Zugl.: Dresden, Techn. Univ., Diss., 2007

Ziel dieser Masterarbeit ist die Untersuchung neuartiger Prägeformkonzepte hinsichtlich ihres Prägeverhaltens. Die Konzepte weisen lokal unterschiedliche Materialeigenschaften auf, die zu einer verbesserten Ausprägung von Karton führen sollen. Die Konzepte sollen anhand der Prägeergebnisse und der Abformgenauigkeit evaluiert werden. Dabei ist ein weiteres Ziel der Arbeit, Methoden zur Quantifizierung der Abformgenauigkeit zu finden. Die Herstellung der Konzepte erfolgt mithilfe eines additiven Fertigungssystems, welches mehrere Materialien in einem Bauvorgang verarbeiten kann. Zur Datengewinnung werden Oberflächenscans der geprägten Kartonproben und Werkzeuge durchgeführt. Auf Grundlage dieser Scans werden drei Methoden zur Ermittlung der Abformgenauigkeit vorgeschlagen. Abschließend werden die Werkzeuge anhand der Prägeergebnisse und der ermittelten Abformgenauigkeit bewertet. Weiterhin werden die vorgeschlagenen Methoden miteinander verglichen und deren Vor- und Nachteile diskutiert. Dies gibt Auskunft darüber, unter welchen Bedingungen der Einsatz welcher Methode sinnvoll erscheint.:1. Einleitung 2. Theoretische Grundlagen 2.1 Umformprozesse 2.1.1 Prägen von Faserwerkstoffen 2.1.2 Einsatz von Niederhaltern beim Umformen von Blechen 2.1.2.1 Tiefenziehen 2.1.2.2 Tiefen 2.1.3 Einsatz von Niederhaltern beim Umformen von Karton 2.1.3.1 Ziehen und Pressformen 2.1.3.2 Hydroformen 2.2 Multi-Material-Verarbeitung in der additiven Fertigung 2.2.1 Materialextrusion 2.2.2 Badbasierte Photopolymerisation 2.2.3 Material Jetting 2.2.4 Pulverbettbasiertes Schmelzen 2.2.5 Workflow und Datenvorbereitung 2.3.6 Geeignete Dateiformate 2.3 Soll-Ist-Vergleich von 2.5D-Oberflächendaten 2.3.1 Berechnung von Flächeninhalten und Volumen 2.3.2 Registrierung und Abstandsberechnung von Punktwolken 3. Versuche und Messungen 3.1 Herstellung der Prägeformkonzepte 3.1.1 Beschreibung der Konzepte 3.1.2 Fertigungstechnologie und Materialwahl 3.1.3 Datenvorbereitung für die Polyjet-Fertigung 3.2 Prägeversuche und Datenverarbeitung 3.2.1 Prägeversuche 3.2.2 Oberflächenscan am Keyence 3D-Makroskop 3.3 Ermittlung der Abformgenauigkeit 3.3.1 Flächen- und Volumenberechnung in MatLab & CloudCompare 3.3.2 Abformgenauigkeit nach ICP-Algorithmus & Abstandsberechnung 4. Ergebnisse und Diskussion 4.1 Betrachtung der Prägewerkzeuge 4.2 Betrachtung der Kartonprägungen 4.2.1 Prägeergebnisse nach Flächeninhalt der Profilschnitte 4.2.2 Einfluss der Faserlaufrichtung auf Kartonprägungen 4.2.3 Prägeergebnisse nach Volumen der Punktwolken 4.3 Betrachtung der Abformgenauigkeit 4.3.1 Abformgenauigkeit nach Flächeninhalt & Volumen 4.3.2 Abformgenauigkeit nach ICP-Algorithmus & Abstandsberechnung 4.4 Bewertung der Methoden zur Ermittlung der Abformgenauigkeit 4.5 Beurteilung des Bedienereinflusses bei der Datenverarbeitung am Keyence 5. Zusammenfassung und Ausblick Literaturverzeichnis Eidesstattliche Erklärung / The aim of this master thesis is to investigate novel embossing die concepts with regard to their embossing behavior. The concepts have locally different material properties, which should lead to an improved embossing of cardboard. The concepts are to be evaluated on the basis of the embossing results and the impression accuracy. A further aim of the work is to find methods for quantifying the impression accuracy. The concepts will be manufactured using an additive manufacturing system that can process multiple materials in a single build process. Surface scans of the embossed cardboard samples and tools are performed to obtain data. Based on these scans, three methods are proposed to determine the impression accuracy. Finally, the tools are evaluated based on the embossing results and the determined impression accuracy. Furthermore, the proposed methods are compared with each other and their advantages and disadvantages are discussed. This provides information on the conditions under which the use of which method appears to be sensible.:1. Einleitung 2. Theoretische Grundlagen 2.1 Umformprozesse 2.1.1 Prägen von Faserwerkstoffen 2.1.2 Einsatz von Niederhaltern beim Umformen von Blechen 2.1.2.1 Tiefenziehen 2.1.2.2 Tiefen 2.1.3 Einsatz von Niederhaltern beim Umformen von Karton 2.1.3.1 Ziehen und Pressformen 2.1.3.2 Hydroformen 2.2 Multi-Material-Verarbeitung in der additiven Fertigung 2.2.1 Materialextrusion 2.2.2 Badbasierte Photopolymerisation 2.2.3 Material Jetting 2.2.4 Pulverbettbasiertes Schmelzen 2.2.5 Workflow und Datenvorbereitung 2.3.6 Geeignete Dateiformate 2.3 Soll-Ist-Vergleich von 2.5D-Oberflächendaten 2.3.1 Berechnung von Flächeninhalten und Volumen 2.3.2 Registrierung und Abstandsberechnung von Punktwolken 3. Versuche und Messungen 3.1 Herstellung der Prägeformkonzepte 3.1.1 Beschreibung der Konzepte 3.1.2 Fertigungstechnologie und Materialwahl 3.1.3 Datenvorbereitung für die Polyjet-Fertigung 3.2 Prägeversuche und Datenverarbeitung 3.2.1 Prägeversuche 3.2.2 Oberflächenscan am Keyence 3D-Makroskop 3.3 Ermittlung der Abformgenauigkeit 3.3.1 Flächen- und Volumenberechnung in MatLab & CloudCompare 3.3.2 Abformgenauigkeit nach ICP-Algorithmus & Abstandsberechnung 4. Ergebnisse und Diskussion 4.1 Betrachtung der Prägewerkzeuge 4.2 Betrachtung der Kartonprägungen 4.2.1 Prägeergebnisse nach Flächeninhalt der Profilschnitte 4.2.2 Einfluss der Faserlaufrichtung auf Kartonprägungen 4.2.3 Prägeergebnisse nach Volumen der Punktwolken 4.3 Betrachtung der Abformgenauigkeit 4.3.1 Abformgenauigkeit nach Flächeninhalt & Volumen 4.3.2 Abformgenauigkeit nach ICP-Algorithmus & Abstandsberechnung 4.4 Bewertung der Methoden zur Ermittlung der Abformgenauigkeit 4.5 Beurteilung des Bedienereinflusses bei der Datenverarbeitung am Keyence 5. Zusammenfassung und Ausblick Literaturverzeichnis Eidesstattliche Erklärung

Konsequent betriebener Leichtbau führte und führt weiterhin zu steigender Komplexität in der Blechumformung. Erkenntnisse aus Forschungsaktivitäten zur gezielten Beeinflussung, Regelung und Vollautomatisierung des Tiefziehprozesses konnten jedoch bisher nicht in Großserienpresswerke transferiert werden. Aus diesem Grund wird in dieser Arbeit ein Werkzeugkonzept vorgestellt, welches unter Berücksichtigung der relevanten Randbedingungen eine gezielte lokale Beeinflussung des Umformprozesses ermöglicht. Gleichzeitig gestattet es, mit Hilfe eines neuartigen, optischen Sensorkonzeptes die Geschwindigkeit sowie den Einlaufweg der Platine zu überwachen. Es wird eine methodische Vorgehensweise zur Herstellung von Umformwerkzeugen, auf der neuen Konzeption basierend, beschrieben. Umformsimulationen dienen dabei zur Identifikation von kritischen Bauteilen und deren neuralgischen Zonen. Eine entsprechend angepasste Konstruktion bietet Bauraum für die Implementierung von zusätzlichen Aktuatoren und einem definiert elastischen Einsatz. Abschließende FEM-Analysen mit Volumenmodellen sowie die Kalkulation der Lebensdauer bestätigen eine ausreichende Flexibilität und die erforderliche Dauerfestigkeit. Im Rahmen der experimentellen Analyse konnte eine drastische Verkürzung der Anlaufzeit durch deutlich reduzierten Tuschieraufwand aufgrund der Anpassungsfähigkeit sowie Flexibilität des definiert elastischen Werkzeugkonzeptes nachgewiesen werden. Neben diesem Potential hinsichtlich strukturierter Inbetriebnahmen ermöglicht die Konzeption eine Kompensation von Pressenunterschieden und individuellen Maschinencharakteristika (wie bspw. Stößelverkippungen) wodurch der Transfer von der Einarbeitspresse auf die Produktionsanlage wesentlich weniger Korrekturschleifen hervorruft. Außerdem werden der Qualitätsaufwand (Nachtuschieren) während der laufenden Serienproduktion, Stillstandszeiten und Ausschussquoten stark verringert. Darüber hinaus ergeben sich erweiterte Anwendungsmöglichkeiten bei der Umformung von tailored blanks und aus der Minimierung/Optimierung des Platinenzuschnittes enorme Einsparungs- und Kostenpotentiale. Abschließend werden die Vorteile eines geschlossenen Prozessregelkreises durch die Verknüpfung von Sensorik und Aktorik analysiert. Dabei bestätigt das vorgeschlagene Regelkonzept einer Prozessnachführung die Erhöhung der Prozessstabilität bei schwankenden Prozessparametern durch die gezielte, lokale Verteilung der Flächenpressung. Zuletzt diskutiert der vorliegende Beitrag Transfermöglichkeiten der Verbesserungspotentiale in kommende Serienwerkzeuge vor dem Hintergrund von Kostenrestriktionen und Minimierung des bedientechnischen sowie konstruktiven Aufwandes.

Konsequent betriebener Leichtbau führte und führt weiterhin zu steigender Komplexität in der Blechumformung. Erkenntnisse aus Forschungsaktivitäten zur gezielten Beeinflussung, Regelung und Vollautomatisierung des Tiefziehprozesses konnten jedoch bisher nicht in Großserienpresswerke transferiert werden. Aus diesem Grund wird in dieser Arbeit ein Werkzeugkonzept vorgestellt, welches unter Berücksichtigung der relevanten Randbedingungen eine gezielte lokale Beeinflussung des Umformprozesses ermöglicht. Gleichzeitig gestattet es, mit Hilfe eines neuartigen, optischen Sensorkonzeptes die Geschwindigkeit sowie den Einlaufweg der Platine zu überwachen. Es wird eine methodische Vorgehensweise zur Herstellung von Umformwerkzeugen, auf der neuen Konzeption basierend, beschrieben. Umformsimulationen dienen dabei zur Identifikation von kritischen Bauteilen und deren neuralgischen Zonen. Eine entsprechend angepasste Konstruktion bietet Bauraum für die Implementierung von zusätzlichen Aktuatoren und einem definiert elastischen Einsatz. Abschließende FEM-Analysen mit Volumenmodellen sowie die Kalkulation der Lebensdauer bestätigen eine ausreichende Flexibilität und die erforderliche Dauerfestigkeit. Im Rahmen der experimentellen Analyse konnte eine drastische Verkürzung der Anlaufzeit durch deutlich reduzierten Tuschieraufwand aufgrund der Anpassungsfähigkeit sowie Flexibilität des definiert elastischen Werkzeugkonzeptes nachgewiesen werden. Neben diesem Potential hinsichtlich strukturierter Inbetriebnahmen ermöglicht die Konzeption eine Kompensation von Pressenunterschieden und individuellen Maschinencharakteristika (wie bspw. Stößelverkippungen) wodurch der Transfer von der Einarbeitspresse auf die Produktionsanlage wesentlich weniger Korrekturschleifen hervorruft. Außerdem werden der Qualitätsaufwand (Nachtuschieren) während der laufenden Serienproduktion, Stillstandszeiten und Ausschussquoten stark verringert. Darüber hinaus ergeben sich erweiterte Anwendungsmöglichkeiten bei der Umformung von tailored blanks und aus der Minimierung/Optimierung des Platinenzuschnittes enorme Einsparungs- und Kostenpotentiale. Abschließend werden die Vorteile eines geschlossenen Prozessregelkreises durch die Verknüpfung von Sensorik und Aktorik analysiert. Dabei bestätigt das vorgeschlagene Regelkonzept einer Prozessnachführung die Erhöhung der Prozessstabilität bei schwankenden Prozessparametern durch die gezielte, lokale Verteilung der Flächenpressung. Zuletzt diskutiert der vorliegende Beitrag Transfermöglichkeiten der Verbesserungspotentiale in kommende Serienwerkzeuge vor dem Hintergrund von Kostenrestriktionen und Minimierung des bedientechnischen sowie konstruktiven Aufwandes.