Numerische Gestaltoptimierung von Kaltmassivumformwerkzeugen auf Basis eines dreidimensionalen Modells der Werkstück-Werkzeug-Maschinen-Interaktionen

Aktuelle technologische Entwicklungen bezüglich Leichtbaudesign erfordern kaltmassivumgeformte Bauteile mit geringer Masse und hoher Energie- und Werkstoffeffizienz. Zur Erreichung dieser Ziele werden hochfeste Werkstückwerkstoffe und komplexe Bauteilgeometrien eingesetzt. Dies resultiert allerdings in einem Anstieg der Prozesskräfte und infolge dessen in erhöhten mechanischen Werkzeugbelastungen und gesteigerten elastischen Werkzeug- und Maschinenverformungen. Leichtbaudesign intensiviert daher die bereits existierende Problematik der hohen Werkzeugbelastungen in der Kaltmassivumformung. Hieraus ergibt sich eine signifikante Reduktion der Standmenge durch verfrühtes Werkzeugversagen. Die Kenntnis der mechanischen Werkzeugbelastungen während eines Kaltmassivumformprozesses, z.B. durch numerische Prozesssimulationen, ermöglicht die Reduzierung dieser durch eine belastungsgerechte Auslegung der Werkzeuggeometrie. Weiterhin resultieren aus den mechanischen Werkzeugbelastungen Abweichungen in der Werkstückgeometrie infolge der elastischen Werkzeug- und Maschinenverformungen. Für die net-shape Fertigung ist daher ein systematisches Verständnis über die geometrischen Abhängigkeiten zwischen Maschinenverhalten, dem formgebenden Umformwerkzeug und der resultierenden Werkstückgeometrie erforderlich. Grundsätzlich kann eine optimale Werkzeuggeometrie mit Hilfe von mathematischen Algorithmen berechnet werden. Deren Anwendung zur Auslegung von Werkzeugen weist jedoch derzeit zwei Defizite auf. Erstens wird für die Berechnung der Werkzeugbelastungen vor allem die Finite Element Method verwendet. Diese Methode erfordert einen hohen Rechenaufwand für die direkte Berechnung der Werkstück-Werkzeug-Interaktion und macht hierdurch eine iterative Optimierung ineffizient. Zweitens wird aufgrund der Komplexität und der ebenfalls hohen Rechenzeiten der Maschineneinfluss auf die Werkzeugbelastungen meist nicht berücksichtigt. Dadurch weisen die Eingangsgrößen der Optimierung bereits