auch Lage / Position.



In unserem Beispiel des U-Profils sehen wir genau die Werte, die wir bereits erwartet hätten.
Das COPRA® Berechnungsmodell der 2. Generation hat also diese Mängel der Bandkantenberechnung ausgeschaltet.

Obwohl das oben dargestellte "Drahtmodell" in der Lage ist, wesentliche Parameter bei der Profilkonstruktion zu berechnen, hat es doch stets eine wesentliche Einschränkung:
Es rechnet nach dem Dreiecksansatz und setzt eine geradlinige Einformung des Blechbandes voraus. Die Industrie verlangte aber nach genaueren Methoden um die immer komplexer werdenden Profilformen in den Griff zu bekommen. Die Lösung fanden wir in der...

3. COPRA® Generation
COPRA® RF DTM (Deformation Technology Module)

Nachfolgend ist das Beispiel U-Profil nochmals dargestellt, diesmal berechnet mit dem COPRA® RF Formänderungs-Technologie Modul COPRA® RF DTM.

Hier werden die Parameter wie Werkzeugdurchmesser, deren Lage, Blechdicke, Material, Profilform etc. berücksichtigt und daraus eine idealisierte Einformkurve berechnet. Erstmals ist es hier auch möglich, die Werte für Ober- und Unterseite des Bandes getrennt zu bestimmen.
Die in der Software implementierten Programme bestimmen die Dehnungswerte genauer als alle bisher bekannten kommerziellen Rollformprogramme. Die beiden dargestellten Diagramme zeigen übrigens Werte von Längs- und Querformänderungen, die lokal wesentlich höher sind, als wir das erwartet hätten.

Das Glätten der im Diagramm aufgeführten Dehnungsspitzen durch Optimieren der Umformblume bedeutet  weniger Materialbeanspruchung. Die Erfahrung unserer Kunden zeigt übrigens eine geringere Stromaufnahme der Antriebsmotoren, wenn ein Rollensatz mit COPRA® RF DTM optimiert worden ist. Abgesehen vom geringeren Stromverbrauch heißt eine verringerte Umformarbeit aber auch gleichzeitig reduzierte   Materialdehnungen.

Mit COPRA® RF DTM kann der Profilkonstrukteur Fehler in der Auslegung der Rollenwerkzeuge frühzeitig erkennen und damit hohe Folgekosten vermeiden. Die bekannten "Bauchschmerzen" beim Einfahren eines neuen Werkzeugsatzes rühren ja nicht zuletzt daher, dass die einzige Möglichkeit, einen Rollensatz auszuprobieren bisher Fertigen und Einfahren bedeutete. Das Schlagwort Simulation bedeutet also nicht nur Verbesserung der Produktqualität sonder vor allem auch eine Reduzierung von Folgekosten aufgrund unnötiger Nacharbeiten (von Rollen) und Maschinenausfallzeiten.

Neben Profilierbetrieben und Maschinenherstellern weltweit haben sich vor allem einige Stahlhersteller für den Einsatz dieses Programms entschieden. Durch die kurze Rechenzeit von COPRA® RF DTM sind die jeweiligen F+E-Abteilungen jetzt in der Lage, ihre Kunden (also wiederum die Profilhersteller) beim Auslegen Ihrer Rollenwerkzeuge zu beraten und zu unterstützen. Es lassen sich hier in vielen Fällen auch Studien anstellen, ob denn nun fehlerhaftes Material oder eine fehlerhafte Werkzeugkalibrierung Ursache für gewisse Probleme sind. Die konsequente Ergänzung dieses leistungsfähigen Bausteines ist nunmehr in der Finite Elemente Applikation COPRA® FEA RF zu finden.