This thesis elaborated within a master degree in 23-03-T002 line, introduces a suggestion of production technology of part „Ring“ by sheet metal forming out of deep-drawing steel W.Nr. 1.0338. Supposed production amount is 250 000 pieces per year. Based on a literary study of problematic of sheet forming for this required part regarding production series, technologies of this of deep drawing and cutting were chosen. According to performed technological calculations, a production process of seven operations was designed. A sequence automatic machine Paust 40 (VVB WMW), was cousin for this suggested process. This machine is particularly appointed for big series and wholesale production of impressions of sheet metal. It is equipped with mechanization and therefore creates a fully automatic line. A tool was designed for this chosen type of machine. Project includes economical evaluations of elaborated of production technology.

The aim of diploma thesis is to design technology components production orders. For a given part of the technology will be used non conventional deep drawing Wheelon method. For manufacturing lengthwise recesses and consequent cutting of shaped holes using a plasma cutting. The suitability of technological applications will be tested using the cost functions.

Die Analyse des Standes der Technik zu Simulationsmethoden im Werkzeugentwicklungsprozess zeigt die breiten Bestrebungen ganzheitliche Modelle zur Abbildung der Maschinen- und Werkzeugeigenschaften in der Prozesssimulation zu schaffen um die Werkzeuginbetriebnahme in Zukunft in die virtuelle Welt überführen zu können. Dabei werden die Einflüsse wie die Stößelkippung unter Last, die Durchbiegung der Werkzeugaufspannplatten, die Verformung des Ziehkissens und die elastische Nachgiebigkeit der Werkzeuge separat betrachtet. Es konnte kein Simulationsmodell identifiziert werden, welche alle relevanten Eigenschaften der Werkzeuge und der Maschinen zu einem Gesamtmodell vereint. Zudem fehlten Modellierungsansätze für wesentliche Teilaspekte einer ganzheitlichen Abbildung der Wechselwirkungen von Maschine, Werkzeug und Prozess. Insbesondere ist dabei die systematische Untersuchung zur Abbildung des Pinolentragbildes sowohl örtlich als auch über dem Pressenhub und der versteifende Einfluss der Werkzeugführung zu nennen. Mit der vorliegenden Arbeit konnte ein ganzheitliches FE-Prozessmodell mit den wesentlichen elastischen Eigenschaften der Maschine und der Werkzeuge erstellt werden. Wichtig ist dabei insbesondere die systematische Abbildung relevanter mechanischer Ziehkissenstrukturen als Ersatzmodell und die Integration der tatsächlichen Ziehkissenkraft im Prozessmodell. Bekannte Modellierungsansätze wie z.B. die Abbildung der Kippsteifigkeit des Stößelsystems und die Berücksichtigung der Durchbiegung der Werkzeugaufspannplatten wurden weiterentwickelt und in das Gesamtmodell implementiert. Für jedes Ersatzmodell wurde eine Strategie zur Modellerstellung und zur zweckmäßigen Parametrierung mit dem Ziel eines minimalen Zeit- und Kostenaufwandes vorgeschlagen. Die elastische Modellierung der Werkzeuge wurde mit einer systematischen Vorgehensweise hinterlegt und zeigt bei konsequenter Anwendung signifikant reduzierte Berechnungszeiten. Die Berücksichtigung der Ziehstäbe erfolgt in dieser Arbeit aufgrund der Einschränkungen des verwendeten FE-Solvers als Strukturmodell. Zusätzlich wurde ein Modellierungsansatz vorgestellt, welcher die analytische Berücksichtigung der Ziehstäbe auf elastischen Werkzeugstrukturen ermöglicht. Damit steht jetzt ein Prozessmodell mit den relevanten Maschinen- und Werkzeugeigenschaften zur Verfügung, welches durch eine einfache Parametrierung auf die jeweilige Prozess-Maschinen-Konfiguration angepasst werden kann. Dies ermöglicht eine deutlich genauere Abbildung des Pinolentragbildes, der daraus resultierenden Niederhalterdruckverteilung und damit des Materialeinzuges in die Matrize. Dieses erweiterte Prozessmodell ist damit in der Lage eine virtuelle Inbetriebnahme der Werkzeuge zu unterstützen und in Zukunft eine weitere Verkürzung des Inbetriebnahmeprozesses zu ermöglichen.:I. Inhaltsverzeichnis I II. Formelzeichen und Abkürzungen V II.1. Formelzeichen V II.2. Abkürzungen VI 1 Einführung 2 2 Stand der Technik 4 2.1 Modellierung des Blechwerkstoffes 6 2.1.1 Strukturelle und funktionale Abbildung 6 2.1.2 Ermittlung der Parameterwerte 9 2.2 Reibungsverhältnisse in der Kontaktfuge 10 2.2.1 Strukturelle und funktionale Abbildung 11 2.2.2 Ermittlung der Parameterwerte 11 2.3 Karosserieziehwerkzeuge 12 2.3.1 Prinzip und Bedeutung für den Umformprozess 12 2.3.2 Wechselwirkungen im Gesamtsystem Presse-Werkzeug-Prozess 15 2.3.3 Strukturelle und funktionale Abbildung in der FE-Prozesssimulation 16 2.3.4 Ermittlung der Parameterwerte 18 2.4 Pressen der Blechumformung 18 2.4.1 Prinzip und Bedeutung für den Umformprozess 18 2.4.2 Wechselwirkungen im Gesamtsystem Presse-Werkzeug-Prozess 22 2.4.3 Strukturelle und funktionale Abbildung der Maschine in der Prozesssimulation 26 2.4.4 Ermittlung von Pressenparameter 30 2.5 Werkzeugentwicklung und -inbetriebnahme 33 2.5.1 Werkzeuginbetriebnahme 34 2.5.2 Simulationsmethoden zur Unterstützung der Werkzeugeinarbeitung 35 2.6 Defizite in der FE-Prozesssimulation des Karosserieziehprozesses 36 3 Zielstellung, Abgrenzung und Vorgehensweise 38 4 Modellerweiterung Werkzeug 40 4.1 Simulationsumgebung 40 4.2 Virtuelles Testwerkzeug 40 4.3 Elastische Werkzeugstruktur 43 4.4 Werkzeuganbindung an umliegende Strukturen 48 4.4.1 Matrize und Stempel 48 4.4.2 Niederhalter 48 4.4.3 Abbildung der Ziehstäbe auf elastisch modellierten Werkzeugen 50 4.5 Die Werkzeugführung 54 4.5.1 Analytische Berechnung der Wirkung der Werkzeugführung 54 4.5.2 Messtechnische Berücksichtigung 56 4.5.3 Bewertung der Modellierungsansätze 56 4.6 Zwischenfazit zur Modellerweiterung der Werkzeuge 58 5 Modellerweiterung Maschine 60 5.1 Messung der Stößel- und Tischdurchbiegung 60 5.2 Ersatzmodellierung und Parametrierung 61 5.3 Überlagerung von Stößelkippung und -durchbiegung 64 5.4 Berücksichtigung der Tischdurchbiegung 67 5.5 Modellstrukturen zur Berücksichtigung der ZK-Mechanik 67 5.6 Kippelastischer Modellierungsansatz 70 5.6.1 1-Punktziehkissen mit Führung 70 5.6.2 2- und 4-Punktziehkissen 72 5.6.3 Ziehkissen mit mehr als 4 Druckpunkten 73 5.7 Elastische Abbildung des Druckkastens 74 5.7.1 Strukturmodell des Druckkastens 74 5.7.2 Ersatzmodell des Druckkastens 76 5.8 Modellstrukturen zur Berücksichtigung der Krafterzeugung 78 5.8.1 Ziehkissenkraft als wegabhängige Größe 79 5.8.2 Ziehkissen-Istkraft als Verhaltensmodell 80 5.8.3 Integration eines reduzierten Anlagenmodells 80 5.9 Ableitung einer Standardparametrierung 84 5.10 Zwischenfazit zu Modellerweiterungen Presse 85 6 Anwendung der Modellerweiterungen auf Versuchsumgebung 88 6.1 Versuchsumgebung 88 6.1.1 Versuchsmaschine 88 6.1.2 Blechwerkstoffe 89 6.1.3 Versuchswerkzeug 91 6.1.4 Messwerterfassung 92 6.2 Modellierung des Blechwerkstoffes 95 6.3 Reibungsverhältnis zwischen Blech und Werkzeug 96 6.4 Modellerweiterungen Werkzeug 98 6.4.1 Modellerstellung 98 6.4.2 Einflussanalyse der elastischen Werkzeugeigenschaften 99 6.5 Modellerweiterung Maschine 100 6.5.1 Berücksichtigung der elastischen Eigenschaften des Stößelsystems 100 6.5.2 Berücksichtigung der Ziehkissenmechanik 105 6.5.3 Validierung der erweiterten FE-Prozessmodelle 109 6.6 Modellbewertung anhand Grenzformänderungsdiagramme 112 6.7 Modellierung der Regelabweichungen der Ziehkissenzylinderkräfte 113 6.8 Anwendung der Standardparametrierung 116 7 Anwendungsbeispiele für die Werkzeugentwicklung 118 7.1 Werkzeugkonstruktion am Beispiel der Fertigungstoleranzen 118 7.2 Werkzeuginbetriebnahme 120 7.2.1 Ermittlung der Zylindersollkräfte auf Mehrpunktziehkissen 121 7.2.2 Virtuelles Tuschieren der Werkzeughälften 123 8 Zusammenfassung 126 9 Literatur 128 III. Anhang 136

Die vorliegende Arbeit hat die Entwicklung und Validierung eines Analysealgorithmus zur objektiven Auswertung der Materialverteilung entlang der Zarge an gezogenen Karton-formziehteilen zum Ziel. Die dafür verwendeten Messdaten werden durch Oberflächenab-tastung mit konfokaler Sensorik erzeugt. Unter Anwendung des Analysealgorithmus wer-den die Einflüsse der Prozessparameter auf die Materialverteilung ermittelt. Abschließend wird aus den gewonnenen Daten ein Ansatz zur Berechnung der Werkzeuggeometrie ent-wickelt. Zur Bestimmung der Materialverteilung wird die Zarge beidseitig abgetastet. Aus der Diffe-renz der Radien von Außen- und Innenkontur wird der Dickenverlauf entlang der Zarge bestimmt, die die Materialverteilung beschreibt. Die Messung mit konfokalen Sensoren wird mit mikroskopischen Aufnahmen von Mikrotomschnitten und röntgentomographi-schen Aufnahmen geprüft. Der Mittelwert und die Standardabweichung des Dickenverlaufs charakterisieren die Mate-rialverteilung. Der Analysealgorithmus ermittelt aus den durch Sensoren aufgenommenen Daten die charakteristischen Werte. In der Auswertung zeigt sich, dass eine Höhere Zieh-stempeltemperatur als Ziehbüchsentemperatur sowie eine hohe Temperatursumme die mittlere Dicke verringern. Eine hohe Faltenhalterkraft und eine hohe Stempeltemperatur bewirken eine gleichmäßigere Materialverteilung. Der ermittelte Zusammenhang von der Beeinflussung des Mittelwertes der Dicke mit den Temperaturunterschieden von Stempel und Büchse wird durch ein Modell der thermischen Ausdehnung von Stempel und Büchse belegt. / The present thesis comprises the development and validation of an algorithm for the objec-tive evaluation of data on material distribution alongside the architrave of drawn cardboard shells. The necessary data are obtained through detection of the surface with confocal sensors. The influences of the process parameters on material distribution are investigated with algorithm. Resulting from this data, the basis for the calculation of the tools geometry is developed. The determination of material distribution is accomplished by double-sided optical scanning of the architraves inner and outer surface. The trend of cardboard thickness alongside the architrave is calculated by the subtracion of the inside radius from the outside radius of the cardboard shell. The cardboard thickness describes material distribution. The measures with confocal sensors are approved of examined microtome cuts under microscope and x-ray analyses. Material distribution is characterised by average of the thickness and standard deviation of thickness. The analysis algorithm calculates with sensor data the characteristic values. A higher temprature of the drawing die as the temprature of the drawing box and the sum of temperatures lead to a decrease of the average thickness. The combination of a high die temperature and a high force applied by the blankholder result in a more even material distribution. The identified correlation of average thickness and temperature gradients between the drawing die and the box is discribed by thermal expansion of die and box.

In diesem Paper werden Untersuchungen eines Tiefziehwerkzeugs aus Mineralguss vorgestellt. Der Grund für die Verwendung von Mineralguss als alternativen Werkstoff für schnelle Werkzeuge liegt in den relativ geringen Initialkosten zur Herstellung und seiner Eignung für Kleinserien und Prototypenversuche. Ähnliche Konzepte mit Werkzeugen aus Mineralguss haben gezeigt, dass eine entscheidende Grenze in der Tribologie und dem bei diesem Werkstoff großen Oberflächenverschleiß liegt. Daher fokussiert das vorliegende Paper auf die Ergebnisse der Analyse verschiedener Mineralgussmischungen unter Anwendung von Streifenzugbiegeversuchen. Die Reibzahl wurde hierbei berechnet und vergleichend einem Stahlwerkzeug gegenübergestellt. / This paper presents the investigation of polymer concrete drawing tools for deep drawing operations. The goal of using polymer concrete as an alternative material is a rapid tooling process at relatively low initial tools costs that is suitable for small batch production. Similar concepts based on hydraulic concrete and polymer composites have shown that the surface tri-bology and consequently wear is the main limiting factor. Therefore, this paper focusses on the results of strip draw-bending tests with different polymer concrete mixtures. The friction coefficient is calculated and compared to a steel tool.

Bisherige Bemühungen zur Reduzierung der Rückfederung von Blechbauteilen begrenzten sich hauptsächlich auf die Gestaltung der letzten Formgebungsstufe. In der vorliegenden Arbeit wird ein innovativer Ansatz zur Erhöhung der Maßhaltigkeit durch die Modifikation der Vorziehstufe untersucht. Dabei wird auf Grundlage eines beispielhaften Industriebauteils ein Demonstrator mit einer offenen und einer geschlossenen Kontur entwickelt. Durch die Abbildung der Herstellungsmethode in der Simulation (FEM) lässt sich die Rückfederung beurteilen. Durch die Charakterisierung des Werkstoffverhaltens wird die Qualität der Simulation gesteigert, da die Materialkennwerte (Fließkurve & Grenzformänderungskurve) für die Simulation genauer spezifiziert werden können. Es erfolgt die Variation der Vorziehstufe hinsichtlich geometrischer (Radius & Grad der Vorziehstufe) und prozesstechnischer Parameter (Niederhalterkraft & Schließabstand), sodass nach der Auswertung der Rückfederungsergebnisse Gestaltunghinweise erarbeitet werden. Die Validierung der Simulationsergebnisse wird vorgenommen, indem die Bauteile real hergestellt werden. Dadurch ist es möglich, die Rückfederungen der Simulation und der realen Herstellungsmethode zu vergleichen und die Gestaltungshinweise zu bewerten. / Approaches to reduce springback of sheet metal parts are mainly focused on the last forming stage. This study deals with modifications made on the pre-drawing stage so that an increased dimensional accuracy results. A demonstrator with an open and a closed contour is developed based on an exemplary industrial part. The assessment of springback is conducted by incorporating the manufacturing method into simulation (FEM). To increase the quality of the simulation the characterization of materials is set and hence more information about material properties (flow curve and forming limit curve) is specified. Variations of geometric (radius & proportion of pre-drawing stage) and process parameters (blankholder force & closing distance) are made which purpose the development of design guidelines after evaluation. The simulation results are validated by producing real sheet metal parts. The design guidelines will be feasible/can be assessed if the comparison of the springback results converges between simulation and reality.

<p>A battery assembly experiences both mechanical and thermal loadings during its operation. It is critical to perform the thermomechanical analysis to propose a novel design for the highest efficiency.In this study,two main goals include mechanical characterization and deformation responses for a battery cell and assembly, as well as air-cooled concepts design and analysis.Initially, the cell dimensions were measured by cell-sectioning method, and then the mechanical properties were empirically measured by both 3-point flexural, and nanoindentation experiments. Moreover, three pairs of experiments and simulations were conducted to study mechanical behaviors on both a single cell and a battery assembly. They include (1) point-force loading for single, open cell; (2) internal pressurization for single, sealed cell; and (3) internal pressurization for battery assembly.Additionally, both parametric and experimental studies were executed to design, analyze,and validate air-cooled concepts based on the idea of microchannel heatsink. The proposed concepts have the features, which are integrated into the battery cell for generating the cooling channels. A series of thermomechanical simulations and a forced convection testbed were built for computationally and empirically analyzing the performances of the concepts. The results from the mechanical characterization showed a significant difference between the actual and nominal values of both cell dimensions and mechanical properties. Therefore, the effect of the manufacturing process to such values must be considered before inputting for analyzing the deformation responses. From the thermomechanical analyses, it was found that the mechanical loading might negatively influence the thermal performance if there were not enough mechanical supports from the air-cooling structure. The impact was minimal in the tapered-channel battery assembly. This configuration also significantly reduced the temperature difference on the cell compared with other concepts and the reference design.<br></p>

Paper materials have a long history of use in packaging products, although traditional paper-based packaging is limited in its shape and design. In order to enable more advanced paper-based packaging, various 3-D forming processes for paper materials have been studied. Since 3-D forming processes typically include the application of moisture and/or temperature, the effects of moisture and temperature on the mechanical response of paper have also been investigated. In Paper A, an experimental study of the combined effects of moisture and temperature on the uniaxial mechanical properties of paper was conducted. These experiments provided new insights into how moisture and temperature affect both the elastic and plastic properties of paper materials. These experiments also provided the framework from which the effects of moisture and temperature were modelled in Paper C. In Paper B, an explicit finite element model of the paperboard deep-drawing process was developed. An orthotropic material model with in-plane quadrant hardening was developed and verified for paper. The simulation results matched the trends from experimental deep-drawing up to when micro-scale wrinkling occured. Since most experimental failures occur prior to wrinkling, this model provided quantitative understanding of failure in the paperboard deep-drawing process. In Paper C, an explicit finite element model of paper hydroforming, utilizing the same material model for paper materials as in Paper B, was developed and verified. The simulation results matched well with experimental results, and a parametric study with the finite element model produced quantitative understanding of the hydroforming process for paper materials. Additionally, drying was identified as an important phenomenon for determining the extent of formability of paper materials. / Papper har länge använts som förpackningsmaterial men traditionella pappers- och kartongförpackningar är begränsade i form och design. Olika 3-D formnings processor har studerats för att möjliggöra mer avancerade pappersbaserade förpackningar. Effekterna av fukt och temperatur på pappers mekaniska egenskaper har också undersökts eftersom fukt och temperatur har stor betydelse för slutresultatet i 3-D formningsprocesser. I Artikel A har den kombinerade effekten av fukt och temperatur på de uniaxiella mekaniska egenskaperna av papper undersökts experimentellt. Dessa experiment visar hur fukt och temperatur påverkar både elastiska och plastiska egenskaper hos papper samt ligger till grund för modelleringen av inverkan av fukt och temperatur i Artikel C. I Artikel B har en explicit finita element modell för djupdragning av kartong utvecklas. En ortotropisk materialmodell baserad på en rektangulär flytyta har utvecklats och verifierats för kartong. Simuleringen följde trenderna i experimenten fram till den punkt där mikroskopiska rynkor bildas. Resultaten från analyserna med modellen ger kvantitativ förståelse för materialbrott i djupdragningsprocessen eftersom de flesta experimentella materialbrott inträffar innan mikroskopiska rynkor bildas. I Artikel C har ett explicit finita element modell av hydroformning av papper baserad på materialmodellen från Paper B utvecklats och verifierats mot experimentell hydroformning av papper. En parameterstudie med finitaelement-modellen producerade kvantitativ förståelse för hydroformningsprocessen för papper. Dessutom identifieras torkning som ett viktigt fenomen för att fastställa graden av formbarheten för pappersmaterial. / <p>QC 20150907</p>

Gegenstand dieser Arbeit ist die Entwicklung einer Methode zur Charakterisierung der komplexen Belastungssituation beim Tiefziehen mit unmittelbarer Kompression von Karton innerhalb geeigneter Ersatzversuche und deren Validierung mit Hilfe eines empirischen Models. Das Tiefziehen mit unmittelbarer Kompression stellt eine Möglichkeitzur Herstellung von dreidimensionalen Hohlkörpern mit hohem Umformgrad aus naturfaserbasierten, flächigen Halbzeugen mit geringem Vorfertigungsgrad dar.Aufbauend auf der Darstellung und Abgrenzung des Umformverfahrens werden relevante Prozessgrößen und deren Charakterisierung durch geeignete Ersatzversuche aus dem Stand der Wissenschaft recherchiert und bewertet. Zudem werden Möglichkeiten erörtert, die Ergebnisse der Ersatzversuche mit den Daten aus dem Umformverfahren zu vergleichen. Aus den technischen und wissenschaftlichen Defiziten ergibt sich die Zielsetzung und weitere Vorgehensweise dieser Arbeit.Zur Lösung der Problemstellung werden den identifizierten Prozessgrößen geeignete Ersatzversuche aus dem Stand der Technik zugeordnet bzw. neue Ersatzversuche entwickelt und im Rahmen eines modularen Versuchsstandes technisch umgesetzt. Zur Vorbereitung der experimentellen Analyse der ausgewählten Ersatzversuche werden Referenzversuche mit dem Umformverfahren innerhalb festgelegter Parametergrenzen durchgeführt. Bei der anschließenden Durchführung der Ersatzversuche wird vor allem die Verlässlichkeit der Ergebnisse berücksichtigt, indem die Anzahl der Versuche jeder Versuchsreihe an die Ergebnisauswertung angepasst wird.Durch die Modifikation des Umformverfahrens können die Ergebnisse der Ersatzversuche innerhalb eines stufenweise komplexer werdendes, empirischen Modelsmit denen des Referenzversuchs verglichen und bewertet werden. Die Charakterisierung der Prozesskraftkomponenten wird für vier faserbasierte Materialien durchgeführt,die teilweise mit einer polymeren Funktionsschicht ausgestattetsind.Abschließend werden die Ergebnisse dieser Arbeit zusammengefasst dargestellt und daraus folgende Forschungsansätze abgeleitet. / The purpose of this thesis is to present a newly developed method to investigate thecomplexload situation during the deep-drawing of paperboard within suitable substitute tests and its validation withinan empirical model.Deep drawing with direct compression represents analternativefor the production of three-dimensional traysfrom natural, fiber-based materials with a low degree of prefabrication.Based on the definition and description of the deep-drawing process within the literature, relevant process forces and associated substitute tests are identifiedand discussed. In addition, approachesare discussed to compare the results of the substitute tests with the data from the deep-drawingprocess. The objective and further procedure of this thesisresults from the technical and scientific deficits.The approach of this thesisis it to present a new, modular testing rig based on the substitute test which were chosen from the literature or were newly developed.In preparation ofthe experimental analysis of the selected substitutetests, reference tests are carried out with the forming process within specified parameter limits. In the subsequent implementation of the substitutetests, the reliability of the results is consideredabove all by adapting the number of tests in each test series parallel to the evaluation of the results. By modifying the forming process, the results of the substitute tests can be compared and evaluated with those of the reference test within an empirical model that becomes progressively more complex. The characterization of the process force components iscarried out for four fiber-based materials, some of which are equipped with a polymer functional layer.Finally, the results of this work are summarized,and the following research approaches are derived from them.

Modeling sheet metal forming of materials for lightweight construction requires an understanding of their plastic behavior in different loading directions. The presented work focuses on twin-roll-casted magnesium alloy AZ31. It is characterized by unique mechanical properties compared to other magnesium alloys due to the employed twin-roll-casting-process. In general, magnesium alloys with their hexagonal closed-packed structure possess a complex forming behavior including a deformation-induced anisotropy evolution. In the context of a fast design approach, an adaptation of the Yield2000-2d criteria usually used for body-centered cubic or face-centered cubic materials is tested. The goal is a simple, versatile material model which parameters are determined just by tensile tests with moderate testing effort. In the investigated model, the yield locus definition is modified by adding a term for the yield exponent evolution during the forming process. The modeling approach is presented and the necessary tests for material data acquisition and evaluation are described. After experimental identification of the model parameters, the material model is applied in a forming simulation. The investigation provides promising results matching well with experimental data. Thus, the application of this model in a fast design step is feasible, offering valuable data like deformed shape, process-related material properties and induced stresses for further processing.