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Beste Kombination

Gasumformen und Tiefziehen in einem Verfahren

| Autor/ Redakteur: Annedore Munde / Dietmar Kuhn

Die Verfahrensgrenzen in der Umformtechnik scheinen oft ausgereizt. Doch wenn Anforderungen der Kunden hinsichtlich Toleranz und Qualität immer weiter steigen und die Kosten für Energie und Prozess weiter gesenkt werden sollen, sind neue Wege gefragt. Das pneumomechanische Streck-Tiefziehen kann hier künftig die herkömmlichen Verfahren ergänzen oder ersetzen.

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Das Umformergebnis an einem Demonstratorbauteil, welches mit 50 bar Mediendruck im Rahmen von Vorversuchen ausgeformt wurde.
Das Umformergebnis an einem Demonstratorbauteil, welches mit 50 bar Mediendruck im Rahmen von Vorversuchen ausgeformt wurde.
(Bild: Ebm)

Der Grundgedanke des Verfahrens ist die Vereinigung der Vorteile des Gas-umformens von Blechen (kalt oder warm) mit denen des mechanischen Umformens unter weitgehender Vermeidung der jeweiligen verfahrensbedingten Nachteile. Bei dem neuen Verfahren werden zum Blechumformen sowohl zwei feste Werkzeughälften benutzt als auch Gasdruck, wobei beide Umformprinzipien während desselben Pressenhubes im selben Werkzeug zur Wirkung kommen. Der größte Teil der Umformung wird dabei mittels eines sehr schnell aufgebauten Gasdrucks durchgeführt, welcher das Blech als Ganzes vordehnt und ins Formwerkzeug drückt. Die Kalibrierung der bis dahin noch nicht ganz ausgeformten Radien wird durch die zweite Werkzeughälfte realisiert, welche am Ende desselben Pressenhubs das Werkzeug schließt und die bis dahin noch nicht ausgeformten Bereiche des Werkstücks mechanisch fertigformt.

Was so simpel beschrieben werden kann, ist jedoch weit mehr als nur eine einfache Verfahrenskombination. Dahinter steckt das gebündelte fachliche Know-how der Ebm Maschinenbau GmbH und des Fraunhofer-IWU. Im Rahmen eines Kooperationsprojektes haben sich die Partner auf die Fahne geschrieben, sowohl das Verfahren zum dynamischen pneumomechanischen Streck-Tiefziehen zuverlässig und prozesssicher auszulegen als auch eine entsprechende Anlagentechnik bis zur Serienreife zu entwickeln.

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Ein bisher in der industriellen Praxis weit verbreitetes Verfahren zur Herstellung dünnwandiger, schalenförmiger Bauteile aus Blechhalbzeugen ist das Tiefziehen. Dabei wird zur Vermeidung von Faltenbildung im Flanschbereich ein Blechhalter eingesetzt. Trotz des umfangreichen Prozessverständnisses und der hoch entwickelten Werkzeugtechnik sind prinzip- und geometriebedingt einige Grenzen des Verfahrens vorhanden. So stellt sich durch die Bauteilgeometrie und die tribologischen Verhältnisse im Werkzeug eine lokal unterschiedliche Materialdehnung ein. Diese kann zum einen gewünscht sein, um Verfestigungseffekte des Materials zu nutzen und gleichzeitig der Faltenbildung entgegenzuwirken. Andererseits darf die Zugbeanspruchung die vom Material übertragbaren Festigkeitswerte jedoch nicht überschreiten, da es sonst zu unzulässig hohen Ausdünnungen bis hin zum Riss kommen kann. Das zwischen diesen beiden Grenzen liegende Prozessfenster wird durch die Entwicklung hochfester Materialien und die zunehmende Komplexität der Bauteilgeometrie kontinuierlich kleiner.

Eine andere verfahrensbedingte Schwierigkeit tritt beim Umformen großflächiger Bauteile auf. Durch den relativ flachen Verlauf der Bauteilkrümmung liegen weite Bereiche des Blechs schon frühzeitig am Stempel an und können aufgrund der Reibung nicht mehr ausreichend abgestreckt werden. Die Folge ist eine unzureichende Materialdehnung in diesen Bereichen und mangelnde Beulsteifigkeit des fertigen Bauteiles. Die erst später mit dem Werkzeug in Kontakt kommenden Bauteilbereiche hingegen werden oft örtlich überstreckt. Als Beispiele für diese Problematik können Dächer und Motorhauben im Automobilbau gelten. Kommt es weiterhin zu starken Bewegungen des Blechs, zum Beispiel über Kanten im Werkzeug, können Markierungen am Fertigteil das Umformergebnis beeinträchtigen.

Eine Verfahrensvariante, um einige dieser Probleme zu lösen, bietet die wirkmedienbasierte Blechumformung. Hier wird eine Werkzeughälfte durch ein Medium ersetzt, wobei dieses Medium flüssig, gasförmig oder gar formlos-fest sein kann. Das Wirkmedium presst das Blech in eine Formmatrize, wobei die Funktion der zweiten Werkzeughälfte das Medium selbst übernimmt und sich die Werkzeugkosten entsprechend verringern.

Es liegt also auf der Hand, dass sich in der ersten Umformphase aufgrund der fehlenden Reibung zwischen Werkzeug und Blechmaterial nicht nur gleichmäßigere Dehnungsverteilungen einstellen, sondern auch Markierungen vermieden werden. Sekundäreffekte der homogenen Dehnungsverteilung sind vor allem die verbesserte Beulsteifigkeit, die Oberflächenqualität und auch eine geringere Materialbelastung durch den Umformvorgang.

Entscheidende Nachteile des wirkmedienbasierten Umformens liegen derzeit vor allem bei langen Taktzeiten und sehr hohen Drücken, welche zum Ausformen kleiner Radien im Bauteil notwendig sind. Dies führt dazu, dass für diese Anwendungsfälle teure Druckerzeugeraggregate notwendig sind. Außerdem erfordert das hohe Druckniveau nach Untersuchungen des Stuttgarter Institutes für Umformtechnik entsprechend hohe Zuhaltekräfte des Werkzeuges und demzufolge auch eine kostenintensive Pressentechnik.

Insgesamt betrachtet ist das wirkmedienbasierte Umformen bisher vorrangig für geringe Stückzahlen wirtschaftlich einsetzbar, da einerseits die erhöhten Anlagekosten und andererseits die verlängerten Taktzeiten zu höheren Bauteilkosten führen.

So weit die Verfahrensgrundlagen, auf denen die neue Technik aufsetzt. Die von den Partnern entwickelte Verfahrenskombination aus wirkmedienbasiertem und konventionellem Tiefziehen eignet sich besonders zur Umformung großflächiger Bauteile. Dabei sollen die jeweiligen Verfahrensvorteile ausgenutzt und jedoch gleichzeitig die spezifischen Nachteile der Einzelverfahren weitgehend vermieden werden.

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