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Grundlagenwissen Die Umformtechnik im Überblick

| Autor: Stéphane Itasse

Der Oberbegriff der Umformtechnik beschreibt einen sehr vielseitigen Bereich industrieller Fertigung.

Die Umformtechnik hat viele Facetten.
Die Umformtechnik hat viele Facetten.
(Bild: Itasse)

Unter dem Oberbegriff sind unter anderem Umformverfahren wie das Tiefziehen, das Abkanten, das Walzen, aber auch das Gesenkschmieden zu finden. In der heutigen Zeit werden mit diesem Verfahren nicht nur Massenprodukte hergestellt, sondern unter anderem auch sicherheitsrelevante und hoch belastbare Bauteile.

Die Geschichte der Umformtechnik

Die Umformtechnik mit ihren verschiedenen Umformverfahren ist älter als viele Menschen sich das vorstellen können. So wurden verschiedene Umformverfahren bereits in der Frühzeit der Menschheitsgeschichte nachgewiesen. Die Umformtechnik im Sinne der Blechumformung beziehungsweise der industriellen Nutzung ist allerdings erst seit dem 19. Jahrhundert wirklich vertreten. Durch die Erfindung der ersten dampfbetriebenen Werkzeuge konnten die ersten Umformverfahren überhaupt erst industriell nutzbar gemacht werden. Die maschinelle und professionelle Blechumformung ist dementsprechend erst seit rund 200 Jahren im Einsatz.

Allerdings hat sich die Entwicklung der Umformtechnik in den vergangenen Jahren und Jahrzehnten durch neue Umformverfahren und vor allem leistungsstärkere Werkzeuge deutlich verändert. Vor allem in der Massenproduktion sind die verschiedenen Umformverfahren in der heutigen Zeit nicht mehr wegzudenken. Ein sehr wichtiges Beispiel ist die Automobilindustrie, in welcher viele Bauteile und Einzelteile durch die Umformtechnik hergestellt werden. Zudem ist die Umformtechnik in der heutigen Zeit ein wichtiges Forschungsgebiet, welches es den unterschiedlichen Anwendern erlaubt die Exaktheit der Herstellung und den genauen Materialverbrauch immer stärker zu optimieren und zu verbessern.

Die Umformtechnik: Eine Definition

Unter dem Begriff der Umformtechnik werden unterschiedliche Umformverfahren verstanden, welche in der Lage sind die Form von Rohstoffen gezielt zu verändern, ohne dabei Material von den Rohstoffen zu entfernen. Unterschieden wird hierbei zwischen der Blechumformung, der Drahtumformung und der Massivumformung.

Zudem können die verschiedenen Umformverfahren der Umformtechnik zwischen der Kaltumformung und der Warmumformung unterschieden werden. Genauere Definitionen zur Umformtechnik und den verschiedenen Umformverfahren sind unter anderem in der DIN-Norm DIN 8580 festgelegt.

Wichtig bei allen Verfahren im Bereich der Umformtechnik ist der sogenannte Stoffzusammenhalt. Das bedeutet, dass das ursprüngliche Material während des Umformverfahrens seinen Zusammenhalt behält. Es werden während des Prozesses weder Teile zugefügt noch vom Grundmaterial entfernt. Somit bleibt das Volumen des Rohteils zum größten Teil erhalten. Dies ist wichtig, da diese Volumenkonstanz bei der Berechnung der verschiedenen Umformtechniken eine wichtige Rolle spielt.

Die wichtigsten Umformverfahren in der Umformtechnik

In der Umformtechnik werden verschiedene Umformverfahren verwendet, um aus den unterschiedlichen Werkstoffen neue Werkstücke zu fertigen. Unterteilt werden die verschiedenen Verfahren nach den auf das Werkstück einwirkenden Spannungen, welche für die Umformung verantwortlich sind.

Druckumformung

Unter diesem Oberbegriff finden sich unter anderem folgende Umformverfahren:

  • Das Walzen: Beim Walzen werden die Werkstoffe zwischen mehreren rotierenden Werkzeugen unter Druck in ihrer Ausdehnung verringert. Das Walzen wird unter anderem eingesetzt, um Bleche, Stahlrohre oder auch Folien zu produzieren.
  • Das Gesenkschmieden: Beim Gesenkschmieden werden Werkzeuge genutzt, welche die herzustellende Endform als negativ enthalten. Unter hohen Druck wird der Werkstoff somit in Form gebracht. Dieses Verfahren wird unter anderem genutzt, um Bauteile für Antriebe und Motoren zu fertigen.
  • Das Freiformschmieden: Beim Freiformschmieden handelt es sich um eine flexible Umformtechnik, bei welcher das umformende Werkzeug keinerlei Vorgabe zur späteren Form enthält. Es liegt an der Fähigkeit der Bediener, dass mittels dieses Umformverfahrens die gewünschten Werkstücke entstehen. Das Freiformschmieden wird häufig nur für Kleinserien oder als Vorbereitung für weitere Umformungen eingesetzt.
  • Das Strangpressen und Fließpressen: Beim Strang- oder Fließpressen werden unter hohem Druck verschiedene Bauteile durch eine entsprechende Form gepresst. Diese Verfahren werden sehr häufig für die Fertigung von Serienteilen oder von Konstruktionsprofilen eingesetzt.

Das Zugdruckumformen

Bei diesem Umformverfahren werden gleichzeitig Zug- und Druckbelastungen genutzt, um die gewünschten Formen der Werkstücke zu erhalten. Zu den wichtigsten Verfahren in diesem Bereich gehören:

  • Das Durchziehen: Beim Ziehen von Werkstoffen durch hohle Werkzeuge werden die Werkstoffe schmaler und in ihren Dimensionen verlängert. Dieses Verfahren wird hauptsächlich für die Herstellung von Profilen, Drähten oder Rohren verwendet.
  • Das Tiefziehen: Das Tiefziehen ist das wichtigste Verfahren dieser Umformtechnik und für die Blechumformung von besonderer Bedeutung. Flache Bleche werden mit verschiedenen Verfahren in Hohlformen gezogen. Diese Umformtechnik wird unter anderem eingesetzt, um Getränkedosen oder auch Karosserieteile zu fertigen.
  • Das Drücken: Beim Drücken handelt es sich ebenfalls um ein Verfahren der Blechumformung. Aus flachen Blechen werden symmetrische Hohlkörper hergestellt. Oftmals wird das Verfahren genutzt, um beispielsweise Kochtöpfe herzustellen. Im direkten Vergleich mit dem Tiefziehen kann dieses Umformverfahren allerdings nicht überzeugen.
  • Das Zugumformen Beim Zugumformen wird eine anliegende Zugspannung genutzt, um die Werkstoffe zu verändern. Zu den wichtigsten Verfahren in diesem Bereich gehören:
  • Das Längen: Beim Längen werden Bleche oder auch Stäbe oder Rohre verlängert.
  • Das Weiten: Beim Weiten werden Hohlkörper wie Rohre von innen aufgeweitet.
  • Das Tiefen: Beim Tiefen wird die Oberfläche in ihrer Höhe verändert. Ein Beispiel ist das Hohlprägen, wie es beispielsweise bei Kfz-Kennzeichen zum Einsatz kommt.

Das Biegeumformen

Die Umformtechnik des Biegeumformens umfasst alle Umformverfahren, bei denen die Umformung mittels einer Biegebeanspruchung erfolgt. Darunter fallen unter anderem folgende Umformverfahren:

  • Das Biegen mit gerader Werkzeugbewegung: Hierbei wirkt ein Werkzeug mit einer geraden Kraft auf das Werkstück ein. Das Verfahren kann sowohl für die Blechumformung, aber auch für das Rohrbiegen genutzt werden.
  • Das Schwenkbiegen: Beim Schwenkbiegen handelt es sich um ein Umformverfahren, bei welchem das Werkzeug selber eine drehende Werkzeugbewegung vornimmt, um den Biegeprozess durchzuführen. Das Schwenkbiegen kommt vor allem in der Blechumformung zum Einsatz.

Umformverfahren: Kaltumformung und Warmumformung

Die sogenannte Warmumformung ist ein energieintensives Verfahren, welches nur für bestimmte Bauteile und bestimmte Bereiche genutzt werden kann. Bei diesem Umformverfahren werden vor allem Stahl und Stahllegierungen verformt, bei denen das nur unter hoher Hitze möglich ist. Grundsätzlich verändert die Warmumformung die Eigenschaften des eingesetzten Materials und muss somit mit Bedacht und genauen Berechnungen eingesetzt werden. Zudem verändert sich oftmals sowohl die Dichte als auch die Härte der warmumgeformten Materialien, sodass dieses Umformverfahren nur unter bestimmten Bedingungen zum Einsatz kommt. Für die Blechumformung ist dieses Verfahren beispielsweise nicht geeignet.

Das Kaltumformen ist der Überbegriff für die Formveränderung von Metallen, ohne dass die Materialien und Werkstoffe hierbei dezidiert erhitzt werden müssen. Bei der Kaltumformung verändert sich die Festigkeit und die Härte der Materialien durch das Umformverfahren. Diese Veränderungen können unter anderem durch ein anschließendes Erhitzen und Abkühlen der Werkstücke negiert werden.

Blechumformung und Massivumformung

Es werden bei der Umformtechnik zwei grundlegend unterschiedliche Umformverfahren unterschieden. Zum einen die Blechumformung, bei welcher unterschiedliche Bleche als Ausgangsmaterial verwendet werden. Zudem ist bei der Blechumformung in der Regel eine Erhitzung der Werkstoffe nicht notwendig, sodass hier eine Kaltumformung eingesetzt wird. Bei der Blechumformung werden vor allem folgende Umformverfahren eingesetzt:

  • Biegen,
  • Tiefziehen,
  • Verwinden,
  • Drücken und
  • Streckziehen.

Beim sogenannten Massivumformen hingegen werden in der Regel dreidimensionale Werkstoffe eingesetzt. Wichtigste Umformverfahren sind bei der Massivumformung unter anderem:

  • Walzen,
  • Freiformschmieden,
  • Gesenkschmieden,
  • Fließpressen,
  • Strangpressen sowie
  • Biegen von Stangen und Rohren.

Diese Maschinen werden in der Umformtechnik am häufigsten eingesetzt

Die verschiedenen Umformmaschinen lassen sich hinsichtlich des Verfahrens beziehungsweise hinsichtlich der eingesetzten Kräfte gut unterteilen. Oftmals ist es möglich, die unterschiedlichen Maschinen mit verschiedenen Werkzeugen zu bestücken, um somit unterschiedliche Produkte fertigen zu können.

Die wohl wichtigsten Maschinen im Bereich der Umformtechnik und auch der Blechumformung sind die Pressen. Diese können aufgrund ihrer Bauform unter anderem zum Freiformschmieden und zum Gesenkschmieden verwendet werden, bieten aber auch und vor allem die Möglichkeit zum Tiefziehen. Somit kommen Pressen in den meisten Industrien der Umformtechnik zum Einsatz. So unter anderem in der Automobilindustrie, wo große Teile der Karosserie durch die Blechumformung beim Tiefziehen gefertigt werden.

Weitere Maschinentypen in der Umformtechnik sind unter anderem:

  • Biegemaschine,
  • Ziehmaschine,
  • Walze oder Walzmaschine,
  • Fallhammer,
  • Oberdruckhammer,
  • Gegenschlaghammer,
  • Spindelpresse,
  • Exzenterpresse,
  • Kurbelpresse oder
  • Kniehebelpresse.

Werkstoffe und Halbzeuge in der Umformtechnik

Grundsätzlich sind sehr viele Werkstoffe und Halbzeuge für die Umformtechnik geeignet. Allerdings hängt es von den spezifischen Eigenschaften des Materials ab, ob sich der Einsatz in einem bestimmten Umformverfahren lohnt. Der hierfür wichtige Begriff ist die Umformbarkeit. Die Umformbarkeit ist eine Eigenschaft eines Werkstoffs, welche angibt, in welchem Maße sich der Werkstoff durch Umformen bearbeiten lässt. Wichtig für die Umformbarkeit sind unter anderem die niedrige Festigkeit des Werkstoffs und die hohe Bruchdehnung. Nur so kann mit geringem Kraftaufwand eine möglichst große Veränderung der Form durch die verschiedenen Umformverfahren erreicht werden.

Zu den häufig in der Umformtechnik genutzten Werkstoffen zählen:

  • Stahl,
  • Edelstahl,
  • Aluminium,
  • Kupfer,
  • Blei,
  • Zinn,
  • Nickel,
  • Titan und
  • Legierungen dieser Werkstoffe.

Diese Produkte werden durch die Umformtechnik produziert

Durch die Umformtechnik und die verschiedenen Umformverfahren lassen sich viele unterschiedliche Produkte herstellen. Darunter fallen sowohl fertige Werkstücke als auch für die weitere Produktion wichtige Teile. Zu den in der Umformtechnik hergestellten Produkten gehören:

  • Rohre,
  • Drähte,
  • Profile,
  • Helme,
  • Karosserieelemente,
  • Getränkedosen,
  • Kochtöpfe,
  • Schilder,
  • Bohrer,
  • Propeller,
  • Kurbeln,
  • Kurbelwellen und
  • viele weitere mehr.

Dank der hohen Arbeitseffizienz und der schnellen Produktionsgeschwindigkeit lassen sich die unterschiedlichsten Produkte mittels der Umformtechnik herstellen.

Die Vorteile der Umformtechnik

Die Vorteile der Umformtechnik liegen vor allem in der sehr hohen Effizienz und der hohen Produktionsgeschwindigkeit. Zum einen lassen sich sehr viele Umformverfahren mit einem sehr geringen Energieeinsatz durchführen, was für den produzierenden Betrieb einen erheblichen Vorteil darstellt. Ein weiterer und ebenfalls wichtiger Punkt ist die Materialeffizienz. Da bei den Verfahren der Umformtechnik kein Material abgetragen wird, kann das Verfahren als äußerst sparsam angesehen werden.

Es gibt allerdings auch Nachteile bei der Umformtechnik. Denn die gängigen Verfahren der Umformtechnik sind zwar schnell, aber nicht absolut genau. Dementsprechend wird die Umformtechnik sehr häufig zur Produktion von Massenfertigungen verwendet, welche in einem folgenden Arbeitsschritt nochmals nachgearbeitet werden müssen. Je nach verwendetem Umformverfahren sind die eingesetzten Maschinen zudem nur für eine einzelne Produktionsaufgabe geeignet. Eine Veränderung der Produktion führt somit zu höheren Ausgaben für diese relevanten Arbeitsbereiche.

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Über den Autor

 Stéphane Itasse

Stéphane Itasse

, MM MaschinenMarkt