Umformtechnik Einsatz für Höchstleistungen

Keramische Formeinsätze können für längere Werkzeugstandzeiten in der Blechumformung sorgen.

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Auf dem Gebiet der Blechumformung steigen die Anforderungen seitens der Industrie hinsichtlich Standmengen, Bauteilfestigkeiten und -qualität. Dies erfordert die Entwicklung und den Einsatz von neuen, innovativen Werkzeugkonzepten und -werkstoffen, da konventionelle Werkzeuge diese Ansprüche häufig nicht oder nur unzureichend erfüllen.Tiefziehwerkzeuge mit Einsätzen aus keramischen Werkstoffen lassen aufgrund der möglichen Verbesserung der tribologischen Eigenschaften und der damit verbundenen Verringerung der Verschleißneigung ein großes Potenzial für die Praxistauglichkeit erwarten. Dabei sind jedoch die besonderen materialspezifischen Eigenschaften dieser Werkstoffgruppe wie zum Beispiel die geringe Zugfestigkeit und die Empfindlichkeit gegenüber lokalen Spannungsspitzen zu beachten und bei der Entwicklung entsprechender Werkzeuge zu berücksichtigen.Erste Erprobungen im Rahmen von Forschungsprojekten haben die Eignung sowohl für einfache Tiefziehwerkzeuge als auch im Bereich der Massivumformung gezeigt.Die Umsetzung der gewonnenen Erfahrungen erfolgt im Rahmen eines Forschungsprojekts, das zum Ziel hat, Keramiken in komplexen Werkzeugen für die Blechumformung in der Serienproduktion einzusetzen.Im Zuge des hohen Kostendrucks bei der Herstellung von Blechbauteilen und auch aufgrund der Verwendung neuer Blechwerkstoffe steigen die Anforderungen an den Umformprozess und damit verbunden auch an die eingesetzten Werkzeuge. Dabei stehen unter anderem lange Werkzeugstandzeiten und eine hohe Oberflächenqualität der Produkte im Vordergrund.Keramiken sichern höhere Standzeiten bei guter QualitätDies gestaltet sich jedoch gerade im Bereich der Automobilindustrie problematisch, da dort vermehrt Blechwerkstoffe mit immer höheren Festigkeiten eingesetzt werden, was mit einer deutlichen Steigerung der Prozesskräfte und damit auch der Werkzeugbeanspruchung einhergeht. Um trotz der höheren Belastung gleiche oder sogar noch längere Werkzeugstandzeiten bei möglichst gleich bleibender Ziehteilqualität realisieren zu können, werden neue Werkstoffe mit entsprechenden Eigenschaften entwickelt und eingesetzt.Eine Werkstoffgruppe, die das Potenzial besitzt, den oben erläuterten Anforderungen gerecht zu werden, stellen die Keramiken dar. Sie weisen besonders hohe Druckfestigkeiten auf und zeigen günstige tribologische Eigenschaften in Verbindung mit vielen Blechwerkstoffen.Keramische Werkstoffe weisen mittlerweile physikalische und mechanische Eigenschaften auf, die auch auf ihr großes Potenzial für den Einsatz in Umformwerkzeugen schließen lassen.Erste mit Keramikeinsätzen ausgestattete Versuchswerkzeuge wurden bereits erfolgreich am Institut für Umformtechnik und Umformmaschinen (IFUM) der Universität Hannover erprobt. Die Umsetzung der dabei erzielten Ergebnisse in praxisnahen Tiefziehwerkzeugen sowie in der Serienfertigung ist Gegenstand des Verbundvorhabens „Kera-Form – Entwicklung keramischer Hochleistungsformeinsätze für die Blechumformung“, welches durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Arbeit (BMWA) im Rahmen des Förderprogramms „Inno-Net – Förderung von innovativen Netzwerken“ unterstützt wird. Der Projektträger ist die VDI/VDE-Technologiezentrum Informationstechnik GmbH. Innerhalb des kooperativen Forschungsprojektes werden Keramikwerkstoffe hinsichtlich ihrer Eignung für den Einsatz beim Tiefziehen untersucht.Eine erste Beurteilung der Eignung eines Werkstoffs zum Einsatz in Tiefziehwerkzeugen erfolgt mit Hilfe von Versuchen, welche die Parameter des Umformprozesses realitätsnah nachbilden. Dabei sind neben der jeweiligen Werkstoffkombination von Werkzeug und Blech auch der Schmierzustand und die beim Umformvorgang wirkenden Kräfte von entscheidender Bedeutung. Ein signifikantes Kriterium ist das Verschleißverhalten unter prozessnahen Bedingungen. Dies wurde am IFUM in Modellversuchen auf einem Verscheißprüfstand untersucht. Dabei werden die Werkzeugbelastungen an einer geraden Ziehkante für ein bestimmtes Prozessintervall nachgebildet. Vermessungen der eingesetzten Probenkörper zeigten, dass sich bei der verwendeten Keramik aus Siliziumnitrid selbst in Kombination mit höchstfesten Blechwerkstoffen nach mehr als 60000 Versuchszyklen kaum Verschleißerscheinungen feststellen ließen. Dies bedeutet eine erhebliche Verbesserung gegenüber konventionellen Werkstoffen und lässt daher eine deutliche Erhöhung der Werkzeugstandzeiten erwarten.Ein weiterer wichtiger Faktor für das Einsatzpotenzial von Werkzeugwerkstoffen stellt die Reibung in Kombination mit dem Blechmaterial dar. Eine Verringerung der Reibung hat eine Reduzierung der Werkzeugbelastung und eine Verbesserung der erzielbaren Oberflächenqualität zur Folge. Die Ermittlung von Reibwerten unter praxisnahen Versuchsbedingungen erfolgt am IFUM durch Streifenziehversuche mit Umlenkung, die den Umformvorgang an einer Ziehkante nachbilden. Die beispielhaft in Tabelle 1 aufgeführte Keramik wies geringere Reibwerte als der zum Vergleich herangezogene konventionelle Werkzeugstahl auf.Keramik im Werkzeugbau verhält sich anders als MetallAußer den oben aufgeführten günstigen Eigenschaften weisen Keramiken jedoch auch Nachteile für den praktischen Einsatz auf, die bereits bei der Gestaltung von entsprechenden Werkzeugen berücksichtigt werden müssen. So sind etwa der Größe und der geometrischen Gestaltungsmöglichkeit aufgrund der aufwendigen Herstellung und Bearbeitung engere Grenzen gesetzt, als dies bei konventionellen Werkzeugwerkstoffen der Fall ist.Die Konstruktion von Komponenten aus keramischen Werkstoffen erfordert eine grundlegend andere Vorgehensweise, als dies bei metallischen Werkstoffen der Fall ist. Eine einfache Substitution metallischer Werkzeugbereiche durch Keramik ist in den meisten Fällen ohne entsprechende Anpassung nicht möglich. Keramische Werkzeuge beziehungsweise Werkzeugeinsätze unterliegen besonderen Anforderungen hinsichtlich einer fertigungs- und beanspruchungsgerechten Gestaltung. Die Verwendung von Werkzeugkomponenten, die vollständig aus Keramiken hergestellt sind, ist nur in Ausnahmefällen möglich. In der Regel werden Einsätze aus diesem Werkstoff an verschleißkritischen Stellen eingebracht (Modulbauweise), die häufig mit Hilfe von Armierungen vorgespannt werden, um gegebenenfalls im Werkzeug auftretende Zugspannungen zu kompensieren. Es existieren zahlreiche Gestaltungsrichtlinien keramikgerechter Werkzeugauslegung, die sich in den vergangenen Jahren aus Erfahrungswerten abgeleitet haben. In Bild 1 werden einige dieser Gestaltungsrichtlinien, die maßgeblich dem Werkzeugversagen vorbeugen, dargestellt.Die Integration eines keramischen Einsatzes in das metallische System setzt besondere Anforderungen sowohl an den Einsatz selbst als auch an dessen Verbindung mit dem Werkzeuggrundkörper voraus. Aus Versuchsergebnissen am IFUM haben sich folgende Verbindungsmöglichkeiten als besonders geeignet herausgestellt:- Schrumpfverbindungen (Querpressverband),- stoffschlüssige Verbindungen (Kleben, Aktivlöten) und- Schraubverbindungen (eingeklebte Gewindebuchse, Durchgangsbohrung).Während bei der Prüfung metallischer Werkstoffe und entsprechender Fügetechniken (Metall-Metall) auf ein umfangreiches Normenwerk zurückgegriffen werden kann, liegt bei der Prüfung von Keramik-Metall-Verbindungen noch keine allgemeingültige Vorgehensweise vor. So haben sich einige Verfahren aus der industriellen Praxis (beispielsweise Vierpunktbiegeversuch, Peel-Test, Scherversuch, Zugversuch) weitestgehend zur Ermittlung von Festigkeitsdaten von Verbundkeramiken durchgesetzt.Um die maximal übertragbare Zugkraft verschiedener Verbindungstechniken unter Verwendung unterschiedlicher Keramikwerkstoffe vergleichen zu können, wurden am IFUM Zugversuche durchgeführt. Hierzu wurden spezielle Probenkörper, angelehnt an die Zugprüfung nach ASTM-Norm F19-64 (American Society for Testing and Materials), welche für die Prüfung aktivgelöteter Keramik-Keramik-Verbindungen entwickelt worden ist, angefertigt. Jeder Probenkörperverbund bestand aus einer metallischen und einer keramischen Komponente, die durch folgende Techniken miteinander verbunden waren:- Klebverbindung,- Aktivlotverbindung und- Schraubverbindung (mit eingeklebter Gewindebuchse).Als keramische Werkstoffe kamen Siliziumnitrid, Zirkonoxid und eine Mischkeramik Zirkon-/Aluminiumoxid zum Einsatz. Bild 2 stellt exemplarisch die Versuchsanordnung und den Probenkörperverbund (hier: Stoffschluss) dar.Die Verbindungstechnik ist individuell zu wählenEs hat sich gezeigt, dass die Aktivlotverbindung die höchsten Zugkräfte übertragen kann, wobei nur die Werkstoffpaarung Zirkonoxid-Stahl den Abkühlvorgang (Löttemperatur 1050°C) unversehrt überstand. Zur Überprüfung verschiedener Verbindungstechniken hinsichtlich der generellen Verwendbarkeit unter Tiefziehbedingungen werden am IFUM Tiefziehversuche durchgeführt. Bild 3 (links) zeigt die verwendete Presse, in der Mitte das Werkzeug und im rechten Bildrand den Ziehring als CAD-Modell dargestellt mit keramischen Formeinsätzen (Siliziumnitrid). Mit diesem Werkzeug ist es möglich, Rechtecknäpfe der Größe 220 mm × 110mm tief zu ziehen. Diese Werkstückgeometrie ermöglicht durch die rechteckige Form und den damit verbundenen inhomogenen Spannungsverlauf im Umfang differenziertere Untersuchungen, als dies mit einem einfachen rotationssymmetrischen Werkzeug möglich wäre. Für jedes Keramiksegment wird eine andere Verbindungstechnik verwendet:- mit eingeklebter Gewindebuchse (senkrecht zur Stempelbewegung),- Schraubverbindung mit eingeklebter Gewindebuchse (in Richtung der Stempelbewegung),- Stahlhalterung mit geklebtem und aktivgelötetem Keramikeinsatz und- Schraubverbindung mit Durchgangsbohrung in der Keramik.Die Praxistauglichkeit der Verbindungstechnik ist sehr stark von der Werkzeugperipherie, der Werkzeuggeometrie und den Anforderungen, etwa einer möglichen Nachbearbeitung oder Austauschbarkeit abhängig. Im Rahmen des Verbundvorhabens Kera-Form entwickelt das IFUM zusammen mit den Verbundpartnern (BMW AG, Beatec GmbH, Camaix GmbH, FCT Ingenieurkeramik GmbH, Inocermic Gesellschaft für innovative Keramik mbH, P.C. Turck Produktions- und Verwaltungs-GmbH und WMF Württembergische Metallwarenfabrik AG) in Kooperation mit dem Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie (IPT) industrielle Werkzeugsysteme mit dem Ziel, durch die Verwendung keramischer Werkzeugeinsätze in hoch belasteten Bereichen die Grenzen und Erfahrungen für eine wirtschaftliche Umformtechnik zu erweitern.