IHU Innenhochdruck-Umformung muss mehr als nur Hochdruck bieten

Autor: Stéphane Itasse

Was ist los mit der Innenhochdruck-Umformung? Erst euphorisch gefeiert für ihre Möglichkeiten zu neuen Geometrien, dann totgesagt wegen ihrer Kosten – jetzt feiert das Verfahren ein echtes Comeback und wird in der Prozesskette noch erweitert.

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Mit Innenhochdruckumformung lassen sich Geometrien erzielen, die mit anderen Umformverfahren nicht erreichbar sind.
Mit Innenhochdruckumformung lassen sich Geometrien erzielen, die mit anderen Umformverfahren nicht erreichbar sind.
(Bild: Itasse)

Die Innenhochdruck-Umformung lebt immer noch und hat schöne Applikationen“, bilanziert Prof. Matthias Putz nach 20 Jahren Forschung zur Wirkmedienumformung am Institut. Dies konnte auch Dr. Stefan Geißler, Geschäftsführer der Fischer Hydroforming GmbH, bestätigen – die Zahl der Pressen zur Innenhochdruck-Umformung (IHU) ist seit einigen Jahren zumindest in Europa in etwa konstant, von einer kleinen Delle nach der Finanzkrise 2008 abgesehen. Dahinter stehen allerdings gegenläufige Trends. Geißler sieht den Markt für bisherige IHU-Anwendungen in Europa gesättigt. „Seit einigen Jahren gibt es aber neue Impulse für das Verfahren durch neue Werkstoffe und neue Anwendungen, das vermeidet zumindest Desinvestitionen in IHU-Pressen“, sagt er.

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Zwei externe Faktoren beeinflussen dabei den IHU-Markt stark: zum einen die Entwicklung bei Dieselantrieben im Automobil, zum anderen die Share Economy. „Der Diesel war das Paradies für uns: Enger Bauraum, viel Abgasentgiftung, das erfordert die Rohrleitungen, die wir mit IHU herstellen“, erläutert Geißler. Bei der Entwicklung der Share Economy gelte es, zu beobachten, wie viele Fahrzeuge überhaupt noch gebraucht würden.

Innenhochdruck-Umformung hat stark vom Dieselantrieb im Auto profitiert

Doch bei den automobilen Anwendungen sieht der Geschäftsführer des IHU-Spezialisten Fischer Hydroforming für sein Unternehmen noch Potenzial: Ausbaufähig sind bei Rahmen und Struktur Bauteile aus neuen Werkstoffen mit hoher Kaltverfestigung. Hinzu kämen neuartige Ansätze durch komplexere Profile und Tailored-Anwendungen. Im Bereich Getriebe und Antriebsstrang sieht er Chancen bei Nockenwellen, beim Tank bei den Bauteilen zur Entlüftung.

Doch ihre Marktposition hätte die IHU nicht behaupten können, wenn sich das Verfahren seit seinen Anfängen in den 70er Jahren nicht weiterentwickelt hätte. Heute bestimmen eine steigende Automatisierung und hochflexible IHU-Anlagen mit vier bis fünf CNC-gesteuerten Achsen und gesteuertem Stößel das Bild, wie Geißler erläutert. Hinzu kommen unter anderem eine synchrone Fertigung in Produktionszonen mit schnellem Materialumlauf und geringer laufender Arbeit.

Für die nächste Phase der IHU im Zeichen von Industrie 4.0 sieht Geißler vier Entwicklungen:

  • weiterer Ausbau der Automatisierung, auch in Nebenprozessen,
  • konsequente Anwendung von Lean-Produktion,
  • Einsatz von Industrie 4.0 zur Optimierung der Instandhaltung, Betriebsdatenerfassung und zur Fehlervermeidung aus Big-Data-Analysen der Maschinenparameter sowie
  • neue Pressentechnik, bestimmt durch Servotechnik, Energieeffizienz, Taktzeitreduktion und die Möglichkeiten der Steuerung.

Außerdem ist aus seiner Sicht eine Erweiterung der Prozesslandschaft gefordert, bei Fischer Hydroforming umfasst das spezifische Prozesstechnik für bestimmte Bauteilklassen, die Integration von Fügeprozessen, Temperaturunterstützung beim Umformprozess beziehungsweise Warmumformung sowie den Ausbau der Fertigungstiefe bis hin zu komplexeren Zusammenbaugruppen. Über das IHU hinaus sind mehrstufige Prozesse gefragt. „Wir müssen die Nebenprozesse wie Spülen, Glühen und vor allem Trennen stärker im Auge behalten“, verlangt Geißler. Um beispielsweise höhere Anforderungen an Präzision und Bauteilsauberkeit zu erfüllen, setzt das Unternehmen auf Laserschneiden statt Sägen.

Kunden wollen mehr als die reine Innenhochdruck-Umformung

„Das reine Hydroformen ist nicht das, was der Kunde an Mehrwert am Markt erwartet“, sagt auch Markus Lindenlauf, Leiter Strategie- und Geschäftsentwicklung bei Finow Automotive. Rund um die IHU hat der Eberswalder Autozulieferer eine komplette Wertschöpfungskette aufgebaut. Die fängt bei der eigenen Rohrproduktion vom Coil an und enthält als vorgelagerten Schritt auch das CNC-Biegen und -Vorformen. Nach der IHU bietet Finow noch Laserschneiden und -schweißen sowie Qualitätsmanagement an. „Lasern ist absolut notwendig, um das IHU-Produkt kundenfertig zu machen“, erläutert Lindenlauf die Aktivitäten.

Doch das Lasern alleine reicht nicht, um den IHU-Bauteilen die gewünschte Präzision zu vertretbaren Kosten zu geben. „Dualphasenstahl hat ein extremes Rückfederungsverhalten, das mit den klassischen mikrolegierten Stählen überhaupt nicht vergleichbar ist“, sagt der Manager von Finow Automotive. In der Prozesskette werde deshalb pro Umformschritt der spezifische Beitrag der Rückfederung berücksichtigt. „Rückfederungskompensation ist enorm wichtig“, berichtet Lindenlauf. Deshalb werde jede Charge vermessen und die Messwerte würden für den jeweils nachfolgenden Prozess als neue Eingangswerte berücksichtigt.

Hochfeste Stähle fordern Innenhochdruck-Umformung heraus

Diese Herausforderungen durch höchstfeste Stähle und Aluminium erwartet Lindenlauf auch künftig. Weitere IHU-Trends sieht er unter anderem bei einem veränderten Materialmix, modular aufgebauten IHU-Werkzeugen und der Verwendung von Standardkomponenten hierfür, wirtschaftlichere Pressen durch geringere Taktzeit und Nebenkosten sowie bei den Bauteilen das Ausschöpfen der Potenziale im Material sowie angepasste Rohrgeometrie und Fertigungskonzepte.

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Die Hochdruckanwendungen über die IHU hinaus erläuterte Dr. Mario Lindner, Product Development Manager bei Linamar, am Beispiel von Leichtbau-Nockenwellen. Das Unternehmen hat unter anderem zwei IHU-Verfahren entwickelt, um sie herzustellen: im Gesenk umgeformt und gefügt sowie durch sequenzielles Umformen im und Fügen am Rohr. Beim IHU-Fügen werden die Nocken angelegt, anschließend wird der Druck erhöht, bis sich Rohr und Komponente gemeinsam aufweichen. Wichtig ist dabei, dass die Komponente noch plastisch bleibt. „Beim Rückführen des Drucks gibt es eine Rückfederung, damit wird im Endeffekt ein normaler Pressvorgang erzeugt“, sagt Lindner.

Auf der Maschinenseite hat der Pressenhersteller AP&T einen Ansatz zur Kombination von IHU und Warmumformung von Aluminium vorgestellt. „Wir beschäftigen uns mit hochfesten 6000er- und 7000er-Aluminiumlegierungen, das hat auch sehr viele Ähnlichkeiten mit dem Presshärten von Stahl“, erläutert Dr. Christian Koroschetz, CTO des schwedischen Unternehmens. Beim Aluminium findet das Härten im Gegensatz zum Stahl aber in einem nachgelagerten Alterungsprozess statt. Das bedeutet auch, dass sich über bestimmte nachgeschaltete Prozesse der Temperierung unterschiedliche mechanische Eigenschaften einstellen lassen.

Innenhochdruck-Umformung hat auch ihre Stärken

Im Vergleich unterschiedlicher Umformverfahren für Aluminium sieht Koroschetz die Stärke der IHU bei Formgebung und Oberflächenqualität, dafür Schwächen bei den Zykluszeiten. Einwände gegen die Geometriegenauigkeit will er nicht einfach gelten lassen. „Da hängt viel von dem Abkühlprozess ab, man hat Möglichkeiten, die Toleranzen zu beeinflussen“, sagt er.

Ein erstes Kundenprojekt dieser Art hat AP&T beim britischen Automobilzulieferer Cipco umgesetzt, im kommenden Jahr soll eine Demonstrationsanlage zu diesem neuartigen Verfahren in Schweden eröffnet werden. Als ein heikler Punkt hat sich hier das homogene Auftragen des Umformschmierstoffes herausgestellt. „Klassische Schmiermittelsysteme funktionieren hier nicht, man muss sich eher an Lackiersystemen orientieren“, berichtet Koroschetz. Außerdem sei eine genaue Prozessüberwachung wichtig.

An welchen Erweiterungen für die IHU das Fraunhofer-IWU derzeit forscht, zeigten Markus Werner, Abteilungsleiter Wirkmedienumformung und Werkzeugkonzepte, und André Albert, Gruppenleiter Wirkmedienumformung am Institut. So haben die Chemnitzer beispielsweise bereits an den Nockenwellen von Linamar mitgearbeitet. Ein anderes Anwendungsbeispiel sind Rotorblätter aus Stahl für Vertikal-Windturbinen, die mittels Biegen, Laserschweißen und IHU günstiger als mit faserverstärkten Kunststoffen zu fertigen sind. Außerdem untersuchen die IWU-Forscher die IHU von Leichtmetallen, die Verfahrenskombination IHU und Presshärten bei Stahl und hybride Prozessketten mit der Kombination von IHU und Spritzgießen, teils auch mit Tiefziehen.

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