TEKNISK RAPPORT. Virtuell verifiering av plåtformning. Roger Andersson. Teknisk rapport

Transkript

1 2001:08 TEKNISK RAPPORT Virtuell verifiering av plåtformning Roger Andersson Teknisk rapport Institutionen för Material- och produktionsteknik Avdelningen för Produktionsteknik 2001:08 ISSN: ISRN: LTU-TR--01/08--SE

2 Virtuell verifiering av plåtformning -en undersökning av funktionalitet hos några av de vanligaste programvarorna och intresset bland några svenska företag Luleå Roger Andersson Luleå Tekniska Universitet Inst. Material- och Produktionsteknik Avd. Produktionsutveckling Luleå Tfn: Fax: www-

3 1. SAMMANFATTNING INTRODUKTION VIRTUELL VERIFIERING METODIKEN VID VIRTUELL VERIFIERING AV FORMANDE VERKTYG SIMULERINGSPROGRAMMENS UTNYTTJANDE VID VERKTYGS FRAMTAGNING PROGRAMVAROR FÖR VIRTUELL VERIFIERING ENSTEGSLÖSARNA OCH PROGRAMVARORNA FÖR VERKTYGSDESIGN Autoform One-step and Autoform Diedesigner Autoform Diedesigner Fastform 3D Hyperform PAM-Quickstamp och PAM-Diemaker PAM-Diemaker INKREMENTELLA LÖSARNA FÖR VIRTUELL VERIFIERING Abacus Explicit Autoform explicit LS-Dyna MARC PAM-STAMP KOMMENTARER INTRESSET FÖR VIRTUELL VERIFIERING I NÅGRA SVENSKA FÖRETAG...21 APPENDI...22 A.1 SVAREN PÅ ENKÄTERNA FÖR ENSTEGSLÖSARNA...22 A.1.1. AUTOFORM Onestep...22 A.1.2. FAST FORM 3D...25 A.1.3. HYPERFORM...28 A.1.4. PAM-Quickstamp...32 A.2. SVAREN FRÅN ENKÄTERNA FÖR DE INKREMENTELLA LÖSARNA...35 A.2.3. ABAQUS/Standard and Explicit...35 A.2.2. AUTOFORM...38 A.2.3. LS-DYNA...42 A.2.4. MARC...45 A.2.5. PAM-STAMP

4 1. Sammanfattning Vid tillverkning av komplexa komponenter i tunnplåt så har kravet ökat på tillverkaren att använda simuleringsverktyg under framtagningsprocessen av verktygen. Dr. B. Richter från Volkswagen AG presenterade på konferensen EUROPAM 2000, oktober, Nantes, Frankrike att från år 2006 så måste deras underleverantörer blir betvingade att först leverera en simulerad modell för att få leverera verktyg för tunnplåtsformning. Användning av virtuell verifiering för framtagningsprocessen av formande verktyg minimerar andelen prototypverktyg, minskar efterjusteringarna av verktygen och minskade kostnader. Denna rapport har sammanfattat de ledande programvarorna inom virtuell verifiering. Under de tidigaste stadierna, design och produkt idé stadiet så används ofta enstegslösare för att visa tidiga problem områden för komponenten medan inkrementella lösare används i senare skeenden för verifiering av komponent och tillhörande verktyg. För rätt bedömning av resultaten från simuleringarna krävs förståelse för plåtformning. Ett par av leverantörerna, ESI-group (PAM-STAMP) och Autoform, har även tagit fram en typ av program där man från en CAD-ritning får fram ett CAD underlag för verktygsframställning. Dessa program hjälper användaren med att ta fram stämpel, dyna, tillhåll och verktygsram från en CAD-ritning och med hjälp av simuleringsprogrammen så verifieras verktygen och ett CAD-underlag kan tas fram. Generellt kan man säga att de flesta simuleringsprogram fungerar beräkningsmässigt bra men den stora skillnaden är i användargränssnittet, val av materialmodeller och visualisering av resultaten. Vår bedömning är att två programpaket visar sig mer tillämpade mot framtagning av plåtformande verktyg än andra på grund av deras mer användarvänliga gränssnitt och deras specificerade egenskaper för framtagning av verktyg. De är från Autoform och ESI-Group. För mer flexiblare simuleringar av alla typer av processer så är LS-Dyna den mest kvalificerade inkrementella lösaren men den är mer komplex och kräver mer kunskap av användaren än de mer specificerade programvarorna, PAM-STAMP (ESI-Group) och Autoform. Svensk industri inom verktygstillverkning för tunnplåt har insett potentialen och visat stort intresse för användning av simuleringsverktyg vid verktygstillverkning. De flesta tror att virtuell verifiering av verktyg kommer att öka starkt under en tre års period. Problemen idag är låg kunskapsnivå inom företagen och brist på personer som innehar kompetens inom virtuell verifiering och att det finns minimalt med högskoleutbildningar inom detta ämne. Den enda utbildningen på högskolenivå som ges idag i Sverige inom detta ämne är på Luleå Tekniska Universitet, Avd. Produktionsutveckling. Kursen som ges till blivande civilingenjörs studenter heter: Simuleringsteknik vid konstruktion av plåtformningsverktyg. Kurser på Högskolor och Universitet kan även ges externt för industrin om intresse finns. 3

5 2. Introduktion Inom den sista tioårsperioden har en väldig utveckling skett inom plåtformningsområdet bland annat genom att pressarna blivit CNC-styrda och nya material har utvecklats. Material som aluminium, höghållfasta kolstål, titan legeringar och rostfria stål har andra formningsegenskaper än konventionella kolstål och erfarenheten från användningen av konventionella kolstål kan endast i en viss utsträckning användas för formning av nya material. Kombinerat med ökade krav i form av ökad komplexitet av de färdiga komponenterna, minskning av toleranserna, ökning av pressade detaljer per minut och minskning av led tiderna har mynnat ut i att forskning och utvecklings kostnaderna ökat för framtagningsprocessen av formande verktyg. Detta har lett till ökade krav på tillverkare av plåtformningsverktyg att använda simuleringsverktyg för verktygsutformningen, s k virtuell verifiering. Dr. B. Richter från Volkswagen AG presenterade på konferensen EUROPAM 2000, oktober, Nantes, Frankrike att från år 2006 så måste deras underleverantörer blir betvingade att först leverera en simulerad modell för att få leverera verktyg för tunnplåtsformning. Denna rapport sammanfattar de ledande programvarorna inom virtuell verifiering genom svar från enkäter och personliga samtal med personer som använder denna typ av programvaror. Den tar även upp hur några verktygstillverkare och användare industri ser på framtiden och potentialen för användning av virtuell verifiering vid verktygsframtagning för tunnplåtskomponenter. 4

6 3. Virtuell Verifiering Användning av simulerings program kan ge betydande tids och kostnadsbesparingar under produkt och processutvecklingen vid framtagning av plåtformande verktyg. En studie från Honda R & D som presenterades på IBEC 97 slog fast att 1/3 av design ändringarna skedde på grund utav problem vid formbarheten av plåten under pressningar. En viss metodik krävs vid användning för virtuell verifiering av formande verktyg för att ge de stora tids och kostnadsvinsterna som man kan uppnå med denna teknik. 3.1 Metodiken vid virtuell verifiering av formande verktyg En viss metodik har arbetats fram för framtagningsprocessen av formande plåtverktyg med hjälp av simuleringsverktyg för virtuell verifiering av verktygets utformning. Bilden nedan visar på en typisk arbetscykel för framtagning av verktyg med hjälp av virtuell verifiering. Figur 1 Simuleringsmetodiken för framtagning av formande verktyg. Vid pre-processor stadiet så läses CAD/CAM filen in och man delar in modellen i element ( Mesh ). Efter detta har skett så definieras materialparametrarna på den komponenten som skall formas (Typ av flytkriterium, normal anisotropi-värden, spännings-töjnings samband, E-modul, poissons tal etc). När detta har skett så sker beräkningarna (simuleringen), antingen med en enstegslösare eller med en inkrementell lösare, och resultatet (post-processorn) granskas mot ett brottkriterium, oftast formgränskurvan (Fgk) för det simulerade materialet. Därefter brukar geometri, plåttjocklek och verktyg/process design varieras för maximal optimering av verktygsutformningen. En slutlig inkrementell simulering utförs för att virtuellt verifiera de tänkta plåtformande verktygen. 5

7 Från resultaten av simuleringarna så tillverkas verktygen och provpressningar utförs. En experimentell töjningsanalys brukar oftast tillämpas för verifiering av utfallet av simuleringsresultaten. Genom användning av enstegs och inkrementella simuleringsprogram så kan framtagnings kostnader minimeras och de formande verktygen kan designas för maximal komplexitet för ett specifikt material. Skillnaden mellan enstegs (Invers metod) och inkrementella (direkt metod) simuleringsprogrammen ligger i analysmetoden. Invers metod: Analysen utgår från en formad komponent och bestämmer utbredd geometri. Processen förutsätts ske i ett steg. Dessa typer av program har vanligtvis fokus på tidiga utvecklingsfaser tex. vid design, produktutformning och tidig process definition. De simuleringsprogram som använder denna metod brukar gå under benämningen Enstegslösare. Fördelar: Enkla indata Mycket snabb lösning De flesta kan köras på en PC med NT operativsystem. Nackdelar: Enstegsprocess Begränsad noggrannhet Tar ej hänsyn till verktyget Direkt metod: Analysen utgår från en plan eller fördeformerad plåt och simulerar alla steg till en formad produkt. Dessa typer av program har vanligtvis fokus på process- och verktygskonstruktionen, utvärderar processens samtliga steg och virtuellt verifierar processen och verktyget. De simuleringsprogram som använder denna metod brukar gå under benämningen Inkrementella lösare. Fördelar: Generell Korrekt analys Hög noggrannhet Verifierar verktyg och processer. Kan köras på en PC med NT operativsystem Nackdelar: Ofta långa beräknings tider. Kräver kompetent användare (Ofta komplext) Kräver ofta stor datakapacitet. 6

8 3.2 Simuleringsprogrammens utnyttjande vid verktygs framtagning Under framtagningsarbetet av ett blivande verktyg för en ny komponent så används de olika typerna av direkta och inkrementella lösarna vid olika skeenden under processens gång. En schematisk beskrivning av detta ser ut så här: Användning av en direkt lösare Tidig analys av genomförbarheten Tidig modell Produkt Design Verktygs Konstruktion Verktygs Design Process Design Användning av en inkrementell lösare Verktygs Verifiering Produktion Montering Figur 2 En schematisk beskrivning när de olika typerna av simuleringsprogram används inom framtagningsprocessen av plåtformande verktyg. En ny typ av verktyg för framtagning av verktyg har tagits fram av Autoform (Autoform Die-designer) och ESI-Group (PAM-Diemaker). Med bägge dessa programvaror så kan man skapa verktygs ytor (stämpel, dyna, tillhåll och verktygsram) utifrån en CAD ritning av den önskade produkten. Därefter återstår simulering för verifiering av verktygsformen innan ett CADunderlag kan framtas för verktygstillverkning. Detta har tillkommit eftersom det var ett önskemål från kunderna att utifrån en CAD-ritning få ut ett CAD-underlag för verktygstillverkning. 7

9 4. Programvaror för virtuell verifiering En sammanfattning har genomförts av de mest förekommande simuleringsprogrammen för virtuell verifiering. Detta har skett genom enkäter och intervjuer med personer i branschen. Två program för verktygsframtagning, fyra stycken enstegslösare och fem olika inkrementella lösare har tagits upp i denna sammanställning. De två programvarorna för framtagning av verktyg är: Autoform Diedesigner PAM-Diemaker De fyra enstegslösarna är: Autoform Onestep Fastform 3D Hyperform PAM-Quickstamp Och de fem inkrementella lösarna är: ABACUS Explicit Autoform Explicit LS-Dyna MARC PAM-STAMP Alla enkäter gjordes på engelska eftersom vi ofta var tvungna att kontakta huvudkontoren som låg utanför Sverige. Observera att typen av frågorna är olika för enkäten för de inkrementella lösarna än för enkäten för enstegslösarna på grund av de olika karaktärerna på simuleringsprogrammen. En sammanfattning av programmen och svaren från enkäten ges i kapitel 4.1 och 4.2. För mer ingående information om simuleringsprogrammen så finns den under varje programvaras enkätsvar som ligger i appendix. g tackar Boel Wadman på IVF, Göteborg för all hjälp med enkäterna för enstegsprogrammen. 8

10 4.1 Enstegslösarna och programvarorna för verktygsdesign Autoform One-step and Autoform Diedesigner Kontaktperson Volker Steininger AutoForm Engineering GmbH Technoparkstrasse 1 CH-8005 Zurich Switzerland Phone: Fax: autoform@autoform.ch Autoforms One-step enstegslösare är väldigt användarvänligt enligt utsago från både SAAB Automobile, Trollhättan och Volvo Cars, Olofström. De använder detta program i viss utsträckning i tidiga prototypdesign faser. Indata Detaljgeometri En verktygsyta Materialdata Ämnesform Presskraft Friktionsmodell Brottkriterium Veckbildning Plåtförtunning Sprickor Olika ämnesgeometrier Dragvulster Plåthållarkraft Friktion Tailored blanks olika tjocklekar/ material Svetsen i Tailor blanks Hydroformad plåt Hydroformade rör Olika material-modeller Autoform Onestep Krav Kan ingå Defekter som kan analyseras, geometriskt Processer och material som kan analyseras Materialdata för HAZ Nej Nej 9

11 Autoform Diedesigner Detta är en ny typ av program där man utifrån en CAD ritning skapar verktygs ytor dvs. stämpel, dynor, tillhåll och verktygs ramar. Efter virtuell verifiering så får man ut ett CAD underlag som används för tillverkningen. Exempel från Autoform om programmets resurser och möjligheter ges nedan i figuren. Figur 3 Bilden visar beskrivning av Autoform Diedesigner. 10

12 4.1.2 Fastform 3D Kontaktperson Larsgunnar Nilsson Engineering Research AB Gransbov.29 5E Ljungsbro Sverige Phone: +46 (0) Fax: +46 (0) Canada: Företaget som producerat detta program heter Forming Technology Inc. (FTI) och huvudkontoret ligger i Ontario, Canada. Några av deras stora kunder är DaimlerChrysler, Freightliner, Daewoo, Ford, Honda and Toyota. Indata Detaljgeometri En verktygsyta Materialdata Ämnesform Presskraft Friktionsmodell Brottkriterium Veckbildning Plåtförtunning Sprickor Olika ämnesgeometrier Dragvulster Plåthållarkraft Friktion Tailored blanks olika tjocklekar/ material Svetsen i Tailor blanks Hydroformad plåt Hydroformade rör Olika material-modeller FASTFORM 3D Krav Kan ingå Defekter som kan analyseras, som kompression med FGK Processer och material som kan analyseras Enbart som tjocklekssteg Med indata om krökningar, begränsad krökning Olika deformations hårdnande kan läggas in 11

13 4.1.3 Hyperform Kontaktperson: Håkan Carlsson Altair Engineering AB IDEON Research Park Scheelev 15, Alfa-Huset SE Lund Tfn: +46 (0) Mobil: +46 (0) Fax: +46 (0) USA: Detta enstegsprogram har vi provkört själv och för en helt oinvigd i programmet så tog det ej mer än tre timmar innan han fick ut ett resultat på en specifik komponent. Det har bland det bästa meshing funktioner bland alla simuleringsprogrammen och användargränssnittet var bra. Vi har inte verifierat utfallet av beräkningsresultatet på en fysisk komponent så vi vet inte hur exakt programmet förutsäger töjningar och förtunningar. Indata Detaljgeometri En verktygsyta Materialdata Ämnesform Presskraft Friktionsmodell Brottkriterium Veckbildning Plåtförtunning Sprickor Krav HYPERFORM Kan ingå Defekter som kan analyseras med FGK med FGK Processer och material som kan analyseras Olika ämnesgeometrier Dragvulster Plåthållarkraft Friktion Tailored blanks olika tjocklekar/ material Svetsen i Tailor blanks Svetsrörelse Hydroformad plåt Hydroformade rör - Olika material-modeller Med och utan anisotropi 12

14 4.1.4 PAM-Quickstamp och PAM-Diemaker Kontaktpersoner: Mr Marc Lambriks Mr Mark Vrolijk Engineering System International Gebouw Kortland Nieuwe Tiendweg EN Krimpen aan den IJssel The Netherlands Phone: Fax: Detta enstegsprogram är det senaste programvaran som ingår i PAM familjen. Den kan integreras med en mängd andra program från PAM familjen till exempel PAM-CRASH för krocksimuleringar, PAM-Diemaker för framtagning av CAD underlag för verktygstillverkning. Stora kunder är bland annat fordonstillverkarna Audi, BMW, Fiat, GM, Renault och verktygstillverkaren Christy Industries Inc. Indata Detaljgeometri En verktygsyta Materialdata Ämnesform Presskraft Friktionsmodell Brottkriterium Veckbildning Plåtförtunning Sprickor Olika ämnesgeometrier Dragvulster Plåthållarkraft Friktion Tailored blanks olika tjocklekar/ material Svetsen i Tailor blanks Hydroformad plåt Hydroformade rör Olika material-modeller PAM-Quickstamp Krav Kan ingå Defekter som kan analyseras med FGK med FGK Processer och material som kan analyseras Materialdata för HAZ i begränsad omfattning 13

15 PAM-Diemaker Detta program skissar upp ett utkast till verktygs ytor (stämpel, dyna, dragvulster, tillhåll och ramar) från en CAD-ritning. Detta ger i nästa skede en mer realistisk simulering av detaljen och man får snabbt ett svar på genomförbarheten för en viss verktygsutformning. Efter virtuell verifiering så får man ut ett CAD underlag som används för tillverkningen av verktyget. Ett par exempel ges nedan på användningen av denna typ av mjukvara kombinerat med virtuell verifiering. Figur 4 En schematisk beskrivning hur en CAD-ritning kan bli ett CAD-underlag för verktygstillverkning med hjälp av PAM-Diemaker ( Quick Die Design ), PAM-Quick Stamp enstegslösare ( Simulation ) och PAM-Stamp Inkrementell lösare ( Simulation ). Figur 5 En schematisk beskrivning av framtagning av ett verktyg för en framskärm till en bil. Här är PAM-Quickstamp enstegslösaren, PAM-Diemaker är verktygsframställaren och PAM-Stamp är den slutliga inkrementella lösaren för den virtuella verifieringen av verktyget. 14

16 4.2 Inkrementella lösarna för virtuell verifiering Dessa simuleringsprogram virtuellt verifierar verktygens utformning efter att designen är klar Abacus Explicit Kontaktperson: n Granlund FEM-Tech AB Pilgatan 8 SE VÄSTERÅS Tfn: Fax: femtech@femtech.se USA: Abacus/Explicit är programmet för formnings simuleringar som ingår i den stora Abaqus familjen. Det är ett generellt icke-linjära FEM program. Det betyder att den ej är direkt anpassad till virtuell verifiering av formande verktyg men kan anpassas för det ändamålet. Detta program kräver stor kunskap av användaren om icke-linjära fem-analyser. Indata Detaljgeometri Verktygs ytor Materialdata Ämnesform Presskraft Friktionsmodell Brottkriterium Defekter som kan analyseras Veckbildning Plåtförtunning Sprickor Återfjädring Krav Abaqus Explicit Kan ingå, genom brottkriterier, med programmet ABAQUS Standard Processer och material som kan analyseras Olika ämnesgeometrier Dragvulster Plåthållarkraft Friktion Tailored blanks olika tjocklekar/ material Svetsen i Tailor blanks Hydroformad plåt Hydroformade rör Olika materialmodeller, genom olika modeller Materialdata för HAZ Ett antal anisotropiska och isotropiska 15

17 4.2.2 Autoform explicit Kontaktperson: Pieter J. van der Weijde Area Manager Phone Nr Holland : (++ 31) (0) / ; Fax Holland : (++ 31) (0) , p.j.vanderweijde@worldonline.nl AutoForm Engineering Deutschland GmbH Emil-Figge-Str D Dortmund Germany Phone: +49 (0) Fax: +49 (0) autoform@autoform.de De har satsat mycket tid för att utveckla gränssnittet och användarvänligheten så personer utan FEM bakgrunder kan använda programmet men de nämnde att utan en viss uppfattning om plåtformningsprocessen så är man inte hjälpt av avancerade program. Indata Detaljgeometri Verktygs ytor Materialdata Ämnesform Presskraft Friktionsmodell Brottkriterium Defekter som kan analyseras Veckbildning Plåtförtunning Sprickor Återfjädring Krav Autoform Explicit, visuellt, visuellt, visuellt, de anser att de är bäst på det Processer och material som kan analyseras Olika ämnesgeometrier Dragvulster Plåthållarkraft Friktion Tailored blanks olika tjocklekar/ material Svetsen i Tailor blanks Hydroformad plåt Hydroformade rör Olika materialmodeller Kan ingå, genom Autoform HYDRO Ett stort antal anisotropiska och isotropiska 16

18 4.2.3 LS-Dyna Kontaktperson: Larsgunnar Nilsson Engineering Research AB Gransbov Ljungsbro Sverige Phone: +46 (0) Fax: +46 (0) USA: LS-Dyna är världens mest avancerade generella icke-linjära FEM program. Den är kapabel att bland annat simulera termiska, flödes, dynamiska och plastiska processer. Det betyder att den ej är direkt anpassad till virtuell verifiering av formande verktyg men kan anpassas för det ändamålet. Detta program kräver kunskap av användaren om icke-linjära fem-analyser. Detta används av Volvo Cars Body Components, Olofström och SAAB Automobile, Trollhättan. Indata LS-Dyna Krav Kan ingå Detaljgeometri - - Verktygs ytor Materialdata Ämnesform Presskraft Friktionsmodell Brottkriterium Defekter som kan analyseras Veckbildning Plåtförtunning Sprickor Återfjädring, visuellt och genom FGK Processer och material som kan analyseras Olika ämnesgeometrier Dragvulster Plåthållarkraft Friktion Tailored blanks olika tjocklekar/ material Svetsen i Tailor blanks Hydroformad plåt Hydroformade rör Olika materialmodeller, flera olika typer Ett stort antal anisotropiska och isotropiska 17

19 4.2.4 MARC Kontaktperson: Ulf Karlsson MSC.Software Nordic Solution Group Datavagen 14A Askim Sverige Phone: +46 (0) Fax: +46 (0) USA: Detta program är ett generellt Fem-analys program för avancerade analyser av icke-linjära processer. Det betyder att den ej är direkt anpassad till virtuell verifiering av formande verktyg men kan anpassas för det ändamålet. Detta program kräver kunskap av användaren om icke-linjära fem-analyser. Indata MARC Krav Kan ingå Detaljgeometri - - Verktygs ytor Materialdata Ämnesform Presskraft Friktionsmodell Brottkriterium Defekter som kan analyseras Veckbildning Plåtförtunning Sprickor Återfjädring, visuellt och genom FGK Processer och material som kan analyseras Olika ämnesgeometrier Dragvulster Plåthållarkraft Friktion Tailored blanks olika tjocklekar/ material Svetsen i Tailor blanks Hydroformad plåt Hydroformade rör Olika materialmodeller, via subrutiner Ett stort antal anisotropiska och isotropiska 18

20 4.2.4 PAM-STAMP Kontaktpersoner: Mr Marc Lambriks and/or Mr Mark Vrolijk Engineering System International Gebouw Kortland Nieuwe Tiendweg EN Krimpen aan den IJssel The Netherlands Phone: Fax: De har satsat mycket utvecklat gränssnitt och användarvänligheten är mycket bra så personer med ringa FEM bakgrund kan relativt enkelt använda programmet för virtuell verifiering av formande verktyg. Utvecklarna har satsat mycket tid att detta program skall specifikt arbeta med plåtformning och virtuell verifiering av verktyg. Detta har lett till att de blivit en av de ledande på marknaden för simuleringar av denna typ av processer. Indata Detaljgeometri Verktygs ytor Materialdata Ämnesform Presskraft Friktionsmodell Brottkriterium Defekter som kan analyseras Veckbildning Plåtförtunning Sprickor Återfjädring Krav PAM-STAMP, visuellt Processer och material som kan analyseras Olika ämnesgeometrier Dragvulster Plåthållarkraft Friktion Tailored blanks olika tjocklekar/ material Svetsen i Tailor blanks Hydroformad plåt Hydroformade rör Olika materialmodeller Kan ingå, antingen Coloumb (friktionskoefficient) eller via subrutin, även för punktsvetsar Ett stort antal anisotropiska och isotropiska 19

21 4.3 Kommentarer Generellt så kan man dra den slutsatsen att alla enstegs och inkrementella simuleringsprogram fungerar bra. För enstegsprogrammen så har vi provkört Hyperform, som var väldigt enkelt att köra en invers simulering på en väldigt kort tid ( 30 min). Vi testade en i vår personalgrupp som var helt nybörjare på tekniken av simuleringar och han lyckades inom ett par timmar lära sig proceduren att få ut ett resultat på en formad komponent. Av enstegsprogrammen så har vi fått en känsla av att för framtagning av verktyg är de enkla, snabba men inte så noggranna. Av de enstegsprogram som vi har redovisat så använder både Volvo Cars Body Components, Olofström och SAAB Automobile, Trollhättan Autoform One-step i design skedet. För virtuell verifiering av plåtformande verktyg så krävs det någon av de inkrementella lösarna. Vår bedömning är att alla inkrementella lösarna fungerar mycket bra men där två programpaket visar sig mer tillämpade mot framtagning av plåtformande verktyg. De är från Autoform och ESI-group. Autoform har idag Autoform Diedesigner, som skapar verktygsytor (stämpel, dyna, tillhåll och verktygsram) utifrån en CAD ritning av den önskade produkten. Autoform One-step, som är deras enstegsprogram Autoform Explicit, som är deras inkrementella lösare ESI-group har idag: PAM-Diemaker, som skapar verktygsytor (stämpel, dyna, tillhåll och verktygsram) utifrån en CAD ritning av den önskade produkten. PAM-Quickstamp, som är deras enstegsprogram PAM-STAMP, som är deras inkrementella lösare Av de inkrementella lösarna för virtuell verifiering av plåtformande verktyg så har PAM-STAMP ett mycket bra gränssnitt. I ESI-group ingår även en hel massa andra simuleringsprogram för till exempel. svetsning, plastformning, krocksimulering, metallgjutning, flöden osv. och många av dessa program har gränssnitt för att kopplas ihop med varandra. För mer flexiblare simuleringar av alla typer av processer så är LS-Dyna den mest kvalificerade inkrementella lösaren men den är mer komplex och kräver mer kunskap av användaren av icke-linjära fem-analyser än de mer specificerade programvarorna, PAM-STAMP och Autoform. Av alla program så krävs det förståelse av plåtformningsprocessen för rätt bedömning av utfallet av beräkningarna. 20

22 5. Intresset för virtuell verifiering i några svenska företag En enkät utskickades under hösten 2000 med om förfrågningar inom området verktygsframtagning och specifikt inom användningen av datorstödda verktyg i form av avancerade simulerings program för framtagningsprocessen av verktyg. Alla verktygsföretag känner till simulering av plåt för verifiering av verktyg och som hjälpmedel vid verktygstillverkning och framför allt så kommer den informationen från Volvo Car, Olofström och SAAB Automobile, Trollhättan. Kompetensen inom virtuell verifiering av verktyg anser 90% av alla verktygs tillverkande företag att dom ligger på en låg till mycket låg nivå inom användning av simuleringsprogram för virtuell verifiering av plåtformningsverktyg. De ansåg att det är mycket viktigt att deras kunskapsnivå, antingen genom extern hjälp eller anställa personal med rätt kunskap om simuleringsprogram för virtuell verifiering. De sex viktigaste kriterierna vid möjlig anskaffning av simuleringsprogram för verktygsframtagning var enligt enkäten: Supportstödet Möjlighet till utbildning på högskolenivå Att utbildningen ges på Svenska Möjligheten att kunna anställa personal med rätt kompetens inom plåtformningssimulering. Kostnaden Överensstämmelsen mellan beräkningsresultat och verkligt utfall!!! Relevanta materialdata för simulering antog de flesta att materialleverantören kunde erbjuda. För verifiering av beräkningsresultaten mot verkligt utfall på de fysiska produkterna så skulle de flesta vilja vända sig till Forskningsinstitut/Universitet för den typen av uppdrag. De flesta företag som sysslar med framtagning av verktyg för plåtformning anser att behovet och potentialen med användning av simuleringsverktyg under framtagningsprocessen kommer att öka kraftigt under en 5 års period. De ansåg att de skulle komma att utnyttja simulering inom en 1 års period och att det kommer att vara allmänt vedertagen teknik vid framtagning av verktyg inom en 3 års period. 21

23 Appendix A.1 Svaren på enkäterna för enstegslösarna A.1.1. AUTOFORM Onestep Kontaktperson Volker Steininger AutoForm Engineering GmbH Technoparkstrasse 1 CH-8005 Zurich Switzerland Phone: Fax: autoform@autoform.ch On what platforms does the software work (NT, Unix, Linux)? All What is the list price for the software? Euro per year o Does the price differ on different platforms? No Is the software "complete" or do I have to purchase some other software for meshing etc.? Prices for these modules? Complete What types of products can you analyse? Deep-drawing!! ocan you analyse tailored blanks with the same thickness or with two different thicknesses? What about the weld?, 2 thicknesses possible. If you want to analyse weld, you need material data of weld line ocan you analyse hydroformed sheet metal? ocan you analyse hydroformed tubes? No What types of products are not possible to analyse? Products with undercutting 22

24 Is it possible to analyse: o Different blank geometries and flanges? o Draw beads? o Punch forces? o Blank holder forces? o Tribology influence. Can you detect: o Wrinkling? How? geometrical o Stretcher strains o Sheet thinning o Failure (cracking) o Low strain areas Are there limits (in minimum strains e g ) where the software is not recommended) Not that we are aware off, any special reason you ask this? Are there different material models? o Which models? No Could you evaluate the results with FLD? 23

25 What input do you need to perform an analysis? (Use the table below and mark/fill in which form the input must have) Input Necessary Optional In which form Final part geometry Iges,VDA,Catia,Icem 'Tool both surfaces Iges,VDA,Catia,Tcem Tool one surface Iges,VDA,Catia,Icem Sheet material ASCI-Data Blank shape Pressure forces Tribology Failure criteria 24

26 A.1.2. FAST FORM 3D Kontaktperson Larsgunnar Nilsson Engineering Research AB Gransbov.29 5E Ljungsbro Sweden Phone: +46 (0) Fax: +46 (0) USA: Fast_Form3D CAT/Form3D Form3D Distributor: Engineering Research Nordic AB On what platforms does the software work (NT, Unix, Linux)? WindowsNT/9/2000 (PC), UNI (IBM,SUN,SGI) Limited version Form3D, PC/WindowsNT/9/2000 only What is the list price for the software? Fast _Form3D USD :- per year CAT/Form3D USD :- per year (Will be reduced by the cost of CATIA mesher for a 3-years agreement) Form3D USD 6 000:- per year (Limited version of Fast_Form3D; no Taylor blank, no user defined blank) o Does the price differ on different platforms? No Is the software "complete" or do I have to purchase some other software for meshing etc.? Prices for these? Programs are complete and include pre- & post processing. However, options are available for extended capabilities of Fast_Form3D: - Fast Springback USD 7 500:- per year - Fast Dieface USD 7 500:- per year - Major Undercut, USD 5 000:- per year (package price discount)

27 What types of products can you analyze? o Can you analyze tailored blanks with the same thickness or with two different thicknesses? What about the weld?. Several thicknesses can be given. The weld is handled as a line of thickness discontinuity. o Can you analyze hydro-formed sheet metal?, by assigning were bends occur. o Can you analyze hydro-formed tubes?, with some limitations. Tube must have a limited bending radius. Is it possible to analyze: o Different blank geometries and flanges? o Draw beads? o Punch forces? o Blank holder forces? No, must be assigned o Tribology influence. Only within the Coulomb friction assumption. Can you detect: o Wrinkling? How?. From combination of compressive strains. o Stretcher strains? o Sheet thinning o Failure (cracking), following a given FLD o Low strain areas. Are visualized using the Safety Forming diagram Are there limits (in minimum strains e g) where the software is not recommended? No 26

28 Are there different material models? All material models follows total plasticity o Which models? 1. Power law hardening plasticity 2. Piece-wise hardening plasticity (user defined stress-strain pairs) Can you evaluate the results with FLD? What input do you need to perform an analysis? (Use the table below and mark/fill in which form the input must have) Input Necessary Optional In which form Final part geometry IGES or VDA/FS Tool both surfaces No No Tool one surface No IGES or VDA/FS. Could be used as alternative part geometry. Sheet material Material data. Material Data Base supplied with the programs. The user can extend this database. Blank shape No Mesh data. Alternatively, mesh obtained from IGES or VDA/FS surface Pressure forces No Input data as magnitude, orientation, and location Tribology Coefficient of friction Failure criteria No FLD. Defined from strain pairs 27

29 A.1.3. HYPERFORM Kontaktperson: Håkan Carlsson Altair Engineering AB IDEON Research Park Scheelev 15, Alfa-Huset SE Lund Sverige Phone: +46 (0) Cellphone: +46 (0) Fax: +46 (0) USA: On what platforms does the software work (NT, Unix, Linux)? Windows 98, 2000, NT and Unix platforms (SGI, HP, Sun, SGI) What is the list price for the software? odoes the price differ on different platforms? The current price in Scandinavia is 136,800 SEK/year (38 HWU's) for any platform Is the software "complete" or do I have to purchase some other software for meshing etc.? Prices for these?, it is "complete" with state of the art mesher, pre- and post processor and a super-fast solver. What types of products can you analyse? ocan you analyse tailored blanks with the same thickness or with two different thicknesses? What about the weld?, you can easily model tailor welded blanks with same or different thicknesses and material properties. You can track the movement of the weld line between the initial and final part. 28

30 ocan you analyse hydroformed sheet metal? ocan you analyse hydroformed tubes? Not in the current version. What types of products are not possible to analyse? Works well for most product geometries so far. Is it possible to analyse: odifferent blank geometries and flanges?, the effect of different blank geometries can be studied. Flanging feature is currently being developed. odraw beads?, drawbead locations and associated force levels can be prescribed. opunch forces?, the punch force output will be available in HF5.0 to be released Dec oblank holder forces?, blankholder force level can be prescribed. otribology influence., through Coulomb friction coefficient. Can you detect: owrinkling? How?, based on strain ratios in the forming limit diagram. Wrinkle areas are identified while post processing. ostretcher strains No osheet thinning, both thickness values and percentage thinning are available while post processing. ofailure (cracking), failure areas are indicated on the forming limit diagram. olow strain areas, low strain areas can be clearly identified. 29

31 Are there limits (in minimum strains e g ) where the software is not recommended) Not recommended for forming processes that may involve several draw stages. Are there different material models? owhich models? The material model incorporates planar anisotropy which can clearly represent the variation of sheet metal properties as a result of the manufacturing process. This model can also be simplified to transverse anisotropy and isotropic materials. Could you evaluate the results with FLD?, FLD data is presented very nicely with clearly identified failure, wrinkling and safe zones using either user defined forming limit curves or automatically calculated failure curves based on material properties. 30

32 What input do you need to perform an analysis? (Use the table below and mark/fill in which form the input must have) Input Necessary Optional In which form Final part geometry Geometry data (iges, catia, ug etc.) that will be meshed before analysis. Tool both surfaces No If both tool surfaces are present in the geometry data, the mesher can be used to extract one of the surfaces which can then be offset to its midplane. Tool one surface The analysis can be done using either the final part geometry or with the tool geometry with an estimated final part boundary. Sheet material Blank shape No To study the effect of blank shape, the data is only required during post-processing of results. Pressure forces If exact values are not available, qualitative levels (high, low, medium) can be used. Tribology As a typical Coulomb friction coefficient Failure criteria For steel the software can calculate FLDs based on material properties. For Aluminium and other materials user defined failure criteria is recommended which should be input as major and minor strain points. 31

33 A.1.4. PAM-Quickstamp Kontaktpersoner: Mr Marc Lambriks Mr Mark Vrolijk Engineering System International Gebouw Kortland Nieuwe Tiendweg EN Krimpen aan den IJssel The Netherlands Phone: Fax: On what platforms does the software work (NT, Unix, Linux)? PAM-Quikstamp (both the Direct and the Inverse solver) run on Unix and NT platforms. What is the list price for the software? EUR per Year Is the software "complete" or do I have to purchase some other software for meshing etc.? Prices for these? PAM-Quikstamp Inverse will be complete (as far as the entire FE part is concerned) and is packaged with mesher, pre-processor, solver and post-processor. What types of products can you analyse? ocan you analyse tailored blanks with the same thickness or with two different thicknesses? What about the weld? See below o Can you analyse hydroformed sheet metal? See below ocan you analyse hydroformed tubes? Both PAM-Quikstamp Inverse and Direct solver can handle two sheets with different thicknesses or material properties. PAM-Quikstamp Inverse cannot make a difference between the material and the weld line, whereas PAM-Quikstamp Direct can make a difference by defining a different material property for the heat-affected zone. PAM-Quikstamp Inverse contains a module for tube hydroforming but is rather limited. PAM-Quikstamp Direct cannot do any hydroforming at the moment. All the (tube -) hydroforming options are available from PAM-STAMP. 32

34 What types of products are not possible to analyse???? Is it possible to analyse: PAM-Quikstamp Inverse PAM-Quikstamp Direct Different blank geometries and flanges? No, the part geometry serves as starting point, you start with initial blank sheet Draw beads? Punch forces? No No Blank holder forces? Tribology influence?, coulomb friction, coulomb friction Can you detect: PAM-Quikstamp Inverse PAM-Quikstamp Direct Wrinkling? How?, by FLD, by FLD and by special contour Stretcher strains, by principal strain contour, by principal strain contour Sheet thinning Failure (cracking), by FLD, by FLD Low strain areas, by FLD Are there limits (in minimum strains e g ) where the software is not recommended???? Are there different material models? No, both PAM-Quikstamp Inverse and PAM-Quikstamp Direct use a simplified material model. Only PAM-STAMP has more advanced material models such as a special model for steel and aluminium plus the possibility to model strain-rate hardening, kinematic hardening etc. Could you evaluate the results with FLD?, all the packages have the possibility to visualize the forming limit curve (FLC) and project the forming limit data (FLD points) on top of this.

35 What input do you need to perform an inverse analysis? (Use the table below and mark/fill in which form the input must have) Input Necessary Optional In which form Final part geometry No Structural mesh Tool both surfaces No No??? Tool one surface No No??? Sheet material No Material data (stress/strain + normal anisotropic value) Blank shape No One can use the surface definition of the binder to obtain a better analysis Pressure forces No The pressure on the blankholder can be used as an input. Tribology No The friction data can be defined when modelling the die addenda. Failure criteria No The failure criteria can be defined beforehand in order to visualize failure in part. 34

36 A.2. Svaren från enkäterna för de inkrementella lösarna A.2.3. ABAQUS/Standard and Explicit Kontaktperson: n Granlund FEM-Tech AB Pilgatan 8 SE VÄSTERÅS femtech@femtech.se Tfn: Fax: On what platforms does the software work (NT, Unix, Linux)? Currently ABAQUS is available on the most common Unix platforms and Windows NT. We expect to see a Linux version in the near future. What is the list price per year for the software? ABAQUS uses a token system where the number of tokens required for a specific tasks depends on computer category and products used. Approximately from USD per Year. For a more detailed cost analysis, please contact FEM-Tech Does the price differ on different platforms? Please, contact FEM-Tech Is the software complete or do I have to purchase some other software for meshing etc? Prices for these? We offer all components for FE-analysis, i.e pre- and postprocessing and solvers. Hardware specific extra options like compilers (if user subroutines will be used) are not included. For Windows NT the -windows emulator Exceed and Exceed3D is required and must be purchased separately. Is it a user-friendly interface for people with low knowledge of simulations? Is it a need to have programming knowledge? No, unless advanced functions like user subroutines will be used 35

37 What types of forming operations can you analyse? o Can you analyse tailored blanks with the same thickness and with different thickness? What about the weld?, concerning the weld it depends of course on available material data and model size may become large o Can you analyse tubular hydroforming? o Can you analyse hydroforming of sheets? What types of products are not possible to analyse? No principal limitations Is it possible to analyse: o Different blank geometries and flanges? o Draw beads? o Punch forces? o Blank holder forces? o Tribology influence? Assuming friction between is referred here. General friction (isotropic, anisotropic for example) can be modelled. In the normal direction ABAQUS can utililize hard contact, or softened contact (some flexibility in the contact point can be introduced) Can You detect: o Wrinkling? How?, look at deformed plots o Stretcher strains? Contour plots of strains o Sheet thinning? Contour plots of shell thickness 36

38 o Failure (cracking)? General capabilities for analysing different kinds of failures are available. In particular in ABAQUS /Explicit this can be done with several different failure criteria. o Low strain areas? Contour plots of strains o Springback? How? Normally by removing the tools. The springback can be done using ABAQUS /Standard while the forming analysis usually is done using ABAQUS/Explicit. How many and what types of material models (flow criteria) are included in the program? Mises, Hill (anisotropic Mises type) with or without rate dependence. Rate dependent Johnson-Cock plasticity model is also available. There are also pressure dependent models of Drucker Prager type (fricion type material) available. How is the true plastic stress-strain behaviour described? Tabulated data Can you evaluate the results with FLD? General postprocessing capabilities include saving data fields and capabilities to perform analytical operations and combinations which allows easily to construct custom results quantities based on total values of stresses, strains or other output results. For quantities that require time history integration of field output, postprocessing subroutines can be used. What input do you need to perform an analysis? (Use the table below and mark/fill in which form the input must have) Input Necessary Optional In which form Final part geometry x For evaluations purposes Tool, both surfaces x Tool, one surface x Sheet material x Blank shape x Pressure forces x Tribology Failure criteria What do you think that makes your software unique compared to others? The combination of a general implicit solver (ABAQUS/Standard) and the explicit solver ABAQUS/Explicit that can be use together and offer a capability to perform analysis sequences from manufacturing to final product performance). 37

39 A.2.2. AUTOFORM Kontaktperson: Pieter J. van der Weijde Area Manager AutoForm Engineering Deutschland GmbH Emil-Figge-Str D Dortmund Germany Phone: +49 (0) Fax: +49 (0) Pieter J. van der Weijde Area Manager Phone Nr Holland : (++ 31) (0) / ; Fax Holland : (++ 31) (0) , p.j.vanderweijde@worldonline.nl or pieter@autoform.de On what platforms does the software work (NT, Unix, Linux)? Works on NT, 2000, Unix and Linux (solver only for Linux) What is the list price per year for the software? Price lists are not shipped for competitive reasons. Multi year and multi program discounts exist. For large companies who buy many software packages corporate discounts exist. Price is also dependent of the software modules wanted. Our average user pays about EURO per year. We are considering a special pricing policy for very small companies but has not been worked out completely yet. Does the price differ on different platforms? No Is the software complete or do I have to purchase some other software for meshing etc? Prices for these? Software is very complete, fully integrated pre- and post, automatic meshers which read e.g. IGES or VDA from CAD e.t.a. are available and included in license fees. However, additional pre - and post can be purchased when the user feels the need that e.g. pre- and post must be enabled on more machines/places then where solver runs. 38

40 Is it a user-friendly interface for people with low knowledge of simulations? Undoubtedly the software currently is the most userfriendly in the world. No knowledge of FE technology or plasticity is needed as long as the user understands metal forming phenomena. All meshing (starting from CAD output), time step determination, mesh refinements and de-refinements are performed fully automatically. Working with the software is till a very large very intuitively like in reality. The software currently runs at least ten times faster (CPU) than the nearest competitor without any sacrifice in accuracy. Is it a need to have programming knowledge? No, Unix or Windows will do What types of forming operations can you analyse? All kinds of deep drawing simulations can be performed. Can you analyse tailored blanks with the same thickness and with different thickness? What about the weld?, with same and different thickness. Sigma-Epsilon curve for weld line can be inputted. Can you analyse tubular hydroforming? with AutoForm HYDRO Can you analyse hydroforming of sheets? What types of products are not possible to analyse? Sandwich and double sheets not possible Is it possible to analyse: o Different blank geometries and flanges? o Draw beads? o Punch forces? o Blank holder forces? o Tribology influence? 39

41 Can You detect: o Wrinkling? How?, fully visualised o Stretcher strains?, fully visualised o Sheet thinning?, fully visualised o Failure (cracking)?, fully visualised o Low strain areas?, fully visualised o Springback? How?, fully visualised. N.B. : AutoForm has a Spring Back module which is amongst the most advanced in the world. However, in the land of blind One -Eye is king. We are of opinion that at the current state of the technology nobody can guarantee an accurate prediction of Spring back phenomena in all cases. To the best of our knowledge nobody at the moment has a precise insight in the complex interaction of all parameters and phenomena causing spring back. Therefore the Spring Back module should be used with care. It should rather be used to investigate trends then to fully rely on the precise outcome of computations. How many and what types of material models (flow criteria) are included in the program? There is a relatively voluminous library of steel and aluminium material available within the software. Hill 90 available. How is the true plastic stress-strain behaviour described? Do not know, have to check Can you evaluate the results with FLD? 40

42 What input do you need to perform an analysis? (Use the table below and mark/fill in which form the input must have) Input Necessary Optional In which form Final part geometry yes/no, i.e yes CAD or tool geometry Tool, both surfaces no yes CAD Tool, one surface no yes CAD Sheet material No (if in yes Usual input parameter units library) Blank shape no yes CAD Pressure forces yes/no, yes Usual input parameter units software helps you Tribology /no, yes Usual input parameter units software helps you Failure criteria no yes What do you think that makes your software unique compared to others? Combination of unbeaten speed (CPU and man hours), extremely high user friendliness combined with highest accuracy currently possible N.B. : AutoForm has a variety of software packages all dealing with metal forming! 41

43 A.2.3. LS-DYNA Kontaktperson: Larsgunnar Nilsson Engineering Research AB Gransbov Ljungsbro Sverige Phone: +46 (0) Fax: +46 (0) Engineering Research is the distributor of LS-DYNA in the Nordic Countries and the Baltic States. On what platforms does the software work (NT, Unix, Linux)? LS-DYNA runs on NT, Unix and Linux LS-DYNA can be run on parallel computers. What is the list price per year for the software? Price on NT platforms starts at USD per year, On Linux and Unix the license fee start at USD per year, depending on computer platform and number of users Does the price differ on different platforms? On Unix and Linux the license fee depends on computer platform and number of users. Is the software complete or do I have to purchase some other software for meshing etc? Prices for these? The LS-DYNA package includes the preprocessor LS-INGRID and the postprocessor LS-POST. LS-INGRID will be replaced by a new preprocessor in the near future. For sheet metal forming we recommend the special purpose pre - and postprocessor eta/dynaform. The licence fee of eta/dynaform without LS-DYNA is USD 6.000:- on WindowsNT and USD on Unix per year. Also other pre&postprocessors are available from us. Is it a user-friendly interface for people with low knowledge of simulations? LS-DYNA is only recommended for persons with a good knowledge in non-linear FE analysis. 42