Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWUDie Simulation als Werkzeug für die virtuelle Produktentwicklung ist vor allem in der Automobil- und Luftfahrtindustrie ein wichtiger Bestandteil der Entwicklungskette. Immer breiter wird die Simulation auch für die Entwicklung und Optimierung von Formgebungsprozessen eingesetzt. In der Blechumformung können mit Finite-Element-Programmen (FEM) die Geometrien und Eigenschaften von Bauteilen vorhergesagt und durch eine gezielte Variation der Prozessparameter und der Werkzeugform optimiert werden.
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Simulation
Umformung
Am Fraunhofer IWU werden Blechumformsimulationen mit einer Vielzahl von physikalischen Phänomenen detailliert betrachtet. Dazu gehören der Einfluss der Rückfederung sowie die Berücksichtigung von thermischen Effekten, Hochgeschwindigkeitseffekten sowie von Versagenserscheinungen. Hauptziele der Blechumformsimulation sind die Untersuchung der Herstellbarkeit von Bauteilen sowie die Auslegung und Optimierung der Werkzeuge und Prozesse.
Zerspanung
Eine wichtige Voraussetzung zur Weiterentwicklung spanender Fertigungsverfahren ist die numerische Simulation. Der fortschreitende Entwicklungsstand von Hard- und Software erlaubt dabei immer detailliertere Modelle, unter anderem von Span- und Gratbildung, Werkzeugdesign, Werkzeug- und Werkstückspanntechniken, Schicht-Substrat-Systemen sowie dem Einfluss von Prozesskräften und -temperaturen auf das Bauteilverhalten. Eine enge Verbindung von Simulation und Experiment sichert die erforderliche Realitätsnähe.
Mechanische Fügetechnik
Mechanische Fügeprozesse sind häufig durch komplexe Spannungsverteilungen und hohe lokale plastische Verformungen charakterisiert. Am Fraunhofer IWU werden mit angepassten Prozessmodellen unter Berücksichtigung aller realen Werkzeugbewegungen und -geometrien eine große Bandbreite an mechanischen Fügeverfahren mithilfe der numerischen Simulation untersucht und die wesentlichen Prozesseinflussgrößen nachvollzogen. Zudem bilden wir den Einfluss der Fügeoperationen auf das Bauteil und die gesamte Prozesskette numerisch ab. Ein weiterer Arbeitsschwerpunkt ist die Kopplung der Simulation mit statistischen Methoden für Sensitivitäts-, Optimierungs- und Robustheitsanalyen.
Faser-Kunststoff-Verbunde
Bei der wirtschaftlichen Auslegung und Fertigung von Leichtbaustrukturen, vor allem im Bereich der Verbundwerkstoffe, ist eine verlässliche numerische Simulation von immer größerer Bedeutung. Angefangen mit der Strukturberechnung von Bauteilen und der dazugehörigen optimalen Faserorientierung über die realitätsnahe Prozesssimulation bis hin zur Umsetzung von Crash-Berechnungen kann das Fraunhofer IWU die komplette Prozesskette abdecken.
Elektrische Systeme und Netze
Die Verbesserung der Energieeffizienz ist für die Entwicklung und den Betrieb von Maschinen- und Anlagen von enormer Bedeutung. Durch die Simulation der elektrischen Komponenten ist es möglich, den Leistungs- und Energiebedarf modellbasiert zu bestimmen und zu optimieren. Das Fraunhofer IWU erprobt darauf basierend neue Konzepte, wie z.B. den Einsatz von Energiespeichern zur Senkung von Leistungsspitzen, die unterbrechungsfreie Stromversorgung von Maschinen- und Anlagen oder den automatisierten Wechsel in energetisch günstigere Betriebszustände. Vor dem Hintergrund steigender und sich dynamisierender Energiekosten entwickeln wir Methoden zur Optimierung, Senkung und Flexibilisierung des Energiebedarfs der Fabrik. Durch leistungsflussbasierte Simulation ist es möglich, neue Versorgungs- und Betriebsführungskonzepte für Eigenerzeugungsanlagen und Energiespeicher zu entwickeln.
Fabrik- und Logistiksimulation
Die Untersuchung betrieblicher Vorgänge in Fabriken gestaltet sich oft schwierig, da Daten fehlen oder Experimente kostspielig sind. Die Materialflusssimulation stellt ein probates Mittel dar, um Veränderungen im Fertigungsbereich und komplette Neuplanungen zu analysieren. Das Fraunhofer IWU setzt dabei auf Siemens Plant Simulation und das standardisierte Vorgehensmodell der VDI 3633 Blatt 1. Branchenübergreifende Simulationsprojekte betreut es von der Zieldefinition, über die Datenerhebung und die Implementation bis zur Auswertung. Besondere Kompetenz liegt im Bereich der um Energie erweiterten Materialflusssimulation.