熱間プレス成形シミュレーションの進展についての考察
10年ほど前、オートフォーム社はプレス成形部品のシミュレーションにおいて、熱間プレス成形工程のソリューションを発表しました。本稿では、初代からソリューションを活用している金属部品のメーカー、ゲスタンプ社PH標準化/高度製造マネージャのボルハ・フェルナンデス氏と、このソリューションを統括しているオートフォーム社テクニカル・プロダクト・マネージャのアルパー・ギュナー博士から、お話を伺いました。
プレス成形部品の熱間プレス成形工程は、複雑で規模が大きく、躊躇しがちなコンセプトです。この難易度の高い工程は、自動車の軽量化およびパッシブ・セーフティ技術の維持や発展の両端を担う技術手法として、数年をかけて実用化されました。
この技術には、低延性と高いスプリングバックを伴う超高強度鋼材(UHSS)の使用や、この工程における金型の過剰な摩耗など、取り組むべき課題がまだ多くあります。
また熱間プレス成形では、シートの変形だけでなく、材料の微細構造の変換も考慮しなければなりません。そのため、機械的工程と熱工程の連成をコントロールし、適正に定義することが非常に重要です。
工程設計、ダイフェース・レイアウト、金型設計に携わるエンジニアにとって、冷間および熱間プレス成形を適切に運用するには、共通のフレームワークやデジタル・プラットフォームを通じて知見を効率的かつ効果的に共有し、それぞれの核心技術を強化することが重要です。
2009年当時、熱間プレス成形シミュレーション、設計、金型トライアウトを手がける技術系企業のDIEDE社に勤務していたボルハ・フェルナンデス氏は、数あるソフトウェアの中でもインターフェースの使い勝手が抜群に良いオートフォームに関心を持っていました。
「部品のフィージビリティ検討はもちろん、設計した冷却システムの効率確認を非常に重要視していました。当時、この要望に対応しているプレス成形ソフトウェアはありませんでした」とフェルナンデス氏は語っています。
2010～11年に、熱間プレス成形工程をシミュレーションするAutoFormソリューションが初めて発表されたのです。ギュナー博士は、次のように説明します。「技術専門誌やウェブサイト、カンファレンスの議事録といった様々な刊行物を調べてゆくと、オートフォーム社のソリューションが発表されるまで、熱間プレス成形のモデリングの大半が、簡易的な仮定に基づいていたことがわかります。当時のシミュレーション・ソフトウェアではオーステナイト流入曲線のみを使用し、たとえば弾性の温度依存や相依存の体積変化など、多くのパラメータが考慮されていませんでした。工程設計者たちは、材料モデルが単純化されすぎていることを認識していて、より緻密で高精度なソリューションを求めていました。オートフォーム社は最初のバージョンのリリースから一貫して、これらの問題に対処してきました。成形中から後工程のクエンチングまで、超高温での材料の状態を考慮する機械的工程のモデル化にあたっては、ボルハ・フェルナンデス氏が評価していた、直感的で使い勝手の良いインターフェースの開発を重視するオートフォーム社の理念に沿って開発がすすめられました」。
数年のうちに熱間プレス成形の需要は急速に高まりました。この熱間プレス成形工程で製造された最初の部品には、1984年モデルのSAAB 9000などがあります。今日では、ホワイトボディ部品の40%超に熱間プレス成形が採用されています。
図1:冷却水路があるパンチとスポット溶接したパッチワーク・ブランク
その後、金型の挙動を極限まで最適化しながら納入時間の短縮を導く、新たな技術手法が開発されました。フェルナンデス氏が先に述べたとおり、鍵となるのが金型の冷却水路の検証です。AutoForm ソフトウェアの最新バージョンに搭載された、冷却システムを定義および検証する機能について、ギュナー博士は次のように説明しています。 「さまざまな技術を活用しながら、求められるソリューションを開発しました。たとえば金型工場では、冷却水路の冷却効率と最終製品特性への影響について、特に検討する必要があります。よって冷却水路を考慮した金型の3D熱伝導を導入しました。またパッチワーク・ブランクの使用頻度が高いことにも着眼し、個別のブランクがスポット溶接で結合されているパッチワーク・ブランクを正確にモデル化する機能を追加しました。これによりパッチワーク・ブランクやスポット溶接の不具合をより正確に検証できるようになりました。他にも温度依存のFLCや温度依存のr値など、材料パラメータをより柔軟に定義できるようにしました。最終的には金型の加熱や部分的な冷却など、さまざまなモデリング手法を順次取り入れました」。
またフェルナンデス氏はこう述べています。「冷却システム試験からプレス成形部品の微細構造の予測まで、AutoFormソフトウェアは幅広い技術分野に対応できます。また、プロセス・ウィンドウ予測モジュール(AutoForm-Sigma)を使い、シミュレーションしたモデルのロバスト性も包括的に検証できるようになりました。AutoFormを使用する主なメリットの1つは、複数のソフトウェアを必要とせず、1つのソフトウェアのみを工程全体に活用できることです。プレス成形工程をシミュレーションし、冷却水路の分布を確認し、展開した外形線を最適化し、部品の金属組織がどうなるか検証できます。これらすべてをひとつのソフトウェアでできてしまうのです。それに加えて、AutoFormは高い技能を有する専門家たちによって監修されています」。
近年、業界を牽引しているインダストリー4.0は、プラットフォーム標準によってはスマート・インダストリーやデジタル・トランスフォーメーションとも呼ばれます。これは精度の高いデジタル技術を活用し、着実な品質改善や大幅なコスト削減を達成するデジタル・イノベーションによって、ビジネス・プロセスの変革を促進するものです。オートフォーム社はこの方向性と同じく、長年にわたってプレス成形プロセス・チェーン全体のデジタル化に対する取り組みを続けています。先日、新製品となるAutoForm-TryoutAssistantを発表しました。これはトライアウトや生産を担当する部署をサポートし、また技術部と工場を双方向につなぐ画期的な製品です。ギュナー博士は、「オートフォーム社は、エンジニアリングのプロセス・チェーンに沿ってプロセスを最適化する効率的なツールを設計者に提供したいと考えています。熱間プレス成形においては、技術開発が進められている新たな手法や材料のすべてに対応できる完全なソリューションを目指しています」と締め括りました。
熱間プレス成形は、間違いなく今後も需要が見込まれる技術手法です。すべての先端技術のように、プロセスを最大限に最適化する信頼できる正確なシミュレーション・ソフトウェアが必要です。
