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Innenhochdruckumformen

Mit der Innenhochdruckumformen lassen sich auch kleinste Bauteile herstellen

10.10.2007 | Autor / Redakteur: Jörn Lungershausen und Christoph Hartl / Dietmar Kuhn

Mit dem Innenhochdruckumformen lassen sich Mikrobauteile aus dünnsten Röhrchen auch in großen Stückzahlen und mit hoher Qualität herstellen. Bilder: IFP
Mit dem Innenhochdruckumformen lassen sich Mikrobauteile aus dünnsten Röhrchen auch in großen Stückzahlen und mit hoher Qualität herstellen. Bilder: IFP

Viele Branchen zeigen einen Trend in Richtung Miniaturisierung ihrer Produkte. Die dafür benötigten Mikrobauteile erfordern aufgrund der zum Teil erheblichen Stückzahlen entsprechend kurze Fertigungszeiten bei gleichzeitig hoher geometrischer Komplexität, eng tolerierten Eigenschaften und hohen Anforderungen an die Präzision. Möglich macht dies die Mikroumformung.

Für die Massenproduktion von Mikrobauteilen aus metallischen Werkstoffen bietet sich der Einsatz von umformenden Verfahren aufgrund ihrer prozesstechnischen und wirtschaftlichen Vorteile an. Vor diesem Hintergrund wird am Institut für Produktion (IFP) der Fachhochschule Köln das derzeit überwiegend in der Automobilindustrie eingesetzte Innenhochdruckumformen [1] auf seine Anwendbarkeit zur Fertigung komplexer Mikrobauteile untersucht. Diese Forschungsarbeit ist Bestandteil des von der Europäischen Kommission im 6. Rahmenprogramm geförderten Projektes Masmicro.

Innenhochdruckumformen macht aus einfachen Rohren komplexe Bauteile

Entscheidender Vorteil des Innenhochdruckumformens ist die Möglichkeit, komplex gestaltete, hohlförmige Bauteile ausgehend von einfachen Rohren in wenigen Schritten herzustellen (Aufmacherbild). Die alternative Fertigung hohlförmiger Kleinstteile mit Hilfe spanabtragender Verfahren ist meist sehr aufwändig oder oftmals nicht wirtschaftlich. Gründe hierfür können zu hohe Prozesskräfte beim Zerspanen, hohe benötigte Prozesszeiten oder eine fehlende Zugänglichkeit für die Bearbeitungswerkzeuge sein.

Werden hohlförmige Mikroteile durch Blechumformverfahren gefertigt, erfordert dies oftmals mehrere Schritte und zum Teil das Fügen mehrerer einzeln hergestellter Werkstücke. Folglich sind diese Prozesse für die Großserie kleinster Teile in vielen Fällen aufwändiger als Innenhochdruckumformverfahren.

Innenhochdruckumformen bietet Vorteile für Mikrobauteile

Durch Innenhochdruckumformen hergestellte Mikrobauteile besitzen eine erhöhte Stabilität infolge der Kaltverfestigung und des zusammenhängenden Faserverlaufs, hohe Steifigkeit durch geschlossene Querschnitte, enge Toleranzen der Außenabmessungen und strömungsgünstige Übergänge für den Transport von Medien. Die Produktionszeiten lassen sich durch die gleichzeitige Fertigung mehrerer, in einer Form hintereinander liegender und in einem Schritt umgeformter Werkstücke an die jeweils erforderliche Ausbringung anpassen.

Prinzipiell eignen sich für die Innenhochdruckumformung gerade oder gebogene rohrförmige Bauteile, welche zu Fertigteilen mit variierenden Querschnitten und Umfängen entlang der Werkstückachse umgeformt werden. Beispielhafte Mikroprodukte können Achsen bewegter Komponenten aus Sensoren oder optischen Systemen sein sowie Leitungs- und Düsenelemente für Einspritz- und Dosiersysteme, aber auch rohrförmige Bauteile für chirurgische Werkzeuge.

Kleinere Bauteile erfordern deutlich höhere Innendrücke beim Umformen

Schwierigkeiten, den Prozess 1:1 aus der Makrowelt zu kopieren, ergeben sich im Wesentlichen aus den geometrischen Unterschieden zu den konventionellen Anwendungen: Aufgrund kleinerer Querschnitte der Mikrobauteile sind deutlich höhere Innendrücke für die Umformung erforderlich.

Durch die hiermit verbundenen höheren umformenden Lasten steigen die Belastungen der aktiven Werkzeugelemente. Infolge geringer Wanddicken der eingesetzten Ausgangswerkstücke, im Bereich weniger Mikrometer, besteht ein zunehmender Einfluss der Gefügestruktur des Werkstoffes auf die erreichbaren Umformgrade und die Reproduzierbarkeit. Größeneffekte sorgen für völlig andere Parameter beim Mikroumformen

Verglichen mit einem Innenhochdruckumformprozess im konventionellen Größenbereich befinden sich nur einige wenige Körner mit einem großen Verhältnis von Oberflächenkennwerten zu Bauteilabmessungen in der Umformzone. Dieser und andere für die Mikroumformtechnik charakteristische Größeneffekte sorgen dafür, dass nur noch bedingt bekannte technologische und physikalische Gesetzmäßigkeiten aus der Makrowelt übernommen werden können.

Ein übergeordnetes Ziel am IFP ist es deshalb, die Größeneinflüsse des skalierten Fertigungsprozesses zunächst in Grundlagenuntersuchungen zu ermitteln. Hierzu werden experimentelle Untersuchungen mit einer speziell für Mikro-Rohre entwickelten hydraulischen Aufweitvorrichtung durchgeführt [2] und vergleichenden Betrachtungen mit Prozesssimulationen gegenübergestellt (Bild 1). Außer der Erarbeitung grundlegender Erkenntnisse zu erreichbaren Umformgraden und erforderlichen Prozessgrößen konnten mit dieser Vorrichtung bereits erste Versuchswerkstücke umgeformt werden.

Mit patentiertem Dichtprinzip zur seriennahen Untersuchung

Für weiterreichende, seriennahe Untersuchungen wird derzeit der Prototyp einer Anlage zur Innenhochdruckumformung von Mikro-Komponenten aufgebaut. Die Maschine mit patentiertem Dichtprinzip ermöglicht das Aufweiten von Mikrorohren verschiedenster Materialien mit einem Außendurchmesser unter einem Millimeter und mit Innendrücken bis zu 4000 bar (Bild 2). Flexibel gestaltete Formwerkzeuge lassen sich zum Umstellen auf neue Produktgeo-metrien in kurzer Zeit mit wenigen Handgriffen austauschen.

Zur Einhaltung geforderter Fertigteiltoleranzen in einem Bereich weniger Mikrometer wurden alle aktiven Werkzeug- und Maschinenkomponenten numerisch mit der FEM (Finite-Elemente-Methode) berechnet (Bild 3). Durch Variation von Designparametern am Simulationsmodell konnten die Anlagenkomponenten hinsichtlich des Deformationsverhaltens optimiert werden, um zu einer hohen erreichbaren Bauteilgenauigkeit zu gelangen.

Ebenfalls entscheidend für eine reproduzierbare Fertigteilgenauigkeit sind die Antriebskomponenten für das Abdichten des druckbeaufschlagten Werkstückes und das Nachschieben von Werkstückwerkstoff während der Aufweitung. Über zwei unabhängig voneinander ansteuerbare Linearaktuatoren mit Kugelumlaufspindel lassen sich Kräfte von bis zu jeweils 800 N generieren. Die Positioniergenauigkeit der Axialaktuatoren liegt bei 15 µm, wodurch exakte Axialwege beim Nachführen von Rohrmaterial der Axialstempel in Richtung der Hauptumformzone realisiert werden können.

Die anforderungsgerechte Gestaltung einer Innenhochdruckum-formanlage für die Serienfertigung von Mikrokomponenten erfordert zukünftig weitere Forschungsarbeit, insbesondere mit Blick auf eine Prozessreproduzierbarkeit. Bestandteile bevorstehender Untersuchungen werden darüberhinaus die Optimierung von Antriebseinheiten, die Erprobung von Steuerungs- und Handlingkomponenten sowie die Entwicklung einer Regelungsstrategie zur Erhöhung der Prozesssicherheit sein.

Literatur

[1] Hartl, Ch.: Research and advances in fundamentals and industrial applications of hydroforming. J. Mat. Proc. Tech, 167 (2005) 2-3, 383-392.

[2] Hartl, Ch.; Lungershausen, J.; Eguia, J.; Uriate, L. and P. Lopes Garcia: Micro hydroforming process and machine system for miniature/micro products. In: Proc. of euspen 7th Int. Conf., Bremen, 2007, DE, Vol. 2, 69-72.

Dipl.-Ing. Jörn Lungershausen ist Projektteamleiter der Arbeitsgruppe Masmicro am IFP (Institut für Produktion) der Fachhochschule Köln, Prof. Dr.-Ing. Christoph Hartl ist geschäftsführender Direktor des IFP und Projektleiter Masmicro. Weitere Informationen: Jörn Lungershausen, Tel. (02 21) 82 75-25 80, joern.lungershausen@fh-koeln.de

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