Twentse werktuigbouwkundigen hebben begin jaren tachtig een computerprogramma ontwikkeld dat metaalbewerkingsprocessen kan modelleren. Het voordeel van zo'n programma is dat je daarmee zulke processen achter het beeldscherm kunt optimaliseren. Het numerieke simulatieprogramma Dieka is gebaseerd op de 'eindige-elementenmethode', een wiskundige strategie die het complexe vervormingsproces opdeelt in handzame kleine stukjes.
Dieka begon in 1982 met een idee van prof.dr.ir. Han Huétink, hoogleraar bij de vakgroep Technische Mechanica (WB). Het programma is sindsdien door verschillende promovendi uitgewerkt voor bewerkingen als walsen, dieptrekken en extrusie. Dr.ir. Bart Carleer (WB) wist de unieke Twentse software onlangs verder te perfectioneren. Carleer promoveerde 14 maart bij prof. Huétink op 'Eindige elementen analyses van het dieptrekproces'.
Dieptrekken is een techniek voor het vervormen van metaalplaat die onder meer wordt toegepast voor carrosserie-onderdelen van auto's, zoals spatborden en 'zitschalen'. De vlakke plaat wordt ingeklemd tussen een matrijs en een plooihouder, waarna een stempel de plaat vervormt. De plaat wordt daarbij door de stempel tussen matrijs en plooihouder 'weggetrokken' (wrijving is in het hele proces daarom een belangrijke factor).
Interessant
Carleer: 'Simulatie van het dieptrekproces is voor de industrie interessant omdat het steeds sneller en goedkoper moet. Bovendien wordt men steeds kritischer. Men wil steeds dunnere of lichtere materialen. Je hoeft een persmeester op de werkvloer niets te vertellen over het dieptrekken van staal, maar hoge sterkte-stalen, aluminium of sandwich-laminaat (een kunststofplaat met een dunne aluminium-huidlaag) zijn een ander verhaal. Het proces is hetzelfde, maar het materiaal gedraagt zich anders.'
Dieka kon zulke dieptrekprocessen al vóór Carleer heel aardig modelleren. Het simulatieprogramma deelt de vlakke metaalplaat daartoe op in elementen, kleine vakjes waarvoor betrekkelijk eenvoudige vergelijkingen zijn op te stellen. Dieka analyseert per vakje wat daarmee in het proces gebeurt. Daarna combineert het al die uitkomsten tot een model.
Carleer wilde Dieka nog beter laten aansluiten op de eisen van het industriële dieptrekproces. Het programma moest dat proces nog nauwkeuriger beschrijven. Daarvoor keek hij naar het contact tussen plaat en gereedschap (matrijs, plooihouder en stempel). Hij verbeterde het rekenwerk van Dieka op dat punt door het zogenaamde 'pinball-algoritme' te introduceren.
Wrijvingsmodel
Daarnaast breidde Carleer Dieka uit met een nieuw 'wrijvingsmodel'. Het programma hanteert niet langer een constante maar een variabele wrijvingscoëfficiënt, die afhangt van de condities op de verschillende contactpunten. Daardoor kan Dieka beter rekening houden met de interactie tussengreedschap (met name matrijs en plooihouder) en plaat.
Tenslotte introduceerde Carleer een 'materiaalmodel' waarbij de eigenschappen van het materiaal beter worden verdisconteerd, zoals spannings- en elasticiteitsassen en de door het walsproces veroorzaakte anisotropie - de mate waarin gewalst materiaal zich in verschillende richtingen anders gedraagt (vergelijk de vleug in drukpapier). 'Unieke verbeteringen', zegt Carleer, 'die geen enkel vergelijkbaar pakket kan bieden.'
Dat rekenwerk is geen sinecure. Carleer toont een diepgetrokken S-rail - een 3,7 centimeter diepe, zijwaarts geknikte stalen sleuf die hij met Dieka modelleerde. Dieka deelde de oorspronkelijke plaat in zesduizend elementen op (met elk 18 'vrijheidsgraden'). Vervolgens had het programma honderd rekenstappen en veertien rekenuren nodig om te voorspellen hoe de S-rail er qua spanning, vervorming en plooivorming zou komen uit te zien.
Aanpassen
Dat lijkt veel, erkent Carleer. 'Maar daar staat tegenover dat een fabrikant bij het modelleren alle variabelen net zo lang kan aanpassen tot ze goed zijn. Je kunt zo in feite 90 procent van het trail-and-error proces dat voorafgaat aan het maken van een matrijs achter de computer doen. Dat verkort de ontwikkeltijd en drukt de productiekosten enorm.' Het maken van een goede dieptrek-matrijs kost volgens Carleer al gauw een ton.
Ook uit experimenten met andere dieptrekproducten, variërend van een simpel vierkant bakje tot een koplamphuis en een minimotorkap van sandwichlaminaat, bleek dat het door Carleer verbeterde Dieka uitstekend kon voorspellen hoe het materiaal zich zou gedragen en of er misschien plooi- of scheurvorming zou optreden. Dieka is kortom zeer veelzijdig.
De door Carleer verbeterde software gooide vorig jaar dan ook hoge ogen op de internationale conferentie Numisheet '96 in de Verenigde Staten. Daar werden in een zogenaamde 'benchmarking test' verschillende simulatiepakketten aan experimentele resultaten getoetst om te kijken in hoeverre ze de bij het dieptrekken optredende spanningen, vervorming en plooivorming correct konden voorspellen. Dieka bracht het er prima van af.
Mogelijkheden
Nu Dieka geschikt blijkt om de dieptrekeigenschappen van materialen te onderzoeken, ziet Carleer nog meer mogelijkheden. 'Je kunt je voorstellen dat je eerst een produkt ontwerpt en daarna, als het dieptrekprocédé van toepassing is, het ideale materiaal uitrekent. Dus niet zoals nu bestaande materiaaleigenschappen invoeren, maar ideale eigenschappen zoeken en vervolgens proberen te realiseren. Maar dat is nog toekomstmuziek.'
Dat Dieka een simulatieprogramma is wil niet zeggen dat Carleer het dieptrekken afstandelijk bekijkt. 'Toen ik de plooien op de experimentele S-rail zag sprong ik een gat in de lucht. Dieka had ze precies zo voorspeld, maar ik had niet verwacht dat de gelijkenis zo groot zou zijn. Op zulke berekeningen kicken we hier.' Hij voelt liefdevol aan het ding in zijn handen: 'Het gaat niet om het computerprogramma. Dat is uiteindelijk maar een hulpmiddel om het dieptrekproces te doorgronden. Want dat is het leuke van dit vak: het gaat om het maken van tastbare producten.'
De metaalindustrie heeft grote belangstelling voor Dieka. Vooral Hoogovens Research & Development volgt de verrichtingen van de Twentse werktuigbouwkundigen op de voet. Hoogovens financiert veel van het Dieka-onderzoek (waaronder het promotieproject van Carleer) en neemt ook regelmatig afgestudeerden in dienst die met het programma bekend zijn. De UT-software wordt al enkele jaren gebruikt in de staal- en aluminiumbewerking.
'Wij doen het ontwikkelwerk, Hoogovens past het toe', vat Carleer derelatie samen. Maar onderzoeksleider Huétink wil geen volledige commercialisatie. De voortgang van het eigen onderzoek staat voorop. De vakgroep kiest voor een samenwerking waarbij de groep kennis en software en partner Hoogovens interessante praktijkproblemen en fondsen aanlevert.
Prof. Huétink hoopt dat Dieka ooit het 'gat' tussen ontwerp en productie kan dichten. Computers worden nu volop ingezet bij ontwerp (Computer Aided Design, CAD) en productie (Computer Aided Manufacturing, CAM). Maar om van CAD naar CAM te komen is het aloude vakmanschap nog onmisbaar. Programma's zoals Dieka kunnen volgens Huétink computerondersteuning voor het hele traject mogelijk maken: Computer Aided Engineering, CAE.
Carleer bij een badkuip die hij met DIEKA modelleerde.
