Methode zur modellgetriebenen Konstruktion von Tiefziehwerkzeugen

Abstract

Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens wurde eine grafische domänenspezifische Model- lierungssprache (GDSL) entwickelt und prototypisch implementiert, um die Abbildung der Pro- duktlogik in der parametrischen Konstruktion von Umformwerkzeugen signifikant zu vereinfa- chen. Aufbauend auf den Ergebnissen der ersten Projektphase wurde die GDSL erweitert, um die steigende Komplexität von Werkzeug- und Bauteilgeometrien sowie Anforderungen ver- schiedener Umformverfahren zu adressieren. Die Methode erlaubt es, Werkzeuge und Werk- stücke modellbasiert darzustellen und miteinander in Beziehung zu setzen – inklusive Zwi- schen- und Vorformgeometrien. Zentrale Innovation ist die Trennung von Geometrie und Parametrik. Durch eine strukturierte visuelle Sprache können Konstrukteure ohne tiefgehendes Expertenwissen Werkzeuge an de- finierte Bauteilanforderungen anpassen. Dies verkürzt Entwicklungszeiten, reduziert Schu- lungsaufwand und erlaubt eine schnellere Reaktion auf Kundenanforderungen. Unterstützt wurde dies durch einen dual-hierarchischen Visualisierungsansatz, der Werkzeug- und Werk- stückmodelle grafisch als Baumstrukturen abbildet. Relationen wie geometrische Abhängig- keiten oder funktionale Kopplungen werden visuell und interaktiv dargestellt. Die GDSL wurde iterativ erweitert, um auch mehrstufige Umformprozesse abzubilden. De- monstriert wurde dies am Prozess der Blechmassivumformung, bei dem aus einer Blechronde in mehreren Schritten (Tiefziehen, Stauchen, Stanzen) ein Zahnrad entsteht. Die CAD-Kon- struktion basiert auf parametrischen Bauteilen in Catia V5; Modellierungsdaten wurden in SysML-Strukturen überführt. Ein Schwerpunkt lag auf der Integration von Anforderungen nach Methoden des Requirements Engineerings. Diese ermöglichen es, funktionale Anforderungen direkt mit Werkzeugparametern zu verknüpfen – eine wichtige Erweiterung zur Sicherstellung von Rückverfolgbarkeit. Ergänzt wurde die GDSL durch ein Metamodell, das Parameter, Beziehungen und Constraints systematisch klassifiziert und in ein Layout überführt. Ein Klassifikationsschema zur konkreten Syntax von graph-like modeling languages (GLML) wurde entwickelt und mit bestehenden Layoutverfahren abgeglichen. Die GDSL ist modular, interaktiv und erweiterbar und lässt sich auf andere Anwendungsgebiete des Systems Engineerings übertragen. Die Ergebnisse wur- den in Fachpublikationen und auf Konferenzen mit hoher positiver Resonanz vorgestellt. Ins- besondere die strukturierte Entkopplung von parametrischer Logik und geometrischer Model- lierung eröffnet neue Möglichkeiten in der digitalen Konstruktion. Die im Projekt entwickelten Ansätze tragen zur Verbesserung der Kollaboration, der Reaktionsgeschwindigkeit sowie der Qualität in der digitalen Produktentwicklung bei – Aspekte, die in einer Unternehmensbefra- gung als zentrale Herausforderungen identifiziert wurden. As part of this research project, a graphical domain-specific modelling language (GDSL) was developed and prototypically implemented in order to significantly simplify the mapping of prod- uct logic in the parametric design of forming tools. Based on the results of the first project phase, the GDSL was extended to address the increasing complexity of tool and component geometries as well as the requirements of different forming processes. The method allows tools and workpieces to be modelled and related to each other - including intermediate and preform geometries. The central innovation is the separation of geometry and parametrics. Thanks to a structured visual language, designers can adapt tools to defined component requirements without in- depth expert knowledge. This shortens development times, reduces training costs and enables a faster response to customer requirements. This was supported by a dual-hierarchical visu- alisation approach that graphically depicts tool and workpiece models as tree structures. Re- lationships such as geometric dependencies or functional couplings are visualised interac- tively. The GDSL was iteratively expanded to also map multi-stage forming processes. This was demonstrated using the sheet metal forming process, in which a gear wheel is created from a sheet metal blank in several steps (deep drawing, upsetting, punching). The CAD design is based on parametric components in Catia V5; modelling data was transferred to SysML struc- tures. One focus was on the integration of requirements using requirements engineering meth- ods. These make it possible to link functional requirements directly with tool parameters - an important extension for ensuring traceability. The GDSL was supplemented by a metamodel that systematically classifies parameters, rela- tionships and constraints and transfers them into a layout. A classification scheme for the con- crete syntax of graph-like modelling languages (GLML) was developed and compared with existing layout methods. The GDSL is modular, interactive and extendable and can be trans- ferred to other application areas of systems engineering. The results were presented in spe- cialist publications and at conferences with a highly positive response. In particular, the struc- tured decoupling of parametric logic and geometric modelling opens up new possibilities in digital design. The approaches developed in the project contribute to improving collaboration, reaction speed and quality in digital product development - aspects that were identified as key challenges in a company survey.