Inkrementelle Blechumformung Inkrementelles Umformen wirtschaftlich gemacht

Autor / Redakteur: Roman Schmitz und Gerhard Hirt / Stéphane Itasse

In der Blechumformung ist das Tiefziehen weit verbreitet, aber für die Fertigung kleinerer Losgrößen oder Prototypen aufgrund der hohen Formbindung und Werkzeug- sowie Anlagenkosten unwirtschaftlich. Daher arbeiten Forscher an einem flexiblen Fertigungsverfahren, das eine wirtschaftliche Produktion von Einzelteilen ermöglichen soll.

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Diese 5-Achs-Portalfräsanlage wurde für die inkrementelle Blechumformung durch vier Streckziehmodule mit jeweils zwei Achsen erweitert.
Diese 5-Achs-Portalfräsanlage wurde für die inkrementelle Blechumformung durch vier Streckziehmodule mit jeweils zwei Achsen erweitert.
(Bild: Thilo Vogel)

Bei der inkrementellen Blechumformung (IBU) formt ein CNC-gesteuerter, halbkugelförmiger Umformkopf die Bauteilkontur sukzessive aus dem eingespannten Blech. Man kann dabei sehr einfache Gegenwerkzeuge zur Unterstützung einsetzen oder – je nach angestrebter Geometrie – ganz auf Formwerkzeuge verzichten.

Die IBU ist ein relativ junges Verfahren und im industriellen Umfeld noch nicht etabliert. Als Prozessgrenzen wurden früher neben Geometrieungenauigkeiten aufgrund von Rückfederung vor allem die eingeschränkte Herstellbarkeit steiler Wandwinkel aufgrund von Blechausdünnung und lange Prozesszeiten angeführt. Mit dem Ziel, diese Prozessgrenzen zu überwinden, wurde am Institut für Bildsame Formgebung (IBF) der RWTH Aachen ein Multitechnologie-Blechbearbeitungszentrum entwickelt (Bild 1). Dabei handelt es sich um eine Fünf-Achs-Portalfräsanlage, die durch vier Streckziehmodule mit jeweils zwei Achsen erweitert wurde. Außerdem wurde ein Laser integriert, der sowohl zur Erwärmung als auch zum Beschnitt eingesetzt werden kann. Somit lassen sich verschiedene Prozesse in einer Aufspannung realisieren und kombinieren: das Fräsen von Formwerkzeugen, das Streckziehen, die inkrementelle Blechumformung, die lokale Lasererwärmung und der Beschnitt. Das kann die Bearbeitungsgenauigkeit im Vergleich zu Fertigungsstrategien, die Anlagenwechsel erfordern, steigern und Zeit einsparen.

Kleinserien erlauben Einsatz günstiger Patrizen aus Holz oder Kunststoff

Um komplexe Bauteilgeometrien mit wechselnden Krümmungsrichtungen zu fertigen, wird ein Formwerkzeug (Patrize) benötigt. Da die Prozesskräfte bei lokaler Umformung sehr gering und die Werkzeugstandzeiten bei Kleinserien nicht entscheidend sind, kann auf teure Stahlpatrizen verzichtet und auf Kunststoff oder Holz zurückgegriffen werden. Die Patrize kann auf der Anlage durch Fräsen von Poly­urethanschaum oder mitteldichten Holzfaserplatten (MDF) hergestellt werden.

Zur Bauteilfertigung wird das Streckziehen mit der IBU kombiniert (Bild 2). Mittels Streckziehen über das gefräste Formwerkzeug kann in kurzer Zeit eine Vorform generiert werden, die meist schon nah an der Kontur des zu fertigenden Bauteils liegt. Die übrigen Details können dann mit der IBU geformt werden. So kann die inkrementell umzuformende Fläche und damit die Prozesszeit reduziert werden.

Weiterhin wird durch das Streckziehen ein günstiger Spannungszustand eingestellt, der die Rückfederung verringert und somit die Geometriegenauigkeit des Bauteils erhöht. Da die Blechausdünnung beim Streckziehen nicht vom Wandwinkel abhängt, lassen sich teilweise steilere Außenflanken als mit reiner IBU fertigen.

Herausforderungen in der Blechumformung stellen auch bei Raumtemperatur schwer umformbare Werkstoffe wie Titan- oder Magnesiumlegierungen dar. Der Einsatz des Lasers im Multitechnologie-Blechbearbeitungszentrum ermöglicht es, den Werkstoff lokal vor der Umformung zu erwärmen. Bei der lasergestützten IBU ist das Umformwerkzeug in die speziell entwickelte Laseroptik integriert. Der stets im Vorlauf zum Umformwerkzeug geführte Laserspot erlaubt mithilfe einer Temperaturmessung und -regelung die gezielte Erwärmung der Umformzone. Neben der Erwärmung ist es auch möglich, das Blech vor dem Umformprozess durch laserbasierte Wärmebehandlung gezielt lokal zu entfestigen, was die anschließende Umformbarkeit zum Beispiel bei hochfesten Stählen verbessert. Der Wechsel von der Erwärmungsoptik zu einer Schneidoptik gestattet des Weiteren, den Laserbeschnitt von gefertigten Bauteilen auf der Anlage durchzuführen. Zusätzlich zum Bauteilbeschnitt durch den Laser oder Fräser sind weitere Nachbearbeitungsprozesse in derselben Aufspannung der Anlage durchführbar. Mithilfe der IBU lassen sich Abkant- und Kragenziehoperationen durchführen. In diesem Fall führt die inkrementelle Bearbeitung im Vergleich zu konventionellen Verfahren zu einer deutlichen Erweiterung der Prozessgrenzen. So lässt sich beim inkrementellen Abkanten das Verhältnis von Flanschlänge zu Flanschradius um den Faktor 40 steigern. Beim inkrementellen Kragenziehen kann das Lochaufweitungsverhältnis, also das Verhältnis vom erreichbaren Kragendurchmesser zum Vorlochdurchmesser, verdoppelt werden (Bild 3).

Inkrementelle Blechumformung überwindet ihre Prozessgrenzen

Durch die Möglichkeit, mehrere Prozesse in einer Aufspannung zu kombinieren und bestehende Prozessgrenzen der IBU zu überwinden, entstehen neue, flexible Fertigungsketten für die Blechumformung. Kostengünstige Formwerkzeuge machen die Fertigung von Prototypen und Kleinserien auf der vorgestellten Anlage wirtschaftlicher als mit konventionellen Umformverfahren. Die kurze Zeit vom CAD-Modell zum fertigen Bauteil ist ein weiterer Vorteil, der eine schnelle Produktentwicklung und einen frühen Markteintritt ermöglicht.

Die Autoren bedanken sich bei der Deutschen Forschungsgemeinschaft für die Förderung der Arbeiten im Rahmen des Exzellenzclusters EXC128 „Integrative Produktionstechnik für Hochlohnländer“ sowie beim Bundesministerium für Bildung und Forschung für die Förderung des Verbundprojekts „Sibuform“ (Fördernr. 02PU2104) innerhalb des Rahmenkonzepts „Forschung für die Produktion von morgen“. MM

* Roman Schmitz ist wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Bildsame Formgebung (IBF) der RWTH in 52056 Aachen, Tel. (02 41) 80-2 51 20, schmitz@ibf.rwth-aachen.de, Prof. Gerhard Hirt ist Leiter des Instituts

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