Kurzbeschreibung zum Forschungsantrag

iwb

1 Forschungsthema

„Simulationsgestützte bauteilbezogene Analyse industriell relevanter Einspannsituationen beim Schweißen“ im Cluster „Anwendungsnahe Schweißsimulation komplexer Strukturen“

2 Wissenschaftlich-technische und wirtschaftliche Problemstellung

Anlass für den Forschungsantrag

Aus Simulationsergebnissen frühzeitig gewonnene Erkenntnisse zur Auswirkung unter-schiedlicher Einspannungsszenarien können für produzierende Unternehmen äußerst wertvoll sein. Dies ist durch die langjährige thematische Erfahrung des Antragsstellers, durch die Auswertung der DVS-Studie „Fügeprozesssimulation - Innovative Anwendungen der Informatik“ sowie durch den auf der ersten Sitzung des Gemeinschaftsausschusses „Anwendungsnahe Schweißsimulation“ vorgestellten Bedarf der Industrie deutlich erkennbar.

Ausgangssituation

Die Zusammenhänge zwischen der Bauteilbelastung beim Schweißen und dem resultierenden Zustand der Fügepartner nach der Bearbeitung sind komplex und unterliegen einer Reihe von Randbedingungen. Als wesentliche Größe ist hierbei die Einspannsituation eines Bauteils zu beachten. Die Möglichkeiten einer belastungs- und bauteilorientierten Anpassung der Spannsituation beim Schweißen werden in der produzierenden Industrie heute nur durch extrem großen experimentellen Aufwand und nicht unter Zuhilfenahme von Simulationsmethoden realisiert.

Stand der Forschung

In den letzten Jahren wurden zahlreiche Methoden zur Schweißsimulation mit dem Ziel einer effizienten Ermittlung des Schweißverzugs entwickelt. Diese Methoden sind zum größten Teil in einige kommerzielle Software-Systeme eingebunden und stehen daher grundsätzlich einem großen Anwenderkreis zur Verfügung. Aufgrund der Komplexität von Schweißprozessen hinsichtlich einer physikalischen Beschreibung auf der Basis numerischer Modelle ist die Skepsis der (potenziellen) Anwender bezüglich der Aussagekraft von Ergebnissen und den allgemeingültigen Einsatzbereichen von reduzierten, aufwandsarmen Modellen groß. Derzeit werden in einigen Forschungsprojekten und -vorhaben (auch innerhalb dieses Clusters) diese reduzierten Modelle im Hinblick auf ihre Stabilität analysiert, um definierte potenzielle Einsatzbereiche aufzeigen zu können. Eine systematische Untersuchung des Einflusses der Einspannbedingungen auf den Verzug ist allerdings bislang noch nicht durchgeführt worden. Einspannbedingungen werden bislang höchstens als ein Faktor unter vielen in mehrfaktoriellen Versuchsreihen simulativ und in realen Schweißversuchen untersucht.

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3 Forschungsziel / Ergebnisse / Lösungsweg

3.1 Forschungsziel

Als Ziel dieses Teilprojekts sollen Erkenntnisse im Hinblick auf szenarienabhängige Richtlinien zur Gestaltung der Einspannsituation gewonnen werden. Es werden als Ausgangsbasis vier beispielhafte, in der Industrie etablierte Spannvorrichtungen betrachtet. Für diese sollen allgemein gültige Modelle entwickelt werden, welche im Rahmen einer kommerziellen Schweißsimulation eingesetzt werden können. Um zu diesem Ziel zu gelangen, ist angedacht, diverse beispielhafte Fertigungsszenarien in der Simulation abzubilden. Dabei werden Einspannungen in der Simulation nicht als mechanische Randbe-dingungen angesehen, sondern als Belastung, welche maßgeblichen Einfluss auf das Entstehen der strukturmechanischen Bauteilreaktion besitzt. Eine Variation dieser Belas-tung über Modifikationen des Orts und der Intensitätsverteilung beeinflusst das resultierende Bauteilverhalten wesentlich. Eine im Entwicklungsstadium frühzeitige simulationsbasierte Auslegung birgt durch die Verringerung aufwändiger Vorversuche ein hohes Einsparpotenzial.

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3.1.1 Innovativer Beitrag der angestrebten Forschungsergebnisse

Das Potenzial zur Verzugsoptimierung beim Schweißen, welches durch eine optimal ausgelegte Einspannvorrichtung erreicht werden kann, wird heute vielfach nicht erkannt. Zwar existieren in produzierenden Unternehmen Erfahrungen hinsichtlich einer Variation der Einspannstellen, allerdings werden diese bauteilgeometriespezifisch unter hohem Versuchsaufwand gewonnen. Simulationsmethoden zur Verringerung dieses Versuchsaufwands werden derzeit nicht eingesetzt. Mit den Ergebnissen dieses Forschungsvorhabens soll die Eignung existierender und im Rahmen dieses Teilprojekts weiterentwickelter Methoden hinsichtlich einer wirtschaftlichen Auslegung und Optimierung von Spannvorrichtungen gezeigt werden. Als innovativ gilt dabei, dass ein einmal ausgelegter, stabiler Schweißprozess beibehalten werden kann, während das Potenzial einer Variation der Spannbedingungen als wesentlicher Faktor zur Entstehung strukturmechanischer Bauteilreaktionen durch die Simulation gezeigt werden und dann zielgerichtet am realen Produktionssystem umgesetzt werden kann.

Das Erreichen industriell umsetzbarer Ergebnisse und Erkenntnisse während der Laufzeit dieses Teilprojekts wird durch die einzig auf den Aspekt der Einspannmodellierung konzentrierten Zielsetzung und die Auswahl der industriell relevanten Demonstratorbauteile und Spannsysteme unterstützt.

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3.2 Lösungsweg zur Erreichung des Forschungszieles

3.2.1 Methodischer Ansatz

Das wesentliche Ziel des Forschungsvorhabens besteht darin, Modellierungsmethoden von Einspannsituationen zu entwickeln und im Rahmen einer kommerzieller Schweißsimulation zu etablieren. Durch eine simulationsgestütze Auslegung und Anpassung von Einspannungsvorrichtungen kann das Verzugsverhaltens geschweißter Bauteile optimiert werden. Dabei ist der Bauteilverzug beim Schweißen als eine Reaktionsgröße auf die Einbringung von Energie in das Bauteil zu sehen. Neben der thermischen Energie des Schweißprozesses ist vor allem die Einspannsituation maßgeblich an der Einstellung eines definierten Verzugszustands beteiligt. Die im Rahmen dieses Vorhabens zu untersuchenden Einflussgrößen der Einspannung sind durch folgende Parameter definiert:

Spannsysteme Abbildung 1: Zu untersuchende, industriell relevante Spannsysteme des Forschungs-vorhabens

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4 Durchführende Forschungsstelle

Name und Anschrift der Forschungsstelle
Institut für Werkzeugmaschinen und Betriebswissenschaften (iwb)
Technische Universität München
Boltzmannstr. 15
85748 Garching bei München

Leiter der Forschungsstelle
Prof. Dr.-Ing. Michael F. Zäh
E-Mail: michael.zaeh@iwb.tum.de
Tel.: 089/289-15501

Projektleiter
Dipl.-Ing. Loucas Papadakis
E-Mail: loucas.papadakis@iwb.tum.de
Tel.: 089/289-15535

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