Mit Hochdruck zum Bauteil

Neue Entwicklungen machen die IHU-Technologie sicherer und wirtschaftlicher. In der Automobilindustrie, aber auch in der Sanitär- und Fittingindustrie hat sich die Innenhochdruck-Umformung (IHU oder...

Anbieter zum Thema

Aachener Maschinenbau GmbH

Weil Technology GmbH

G+K Umformtechnik GmbH

Neue Entwicklungen machen die IHU-Technologie sicherer und wirtschaftlicherIn der Automobilindustrie, aber auch in der Sanitär- und Fittingindustrie hat sich die Innenhochdruck-Umformung (IHU oder Hydroforming) in den vergangenen Jahren zu einem bewährten Fertigungsverfahren entwickelt. Insbesondere im Automobilbau haben sich IHU-Bauteile wegen ihres guten Gewichts-/Festigkeitsverhältnisses und der vergleichsweise niedrigen Herstellkosten in Karosserie- und Fahrwerkstrukturen bewährt. Um das Verfahren noch sicherer und wirtschaftlicher zu machen und damit das Anwendungsspektrum zu erweitern, bringt Schuler mit neuen Entwicklungen das IHU-Verfahren und die Anlagentechnologie weiter voran.Der Anfangsinvestitionsaufwand für eine IHU-Fertigungszelle oder gar eine komplette Fertigungslinie stellt für viele potenzielle IHU-Anwender ein Hindernis dar. Bestehende Anlagen zur Herstellung der Bauteile unter Einsatz konventioneller Umformtechnik wie etwa das Tiefziehen können die Kostenrechnung für ein IHU-Bauteil trotz niedriger Betriebs- und Herstellkosten negativ ausfallen lassen. Dafür bietet Schuler zwei Lösungsvorschläge:Zum einen arbeitet Schuler in einem durch die Europäische Union geförderten Forschungsprojekt mit dem Titel „Lifecycle Design for Global Collaborative Production“ mit. Dieses Projekt hat zum Ziel, den Unternehmen eine Software zur Verfügung zu stellen, die durch die Analyse bestehender Anlagen und den damaligen Kundenwünschen entsprechend vergangene Trends aufzeigt und daraus Szenarien für die Zukunft erstellt und bewertet. So soll dem Kunden ein für seine Bedürfnisse optimales Produktionssystem im Hinblick auf Investition, laufende Kosten und Flexibilität des Produktionssystems („release planning“, Wandlungsfähigkeit) geliefert werden.IHU wird durch Modifikation der Pressen wirtschaftlicherZum anderen ist Schuler mit einer Entwicklung befasst, die eine preisgünstige, örtlich-flexible Zuhaltevorrichtung zum Ziel hat. Das heißt, es wird eine Vorrichtung entwickelt, die im Vergleich zu den herkömmlichen hydraulischen Pressen deutlich kleiner, leichter und ohne Keller ausgeführt sein wird. Diese Neuentwicklung wird aller Voraussicht nach zum Ende des Jahres 2003 vorgestellt werden. Sie bietet dem Benutzer dann aufgrund der kellerlosen Ausführung eine deutlich erhöhte Flexibilität im Sinne des „release plannings“. Der niedrigere Preis wird zudem die Einführung der Innenhochdruck-Umformung zu einer wirtschaftlichen Investition auch für jene Bauteile machen, die nur in mittleren Stückzahlen produziert werden.Um die Taktzeiten beim Hydroforming weiter zu verkürzen, bietet Schuler Kurzhubmaschinen an. Dabei wird anstelle der großen Schließ- und Zuhaltezylinder zwischen oberem Querhaupt und Stößelplatte ein Zylinder mit geringer Zuhaltekraft (300 t) eingesetzt, der nur zum Schließen, Öffnen und eventuell zum Vorformen genutzt wird. Ist die Presse geschlossen, werden zwei Distanzen seitlich zwischen Stößelplatte und Oberhaupt der Presse eingefahren. Die so verriegelte Presse wird anschließend durch einen Kurzhubzylinder, der unter dem Pressentisch angeordnet ist, zugehalten. Aufgrund dieses Prinzips, das die zu bewegende Ölmenge deutlich reduziert, wird bei einer Presse des Typs SHPU 50000 (5000 Tonnen Zuhaltekraft) allein durch das Öffnen und Schließen der Presse ein Zeitgewinn von 2,4 Sekunden im Vergleich mit einer konventionellen Langhubpresse erreicht. Auch beim Befüllen des Profils führt eine geschickte Konzeption der Werkzeuge zur Taktzeitverkürzung. So kann durch so genannte Quickfill-Vorrichtungen – Bohrungen großen Querschnitts im Bereich des Einlaufkanals – das Profil mit einem hohen Volumenstrom befüllt werden. Kombiniert man dies mit speziell gestalteten Dichtstempeln beziehungsweise Einlaufkanälen, so kann die Befüllzeit und damit die Taktzeit weiter verkürzt werden.Durch diese Maßnahmen konnte Schuler beispielsweise die Taktzeit zur Herstellung eines Motorträgers um über 20% von 30,4 s auf 23,5 s senken.Finite-Elemente-Methode als Grundlage für das WerkzeugDie Belastung der Werkzeuggravuren durch den Innendruck führt insbesondere in den Radien der Konturbereiche beziehungsweise der die Kontur abstützenden Bereiche zu hohen, schwellend auftretenden Biegemomenten. Hinzu kommt, dass in den letzten Jahren das Hydroforming auch vermehrt für die Herstellung von großen Rahmenteilen eingesetzt wird. Um die Anfangsinvestition zu reduzieren, wird die Bauteillage so gewählt, dass die Pressenzuhaltekraft möglichst klein ist. Weil der Innendruck allseitig wirkt, wächst durch diese Maßnahme die Werkzeugbelastung deutlich an. Schuler zog daraus die Konsequenz, den Aufwand der Festigkeitsberechnung bei der Konstruktion von IHU-Werkzeugen deutlich zu erhöhen. So ist die Festigkeitsberechnung mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode (FEM) sowohl in der Konzept- als auch während der Detailierungsphase Grundlage jeder Werkzeuggestaltung. Das heißt, dass in allen Konstruktionsphasen im Sinne des „Simultaneous Engineering“ kritische Werkzeugbereiche identifiziert und mit der FEM nachgerechnet werden. Das Ergebnis hieraus ist eine Angabe der in den betreffenden Bereichen auftretenden Vergleichs- und Hauptspannungen. Diese Spannungen werden dann unter Anwendung der FKM-Richtlinie (Forschungskuratorium Maschinenbau) ausgewertet. Diese Richtlinie selbst stellt den derzeitigen Stand der Technik dar und findet auch in der Automobilindustrie ihre tägliche Anwendung. Sie erlaubt außer der klassischen Dauerfestigkeitsberechnung auch die Berechnung der Zeitfestigkeit unter den jeweils gegebenen Lastkollektiven.Werkstoff ist entscheidend für die BauteilqualitätDer Halbzeugwerkstoff ist eine wesentliche Einflussgröße auf die Qualität des Bauteils. Treten zum Beispiel in der Serienproduktion nicht zu vernachlässigende Chargenschwankungen auf, so kann es sehr schnell zu hohen Ausschussquoten kommen. Derzeit werden zur Prüfung von Rohren für das Innenhochdruck-Umformen klassische Prüfverfahren eingesetzt. Das bedeutet in der Praxis, dass die Materialkennwerte meist nur am Blech oder am Rohr in Längsrichtung ermittelt werden. Gegebenenfalls wird am Rohr noch ein so genannter „Cone-Test“ durchgeführt, um die Güte der Schweißnaht zu prüfen.Diese beiden Methoden sind jedoch bei weitem nicht ausreichend, weil sie weder die Halbzeuggeometrie sowie ihre umformtechnische Entstehungsgeschichte noch die beim Hydroforming auftretenden typischen Spannungen berücksichtigen. Aus diesem Grund entwickelte Schuler einen verfahrensspezifischen Berstversuch. Dabei wird eine Rohrprobe beidseitig eingespannt und anschließend durch den Aufbau von einem Innendruck geborsten. Durch ein exakt definiertes Verhältnis des Rohraußendurchmessers und der freien Aufweitlänge von mindestens 3 kann sichergestellt werden, dass nahezu ein „plain-strain-Zustand“ besteht, das heißt, die Längsdehnung ist gleich 0. Dies entspricht bei den meisten dafür eingesetzten Werkstoffen dem kritischs-ten Dehnungszustand. Während des Versuches werden der Innendruck und die Rohraufweitung online gemessen und abgespeichert. So ist nach Versuchsende die maximal erreichbare Umfangsdehnung eines Rohres jederzeit ermittelbar.Des Weiteren kann auf Basis der Membrantheorie die Fließkurve des Rohres und daraus wiederum die Grenzformänderungskurve bestimmt werden. Da der Berstversuch ein unverzichtbares Mittel ist, um Werkstoffkennwerte am Rohr zu ermitteln, die eine Aussage zur Eignung des Halbzeuges für das Innenhochdruck-Umformen zulassen, hat Schuler eine Berstversuchseinrichtung in sein Lieferprogramm aufgenommen. Die mobile Vorrichtung, die nur eine Druckluftversorgung von 4 bis 6 bar und eine Stromversorgung mit 380 Volt benötigt, ist in der Standardversion zum Testen von Rohren mit Außendurchmessern zwischen 40 mm und 100 mm und einer Wanddicke bis 5 mm geeignet.Insbesondere im automobilen Leichtbau gilt die Innenhochdruck-Umformung als Fertigungsverfahren mit großem Zukunftspotenzial. In der Automobilindustrie wird daher immer öfter der Wunsch geäußert, Planungs- und Entwicklungsingenieure in Auslegung und Design von IHU-Bauteilen schulen zu lassen. Der Kunde möchte bei Neuprojekten bereits in einer frühen Planungsphase selbständig über den Einsatz der IHU-Technologie entscheiden und Bauteile IHU-gerecht gestalten können. Schuler bietet daher ein spezifisches und ausgefeiltes Schulungsprogramm an, das die notwendigen Grundkenntnisse vermittelt. Anhand von Übungsbauteilen werden die erworbenen Kenntnisse erprobt und gefestigt. Das Innenhochdruckumformen bietet noch viel E-PotenzialDarüber hinaus stellt Schuler Kunden und Interessenten mit seinen Engineering-Kapazitäten weitergehenden Support zur Verfügung. IHU-Teile können etwa mit Blick auf Steifigkeit, Festigkeit, Kosten und Gewicht während und nach der Konstruktion gerechnet und weiter optimiert werden. Vorhandene Rechenverfahren (FEM) sind für die Serienkonstruktion und den Datenaustausch mit den Konstruktions- und Entwicklungsabteilungen der Automobilindustrie und ihrer Zulieferer (beispielsweise zur Crashberechnung) weitgehend erprobt und haben sich bereits bewährt.Mit den vorgestellten Forschungs- und Entwicklungsschwerpunkten unterstreicht Schuler seinen Führungsanspruch in der IHU-Technologie. Die unterschiedlichen Lösungen zeigen, dass das Hydroforming sowohl bei Anlagen als auch beim Verfahren weiteres Potenzial zur Erhöhung der Wirtschaftlichkeit birgt. Die weitere konsequente Erforschung und Nutzung dieser Potenziale wird der IHU-Technologie und ihren Anwendern neue, bisher noch unbekannte Perspektiven für die Zukunft eröffnen.