B e s c h r e i b u n g

Im Stand der Technik sind Verfahren zum Herstellen von Automobilanbauteilen bekannt, bei denen ausgehend von me¬ tallischen Bauelementen wie Blechtafelabschnitten o.a. unter Anwendung von ümformschritten ein Bauteil einer Karosserie eines Kraftfahrzeugs hergestellt wird. Anschließend wird das Bauteil häufig unter Wärmeeinwirkung oberflächenbehandelt.

Die EP 1 041 130 A2 zeigt eine Bördelfalzversiege- lung von Karosseriebauteilen von Kraftfahrzeugen, wie z.B. von Türen, Heck- bzw. Frontklappen oder Schiebedachdeckeln. Das dafür eingesetzte Verfahren beruht auf einer Vorvernet¬ zung der Versiegelungsmasse im Karosserie-Rohbau durch UV-Be¬ strahlung. In einem zweiten, direkt nachfolgenden Schritt wird durch thermische Einwirkung der Bördelfalzklebstoff und die Versiegelungsmasse angehärtet. Danach werden die Karosse¬ riebauteile einer Hitzehärtung in einem KTL-Ofen ausgesetzt.

Betrachtet man die Geometrie des so hergestellten Automobilanbauteils in den einzelnen Herstellungsstufen ge¬ nauer so stellt man fest, dass dieses seine Form erheblich ändert. So ist es bekannt,- dass aufgrund der federnden bzw. elastischen Eigenschaften des eingesetzten Metallblechs bei den ürαformscliritten kompliziert vorherzusagende Effekte auf¬ treten, insbesondere beim Abkanten (engl, "flanging"), beim Vorbördeln (engl, "pre-hemming") und beim Fertigbördeln (engl, "final hemming") . Zhang, G., Hao, H., Wu, X., Hu, S.J., Harper, K., und Faitel, W., 2000, in "An experimental investigation of curved surface-straight edge hemming", J. of Manufacturing Processes, Vol. 2 Wo.4, p. 241-246 sowie Zhang, G., Wu, X. und Hu, S-J. , 2001 in "A study on fundamental mechanisms of warp and recoil in hemming", J. of Engineering Materials and Technology, Vol. 123, No.4, p. 436-441, haben hierzu eingehendere Untersuchungen angestellt.

Demzufolge weisen Karosserieanbauteile und vor al¬ lem Hauben nach dem Vor- und Fertigbördeln auf Bördelwerkzeu¬ gen mit nomineller Geometrie der Werkzeugwirkflächen, d.h. die Geometrie der dafür verwendeten Werkzeuge entspricht der nominellen Geometrie des zu bördelnden Bauteils, Abweichungen von ihrer nominellen Geometrie auf. Dies wird vor allem auf die Phänomene „roll-in, roll-out, warp, recoil" zurückge¬ führt.

Auch nach dem Durchlauf durch die kataphoretische Tauchlackierung und nach der anschließenden Ofentrocknung weisen die Bauteile wieder erhebliche Abweichungen von ihrer nominellen Geometrie auf. Für diese Abweichungen gibt es meh¬ rere mögliche Ursachen. So werden während der umformenden Herstellung (Tiefziehen, Beschnitt, Abkanten, Nachschlagen, Bördeln) in die Hauben eingebrachte Eigenspannungen abgebaut. Hinzu kommt, dass etwaige verwendete Bördelflansch- und Un¬ terfütterungskleber ein anderes Wärmeausdehnungsverhalten als die metallischen, häufig aus Stahl bestehenden Komponenten haben. Schließlich bewirkt ein Aushärten der Kleber ein "Ein¬ frieren" der wärmedehnungsbedingt abweichenden Geometrie der Haube am Ende des KTL-Durchlaufs. Die im Zuge der kataphore- tischen Tauchlackierung und der anschließenden Ofentrocknung entstehenden Maßabweichungen werden wenn möglich durch zeit- und kostenaufwändige Produkt- und/oder Prozessänderungen so¬ wie ein ggf. notwendiges manuelles Richten kompensiert.

Es ist Aufgabe der Erfindung,, ein Verfahren bereit- zustellen, bei dem die Probleme des Standes der Technik ver¬ mieden werden.

Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unab¬ hängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.

Gemäß der Erfindung werden zunächst von Werkzeug¬ geometriedaten von für das Umformen zu verwendenden Werkzeu- gen, von nominellen Geometriedaten des Bauteils sowie von zu- lässigen Toleranzen dieser nominellen Geometriedaten des Bau¬ teils vorgegeben. Anschließend werden die Prozessschritte des Umformens unter Verwendung der Werkzeuggeometriedaten simu¬ liert und die danach zu erwartenden Geometriedaten des Bau¬ teils berechnet.

Wenn eine anschließende Überprüfung ergibt, dass die zu erwartenden Geometriedaten des Bauteils nicht im zu¬ lässigen Toleranzbereich der nominellen Geometriedaten des Bauteils liegen, dann werden die Werkzeuggeometriedaten so- lange zu korrigierten Werkzeuggeometriedaten verändert, bis sich bei einem anschließenden erneuten Durchführen der vor¬ hergehenden Schritte unter Verwendung der korrigierten Werk¬ zeuggeometriedaten ergibt, dass die zu erwartenden Geometrie- daten des Bauteils im zulässigen Toleranzbereich der nominel¬ len Georαetriedaten des Bauteils liegen.

Nach der Erfindung werden erst danach die Prozess- schritte des Oberflächenbehandelns unter Wärmeeinwirkung si¬ muliert, wobei dabei die danach zu erwartenden Geometriedaten des Bauteils ermittelt werden. Dabei kann unter "Oberflächen- behandeln unter Wärmeeinwirkung" jede mögliche weitere Be¬ handlung verstanden, bei der Wärme entsteht oder zugeführt wird, also beispielsweise auch eine Bördelfalzversiegelung von Karosseriebauteilen von Kraftfahrzeugen, wie z.B. von Tü¬ ren, Heck- bzw. Frontklappen oder Schiebedachdeckeln, wie sie in der EP 1 041 130 A2 gezeigt. Bei der dort eingesetzten Vorvernetzung der Versiegelungsmasse durch UV-Bestrahlung und bei der nachfolgenden thermischen Einwirkung auf den Bördel- falzklebstoff und die Versiegelungsmasse zur Anhärtung ent¬ stehen nämlich ebenfalls Verzüge und Dehnungen, die erfin¬ dungsgemäß erst im zweiten Interationsschritt zu berücksich¬ tigen sind. Erst recht gilt dies für die anschließende Hitze- härtung der Karosseriebauteile in einem KTL-Ofen. Diese Auf¬ teilung der erfindungsgemäßen Optimierung in zwei oder mehr Iterationsschritte hat sich sehr bewährt. Dies wird darauf zurückgeführt, dass die zu erwartenden Fehler aus dem Umfor¬ men des Bauteils anderer Natur sind als diejenigen aus der anschließenden Wärmebehandlung desselben. Dementsprechend werden die zu erwartenden Fehler aus dem Umformen des Bau¬ teils im ersten Iterationsschritt berücksichtigt. Alle weite¬ ren Iterationsschritte betreffen dann Nachbehandlungen des Bauteils, bei denen keine Umformungen mehr vorgenommen wer- den.

Solange dabei festgestellt wird, dass die zu erwar¬ tenden Geometriedaten des Bauteils NICHT im zulässigen ToIe- ranzbereich der nominellen Geometriedaten des Bauteils lie¬ gen, werden die nominellen Geometriedaten des Bauteils verän¬ dert, korrigierte Geometriedaten des Bauteils erzeugt und an¬ schließend die obenstehenden Schritte erneut durchgeführt, wobei jedoch die korrigierten Geometriedaten des Bauteils an¬ stelle der nominellen Geometriedaten des Bauteils verwendet werden.

Zusammenfassend kann gesagt werden, dass hier eine zweistufige Iteration erfolgt, die sehr schnell zu guten Er¬ gebnissen führt.

■ Erst danach wird mit einer Fertigung bzw. Massen¬ fertigung des Bauteils unter Verwendung der korrigierten Geo- metriedaten des Bauteils sowie der korrigierten Werkzeuggeo¬ metriedaten begonnen.

Gemäß der Erfindung können auch Validierungsläufe als Einzelfertigung des Bauteils unter Verwendung der nomi- nellen Geometriedaten bzw. gegebenenfalls der korrigierten Geometriedaten des Bauteils sowie unter Verwendung der Werk¬ zeuggeometriedaten bzw. gegebenenfalls der korrigierten Werk¬ zeuggeometriedaten vorgesehen sein. Dabei wird überprüft, ob die realen Geometriedaten des Bauteils mit den berechneten Geometriedaten übereinstimmen. Daraus können Rückschlüsse auf die Qualität der eingesetzten Simulationsverfahren gezogen werden.

Die Erfindung vermeidet es, die Abweichungen der Geometrie der Karoseriebauteile von der nominellen Geometrie durch aufwändige manuelle Einarbeitungen der Bördelwerkzeuge zu reduzieren oder zu minimieren, indem die Geometrie der Wirkflächen der Werkzeuge korrigiert wird. Eine solche Kor- rektur kann häufig nur intuitiv, iterativ und basierend auf dem Erfahrungswissen des Einarbeiters erfolgen und wird häu¬ fig nicht dokumentiert,, was besonders nachteilig ist.

Die Erfindung stellt vielmehr ein simulationsge- stütztes Verfahren zur Reduzierung der aus den zur Fertigung von Automobilanbauteilen wie Hauben, Rückwandklappen und Tü¬ ren bereit, das sich besonders vorteilhaft anwenden lässt, wenn Bördeloperationen mit einem anschließenden Durchlauf durch eine kataphoretische Tauchlackierung (KTL) vorgesehen sind. Es hat sich nämlich herausgestellt, dass dabei beson¬ ders häufig Maßabweichungen auftreten. Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich aber auch auf alle anderen Herstellungs¬ verfahren anwenden, bei denen Umformungsverfahren mit an- schließenden Wärmebehandlungen, etwa für Lackierungen o.a. vorgesehen sind.

Mit der Erfindung werden unter Verwendung eines rechner- bzw. Simulationsgestützten Verfahrens proaktiv die aus den Bördeloperationen und dem KTL-Durchlauf resultieren¬ den Maßabweichungen von Karosserieanbauteilen ermittelt und anschließend reduziert. Dabei wird die gesamte Umform- und Fügegeschichte des Karosserieanbauteils berücksichtigt.

Die Erfindung stellt ein simulationsgestütztes Ver¬ fahren zur Reduzierung der aus den zur Fertigung von Automo¬ bilanbauteilen (Hauben, Rückwandklappen, Türen) notwendigen Bördeloperationen (Vor- und Fertigbördeln) und der aus dem anschließenden Durchlauf der kataphoretischen Tauchlackierung (KTL) resultierenden Maßabweichungen bereit.

Das erfindungsgemäße Verfahren stellt eine Abfolge von Simulationen, Vergleichen von Datensätzen und Geometrie- manipulationen dar. Zur Reduzierung des Benutzeraufwandes ist das Verfahren durch die Verwendung sog. Shell-Scripten zu automatisieren. Die notwendigen Vergleiche von Datensätzen und die Geometriemanipulationen sind zweckmäßigerweise in ei- ner höheren Programmiersprache zu realisieren. Die Benutzer¬ führung ist über ein GÜI (graphical user Interface) bzw. über eine graphische Benutzerschnittstelle zu realisieren.

Das Hauptanwendungsfeld des Verfahrens ist der hier geschilderte „Frontloading" Fall, bei dem das Verfahren dazu verwendet wird, schon vor der Werkzeugfertigung die optimale Werkstückgeometrie sowie die optimalen Werkzeugwirkflächenge- ometrien zu ermitteln. Das Verfahren ist jedoch ebenfalls zur Unterstützung des Einarbeitungsvorgangs von bereits existie- renden Bördelwerkzeugen anwendbar. In diesem Fall sind die Wirkflächen der Werkzeuge mittels optischer Messtechnik zu erfassen und anstelle der nominalen Daten als Eingangsdaten für die Simulationen in Verfahrensschritt 1 zu verwenden.

Aus der Anwendung der Erfindung ergeben sich zahl¬ reiche Vorteile, nämlich eine Reduzierung des Arbeitsaufwan¬ des bei der Einarbeitung der Bördelwerkzeuge, da Werkzeug¬ wirkflächen nach den optimalen Daten gefertigt werden können. Im Idealfall fallen solche Einarbeitungen der Bördelwerkzeuge weg. Dadurch ergeben sich direkte Kosteneinsparungen in Form von "Mannstunden", ein sicherer Serienanlauf und eine stei¬ lere Anlaufkurve.

Die Auslegung der Bördelwerkzeuge erfolgt nicht mehr intuitiv erfahrungsbasiert sondern wissensbasiert. Das dazu verwendete Wissen ist im Verfahren gespeichert und je¬ derzeit verfügbar. Man ist nicht mehr auf Expertenwissen an- gewiesen, das durch Krankheit, Urlaub usw. ggf. im entschei¬ denden Moment häufig nicht verfügbar ist.

Der Arbeitsaufwand für Produkt- und/oder Prozess- änderungen sowie für ein gegebenenfalls notwendiges manuelles Richten der Anbauteile nach dem KTL-Durchlauf und der Ofen¬ trocknung wird entscheidend reduziert bzw. fällt sogar ganz weg.

Ausschuss aufgrund nicht mehr zu richtender Anbau¬ teile, wenn die Abweichung von nomineller Geometrie zu groß ist, wird vermieden. Daraus ergeben sich direkte Kostenein¬ sparungen in Form von "Mannstunden", ein sicherer Serienan¬ lauf und eine steilere Anlaufkurve.

Das Prinzip des Verfahrens zur Reduzierung aus den Bördeloperationen und dem anschließenden KTL-Durchlauf resul¬ tierender geometrischer Abweichungen von Karosserieanbautei¬ len wird nachfolgend anhand der einzigen Figur in mehreren Schritten erläutert.

Figur 1 zeigt dabei in Form eine Programmablauf¬ plans die einzelnen Schritte des Verfahrens.

Die in Figur 1 angegebenen arabischen Ziffern "1" bis "10" entsprechen dabei den nachfolgenden Schritten "Schritt 1" bis "Schritt 10", wo dies nicht ausdrücklich an¬ gegeben ist.

Im "Schritt 1" erfolgt eine Simulation der Prozess¬ schritte wie Tiefziehen, Beschnitt, Nachschlagen (je nach Einzelteil) , Abkanten, Fügen der Verstärkungsteile für das jeweilige in das Anbauteil eingehende Einzelteil. Im Falle einer Haube sind dies die Haut der Haube und das Gerippe der Haube. Auch das Fügen der Einzelteile durch Vor- und Fertig¬ bördeln zählt zu den hier zu simulierenden Prozessschritten. Nach den Prozessschritten Beschnitt, Nachschlagen, Abkanten, Vor- und Fertigbördeln ist jeweils ebenfalls die in der Rea¬ lität auftretende Rückfederung zu simulieren. Die Simulation kann mit einem kommerziell erhältlichen Finite-Element-Simu- lationssystem erfolgen. Die verwendeten Geometrien der Werk¬ zeugwirkflächen entsprechen beim ersten Durchlauf des Verfah- rens den jeweiligen nominellen Geometrien der zu fertigenden Einzelteile. Das Ergebnis dieser Simulation ist die mit den verwendeten Wirkflächengeometrien der Werkzeuge erzielbare Geometrie des Anbauteils. Bei der Simulation der einzelnen Prozessschritte sind möglichst auch die aus dem jeweils vo- rangehenden Prozessschritt resultierenden Dehnungs-, Span- nungs- und Blechdickenverteilungen zu berücksichtigen.

In "Schritt 2" erfolgt eine Prüfung, ob die in "Schritt 1" berechnete Geometrie des Anbauteils innerhalb der zuvor spezifizierten Toleranzen liegt. Die Prüfung erfolgt auf Basis eines punktweisen Vergleichs der berechneten Geo¬ metrie und der nominellen Geometrie, die in Gestalt der CAD- Daten aus der Konstruktion des Anbauteils vorliegt. Liegt die berechnete Geometrie innerhalb der Toleranzen, fährt das Ver- fahren gleich mit "Schritt 4" fort. Liegt die Geometrie nicht innerhalb der Toleranzen, erfolgt im Rahmen von "Schritt 3" eine geeignete Korrektur der Werkzeugwirkflächen sowie ein erneuter Durchlauf von "Schritt 1". Die Schritte 1 bis 3 wer¬ den so lange iteriert, bis die berechnete Geometrie des ge- fertigten Anbauteils innerhalb der Toleranzen liegt.

In "Schritt 3" erfolgt die bereits obenstehend er¬ wähnte Korrektur der Werkzeugwirkflächen. Die Korrektur be- ruht auf den zuvor punktweise ermittelten Abweichungen der berechneten Geometrie des Anbauteils von seiner nominellen Geometrie. Die Korrektur erfolgt durch eine punktweise Ver¬ schiebung der Geometrie der Werkzeugwirkflächen entlang von zuvor ermittelten Vektoren. Die Ermittlung der Verschiebungs¬ vektoren erfolgt mit Hilfe geeigneter Algorithmen. In "Schritt 3" wird vorzugsweise die Wirkflächengeometrie der Vorbördelwerkzeuge korrigiert,, da diese nach der der Erfin¬ dung zugrunde liegenden Erkenntnis einen sehr großen Einfluss auf die Geometrie des Anbauteils besitzt.

In "Schritt 4" erfolgt eine Simulation des KTL- Durchlaufs und der anschließenden Ofentrocknung. Dazu ist das dem "Schritt 1" zugrundeliegende Simulationsmodell um eine geeignete Modellierung der Bördelflansch- und Unterfütte¬ rungskleber zu ergänzen. Die Temperaturabhängigkeit der me¬ chanischen Eigenschaften der Kleber ist mit einem geeigneten Materialgesetz abzubilden.

In "Schritt 5" erfolgt eine Prüfung, ob die in "Schritt 4" berechnete Geometrie des Anbauteils innerhalb der zuvor spezifizierten Toleranzen liegt. Die Prüfung erfolgt auf Basis eines punktweisen Vergleichs der berechneten Geo¬ metrie und der nominellen Geometrie, die in Gestalt der CAD- Daten des Anbauteils vorliegt. Liegt die berechnete Geometrie innerhalb der Toleranzen, wird das Verfahren beendet; die op¬ timale Geometrie der Werkzeugwirkflächen und des Anbauteils sind damit ermittelt. Liegt die Geometrie nicht innerhalb der Toleranzen, erfolgt im Rahmen von "Schritt 6" eine geeignete Korrektur der Bauteilgeometrie sowie ein erneuter Durchlauf der Schritte 1 bis 4. Die Schritte 1 bis 6 werden so lange iteriert, bis die berechnete Geometrie des Anbauteils inner¬ halb der zulässigen Toleranzen liegt. In "Schritt 6" erfolgt ein Korrektur der Geometrie des Anbauteils . Die Korrektur beruht auf den zuvor punktweise ermittelten Abweichungen der berechneten Geometrie des Anbau- teils von seiner nominellen Geometrie. Die Korrektur erfolgt durch eine punktweise Verschiebung der nominellen Geometrie entlang von zuvor ermittelten Vektoren. Das Ergebnis ist eine Hilfsgeometrie. Dabei erfolgt die Korrektur in der Form, dass sich die Hilfsgeometrie des Anbauteils während des KTL-Durch- laufs und der anschließenden Trocknung so verformt, dass die entstehenden Maß- und Formabweichungen des lackierten Fertig¬ teils von der nominellen Geometrie minimiert werden. Die Er¬ mittlung der Verschiebungsvektoren erfolgt mit Hilfe geeigne¬ ter Algorithmen.

In "Schritt 7" erfolgt eine Ermittlung der realen Geometrie des Anbauteils vor KTL-Durchlauf und Trocknung mit¬ tels optischer Messtechnik.

In "Schritt 8" erfolgt eine Validierung der Simula¬ tionsergebnisse aus "Schritt 1" durch einen punktweisen Ver¬ gleich der berechneten Geometrie mit der in "Schritt 7" er¬ mittelten Realgeometrie.

In "Schritt 9" erfolgt eine Ermittlung der realen Geometrie des Anbauteils nach KTL-Durchlauf und Trocknung mittels optischer Messtechnik.

Gemäß "Schritt 10" werden die Simulationsergebnisse aus "Schritt 4" durch einen punktweisen Vergleich der berech¬ neten Geometrie mit der in "Schritt 8" ermittelten Realgeo¬ metrie validiert.