Das Firmenjubiläum von Franke wird mit einer Jahrhundertspüle gefeiert.

(Bilder: Franke Werzeugbau)

Systematische Werkzeugentwicklung bei der Franke Werkzeugbau AG mit AutoForm

AutoForm-Sigma zeigt die Haupteinflussgröße auf die Ausdünnung bei Betrachtung von Designvariablen bzw. Streugrößen

2010 führte die Franke Werkzeugbau AG AutoForm-Sigma ein und ermöglicht dadurch zum Beispiel die Untersuchung der Designvariablen für die Ergebnisvariable Blechausdünnung im Kugelradius

AutoFormplus in der Version R2 enthält ein temperaturabhängiges Materialmodell für den rostfreien Stahl 1.4301. Eine weitere Funktionalität dieses Modells ist die Berechnung des temperaturabhängigen Martensitgehalts

Durch die Verarbeitung von Chrom-Nickel-Stahl sind Rückfederungseffekte ein großes Thema. Aufsprung und Faltentendenz liegen hier im Rahmen der Toleranzen

Die Franke Werkzeugbau AG entwickelt ihre Tiefziehwerkzeuge auf zeitgemäßen 3D-Arbeitsplätzen durchgängig digital

Im Radius zeigt sich die Kompetenz

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Hundert wird man nicht alle Tage. Franke feiert 2011 genau diesen Geburtstag und nutzt das Jubiläum für die Präsentation einer Jahrhundertspüle. Das Design stellt die Kompetenz und das Qualitätsverständnis von Franke unter Beweis: Und das auch in technischer Hinsicht, denn in den Ecken der Becken wird ein Radius von lediglich 12,5 mm realisiert. Dazu kommen ein Tiefenmaß von 175 mm sowie horizontale Abmessungen von 410 mal 500 mm. Übliche Abmessungen sind kleiner, dafür ist der Radius größer. Zudem sind Modelle mit Integralablauf, 3.5 Zoll-Ablauf sowie mit und ohne Flansch vorgesehen.

Die Abteilung Innovation der Franke Küchentechnik AG platzierte deshalb bei der Franke Werkzeugbau AG in Aarburg/Schweiz die Anfrage für ein Werkzeug, das den Ansprüchen einer Jahrhundertspüle gerecht würde. Und weil solche besonderen Anlässe Gelegenheit geben, von üblichen Vorgehensweisen abzuweichen, wurde die komplette Entwicklung am Computer durchgezogen. So war die Franke Werkzeugbau AG bereits während der Design-Phase der Jahrhundertspüle involviert. Der höhere Aufwand zu Beginn der Entwicklungszeit sollte sich am Ende auszahlen.

Mischa Widmer, Leiter Technik der Franke Werkzeugbau AG, und sein Engineering-Team starteten die Werkzeugentwicklung mit einer Machbarkeitsstudie. Eine lösungsneutrale Methodik sollte systematisch zur optimalen Lösung führen. Über drei Untersuchungsebenen – Tiefziehen, Umformwerkzeug und Umformprozess – sowie deren Kombination ergaben sich mehrere Untersuchungsvarianten. Für deren folgerichtige Analyse bediente sich das Engineering-Team der Software AutoForm-Incrementalplus. Eine vierte Ebene diente der Betrachtung der Produktions-Robustheit. Ausschuss, Nacharbeiten oder Stillstandszeiten sollten minimal ausfallen. Dazu kam die Software AutoForm-Sigma zum Einsatz.

Im ersten Teil der Untersuchungen setzten sich Franke’s Experten mittels AutoForm-Software über jene Faktoren ins Bild, die den Tiefziehprozess maßgeblich beeinflussen würden. In der Folge wurde die Umformung in drei miteinander verknüpfte Aufgaben unterteilt: Flansch formen, Becken tiefziehen und Spülenablauf formen.

Die Analyse der ersten Aufgabe zeigte, dass das Material für den Flansch aus dem Zuschnitt kommen musste. Der Flansch bildete gleichzeitig eine aktive Bremsleiste. Beim Becken ohne Flansch kam diese Funktion einer Ziehsicke zu. Mit dem Ziel einer robusten Fertigung vor Augen, kristallisierten sich für die Umformspezialisten die Aufdickung, die Rückhaltekräfte sowie der Zuschnitt des Blechs als relevante Parameter heraus.

Die Untersuchung der zweiten Aufgabe offenbarte, dass der enge Radius im Eckbereich der Spüle zu hohen Druckspannungen führte. Je nach Material- bzw. Fliesseigenschaften waren inakzeptable Aufdickungen zu erwarten. Diese würden sich über die Einlaufgeometrie einer Vorzugmatrize positiv beeinflussen lassen und als Nebeneffekt unterschiedliche Materialchargen aushebeln. Davon würde auch die Prozessfähigkeit profitieren. Die Analyse lieferte als relevante Parameter den Eckradius im Vor- sowie Nachzug, die Rückhaltekräfte und Schmierung im Vorzug sowie die Eigenschaften des Materials. Darüber hinaus zeigten sich die Kugelradien in den Ecken des Beckens durch eine kritische Restblechdicke als heikle Zonen. Die Analyse der dritten Aufgabe zeigte, dass durch Vorstrecken des Materials im Vorzug der Integralablauf in hoher Qualität umformbar sein würde, was dann erfahrungsgemäss auch für den 3.5 Zoll Ablauf galt.

Zum Alltag in der Umformpraxis gehören nicht beeinflussbare Schwankungen, sogenannte Noiseparameter, wie die Materialeigenschaften von einer Blechcharge zur Nächsten. Dem Jubiläumsprojekt kam dabei zugute, dass AutoForm-Software seit der Version R2 über ein genaues Materialmodell für rostfreien Stahl 1.4301 verfügt. Dieses begünstigte die Simulation der Jahrhundertspüle, deren Werkstoff bereits im Bereich von 20 bis 200 °C temperaturempfindlich reagierte. Im Übrigen entstand dieses Materialmodell in Zusammenarbeit mit Franke sowie der KTI („Kommission für Technologie und Innovation“ – Schweizer Förderagentur für Innovation) und der ETH-Zürich.

Über beeinflussbare Parameter, also Designparameter wie die Rückhaltekraft von Ziehleisten, kann der Prozess aktiv gestaltet und stabilisiert werden, so dass am Ende ein großzügiges Prozessfenster für die Produktion zur Verfügung steht.

Aufgrund der zu erwartenden Streuungen lag das Interesse beim Franke Werkzeugbau auf der Robustheit des Umformprozesses sowie jenen Parametern, die den Prozess zur Hauptsache beeinflussen würden. Immerhin sollte die Jahrhundertspüle am Ende 200 000 Mal produziert werden, sodass eine reibungslose Produktion einen echten Gewinn darstellen würde. Das Engineering-Team führte deshalb in zwei Etappen Robustheitsuntersuchungen mit AutoForm-Sigma durch. Zuerst konzentrierten sich die Spezialisten auf die Prozessparameter wie Schmierung oder Haltekräfte. Die zweite Etappe galt den geometrischen Parametern sowie den Materialvariablen. Mittels diesen komplementären Untersuchungen kam die Definition der optimalen Prozess- und Geometrieparameter zustande. Der Fokus lag dabei auf den Zonen im Beckenbereich, da sich diese in den vorhergehenden Analysen als kritischste Zonen herausstellten. Da Franke seine Spülen aus Chrom-Nickel-Stahl fertigt, war auch das Thema Rückfederung allgegenwärtig. Nur wenn diese robust kompensiert würde, war an eine verlässliche Produktion zu denken.

In der Prozessanalyse mit AutoForm-Sigma bekamen die Umformspezialisten angezeigt, wo, in welchem Umfang und von was eine bestimmte Variable beeinflusst wurde. Betrachteten sie zum Beispiel die Ausdünnung in den Zonen der Kugelradien, konnten sie feststellen, dass vor allem die Schmierung der Matrize, die Abstreckhöhe und die Haltekräfte bestimmend waren.

Analysierten sie die Geometrie in den kritischen Bereichen der Kugelradien, zeigte AutoForm-Sigma die Materialeigenschaften als dominierend an.

In gleicher Weise wurden die kniffligen Zonen im Eckbereich des Beckens untersucht. Bestimmend für die Ausdünnung waren erneut die Schmierung der Matrize sowie die Haltekräfte. Hinzu kam jetzt die Schmierung des Niederhalters.

Apropos Niederhalter und Reibung: Im Niederhaltermodell berücksichtigte die Franke Werkzeugbau AG die Druckfestigkeit der Ziehbronze. Je steifer die Wirkungsfläche ausfiel, umso mehr stieg der Druck und die resultierende Rückhaltekraft in den aufdickenden Bereichen. Im Reibungsmodell schenkten die Spezialisten der Druckabhängigkeit Beachtung. Für den Vorzug bedeutete das, der Reibungskoeffizient am Anfang des Ziehprozesses war höher als am Ende. Eine Sensitivitätsanalyse ermöglichte dann Aussagen zur Machbarkeit.

In der Geometrie-Analyse stellte sich der Eckradius im Vorzug als dominierend heraus. Je kleiner der Eckradius gewählt wurde, umso mehr nahmen die Druckspannungen zu, bis ab einem bestimmten Radius die Aufdickung unzulässig war.

Durch den regen Kontakt der Werkzeug- und Produktentwicklung während den Untersuchungen und durch die frühzeitigen Erkenntnisse aus der virtuellen Produktion, konnte die Franke Werkzeugbau AG ihre Anliegen für beide Seiten gewinnbringend kommunizieren. Bei Gesprächen am runden Tisch mit Spezialisten und Nicht-Spezialisten, Vorgesetzten und Mitarbeitern konnte das Engineering-Team seine Erkenntnisse mittels den Funktionalitäten von AutoForm-Sigma, beispielsweise Grafiken oder Diagrammen, anschaulich erläutern und verfügte über stichhaltige, effiziente Argumentationshilfen.

Seit 2004 arbeitet die Franke Werkzeugbau AG mit AutoForm-Software. Deren Anwendung ist mittlerweile institutionalisiert. Beim Projekt der Jahrhundertspüle kam AutoForm-Sigma erstmals bei einer Neuentwicklung zum Einsatz, während die Software bis dahin im Sinne eines kontinuierlichen Verbesserungsprozesses der Optimierung bestehender Produkte diente. Im Tryout senkte AutoForm-Sigma die Zahl der Korrekturschleifen in auffälliger Weise.

Gemäss Othmar Heutschi– er betreut die IT-Infrastruktur bei der Franke Werkzeugbau AG und arbeitet gleichzeitig in der CAD/CAM Programmierung – war die Aufrüstung der Hardware wegen AutoForm-Sigma dagegen bescheiden. Der Schulungsaufwand hielt sich ebenfalls in Grenzen. Aus Sicht von Mischa Widmer sitzt im Idealfall ein praxiserprobter „Blechflüsterer“ am Computer, der die verschiedenen Möglichkeiten von AutoForm-Sigma virtuos ausreizt und aufgrund seiner Erfahrung die richtigen Schlüsse zieht.

AutoForm-Sigma machte die alles entscheidende Robustheit des Umformprozesses für das Engineering-Team quantifizierbar. Darüber hinaus ermöglichten die Analyse der Sensitivität von Geometrie- bzw. Prozessparametern, sowie die Untersuchung der Prozessfähigkeit eine vorhersehbar robuste Fertigung.

Mehr Zeit in die Entwicklung am Computer zu investieren und bekannte Pfade zu verlassen, hat sich für die Franke Werkzeugbau AG in eindrücklicher Weise gelohnt.

Die Franke Werkzeugbau AG ist Teil der Franke Gruppe (Franke Kitchen Systems), deren Grundstein vor 100 Jahren gesetzt wurde. Kernkompetenz der Franke Werkzeugbau AG ist die Herstellung und Inbetriebnahme von hochwertigen Umformwerkzeugen für die Produktion von Teilen aus Chrom-Nickel-Stahl, insbesondere für die Franke Küchentechnik AG. Durch den Einsatz von CAD/CAM-Systemen und Simulationssoftware fließt die Erfahrung im Bereich der Blechumformung direkt in die Produktion von Zieh-, Biege-, Press- und Schnittwerkzeugen. Die Franke Werkzeugbau AG erbringt darüber hinaus Dienstleistungen für Firmen innerhalb der Franke Gruppe. Dazu gehören Simulationen, die Ausprobe von Werkzeugen oder der Werkzeugunterhalt.

www.wzb.franke.ch und www.franke.com

AutoForm entwickelt und vertreibt Softwarelösungen für den Werkzeugbau sowie die Blechbearbeitungsindustrie und deckt hier die gesamte Prozesskette ab. Mehr als 200 hochqualifizierte Spezialisten arbeiten bei AutoForm. Das Unternehmen gilt als der führende Anbieter von Software für die Absicherung der Produktherstellbarkeit, die Berechnung der Werkzeug- und Materialkosten, das Werkzeug-Design sowie die virtuelle Prozessoptimierung. Der Hauptsitz des Unternehmens liegt in der Schweiz.

>> www.autoform.com

Mischa Widmer, Leiter Technik von Franke Werkzeugbau :„Mich begeistert AutoForm-Sigma immer wieder neu. Die Software ist praxisbezogen und durchdacht. Sie erlaubt Erkenntnisse, die ich anders nicht gewinnen kann. Die Software bringt unserem Werkzeugbau einen enormen Imagegewinn und ist unerlässlich, um unseren Wettbewerbsvorteil zu halten.“