IFU Stuttgart Origami in der Umformtechnik: Bleche falten

Autor / Redakteur: Mathias Liewald, Philipp Schmid, Matthias Schneider / M.A. Frauke Finus

Faltstrukturen sind aus einem ebenen Ausgangsmaterial gefaltete, zelluläre Strukturen, die in einem isometrischen Verfahren hergestellt und salopp als „High-Tech-Origami“ (origami sekkei) bezeichnet werden. Diese Strukturen aus verschiedenen Blechwerkstoffen lassen sich in vielerlei Anwendungen vorteilhaft einsetzen, zum Beispiel als optisch ansprechende Fassade, als Wärmetauscherplatten oder aber als Kernstruktur bei Sandwichhalbzeugen.

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Hier sind die Ergebnisse einer FEM-Untersuchung dargestellt, bei der ein 0,7 mm dickes Blech aus den Werkstoff DC04 gefaltet wird.
Hier sind die Ergebnisse einer FEM-Untersuchung dargestellt, bei der ein 0,7 mm dickes Blech aus den Werkstoff DC04 gefaltet wird.
(Bild: IFU Stuttgart)

Insbesondere ist die Verwendung von Faltstrukturen als Kernmaterial für Sandwichpaneele vielversprechend. So können diese Strukturen stabil und relativ hoch aufgefaltet werden, wodurch die Bauteildicke und damit die Steifigkeit des Verbundes enorm erhöht werden kann. Durch die multidirektionale Faltkantenorientierung der Struktur sind die mechanischen Eigenschaften des Verbundes flächenanisotrop und daher vergleichbar mit denen von Honigwabenkernen.

Gleichzeitig bietet sich auch das Potenzial, die Fertigung deutlich wirtschaftlicher zu gestalten. Während bei Honigwaben die einzelnen Waben sowie die Deckbleche durch Kleben gefügt werden müssen, entstehen die Faltwaben aus der Faltung eines Bleches und bilden somit ein zusammenhängendes Bauteil ohne zusätzliche Fügestellen. Darüber hinaus besitzen die Faltwaben den Vorteil ihrer offenen Struktur, die eine Integration von zusätzlichen Funktionalitäten wie Durchlüftung zur Vermeidung von Kondensatbildung, Integration von Heizelementen oder auch Kabelbäume problemlos ohne zusätzliche Bearbeitung ermöglicht. Zur Fertigung von Faltkernen aus Blech werden in den meisten Fällen zwei Prozessschritte benötigt. Erstens: Die Einbringung der Vorstruktur, welche die Faltkanten im Bauteil definiert. Zweitens: Die Auffaltung des vorstrukturierten, ebenen Materials zu einem dreidimensionalen Körper mit 1 bis 3 Biegeachsenorientierungen.

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Für die Einbringung der Vorstruktur in die ebene Platine sind Fertigungsverfahren wie Anschneiden, Prägen, Perforieren, etc. denkbar. Die Erzeugung dieser Faltstrukturen ist heute noch größtenteils Gegenstand der Forschung, weswegen die Faltungen noch immer meist manuell erfolgen. Die Herstellung solcher Faltstrukturen als „Meterware“ wird bis heute nur durch wenige theoretische Fertigungsansätze verfolgt. Die in der Forschung und vereinzelt in der Industrie vorhandene Fertigungskonzepte konzentrieren sich aktuell auf Ausgangsmaterialien wie Kunststoffe, Aramidpapiere und dünne Faserverbundwerkstoffe mit einer vernachlässigbar kleinen Materialdicke. Nur wenige Untersuchungen beziehen sich auf metallische Werkstoffe und wenn dann primär auf Materialien mit Ausgangsblechdicken kleiner 0,2 mm bei Reinaluminium und kleiner als 0,1 mm bei Stahlwerkstoffen. Der Grund hierfür ist die zunehmende Komplexität des Materialflusses an den scharfkantigen Faltkanten bei steigender Ausgangsblechdicke. Die Faltung von komplexen Strukturen ist daher ab einer bestimmten Blechdicke mit den aktuellen Fertigungsansätzen nicht möglich.

Untersuchungen am Institut für Umformtechnik

Die Mitarbeiter des Institutes für Umformtechnik (IFU) der Universität Stuttgart forschen daher die Herstellbarkeit von solchen Origami-Strukturen aus Blechen mit 0,3 - 1,5 mm Ausgangsblechdicke. Durch die Verwendung von dickeren Blechen werden so potenzielle Designaußenflächen von Gebäuden oder Gehäusen steifer, da die Kernstrukturen der Sandwichverbunde höher gestaltet werden können, wodurch dickere Verbundplatten mit deutlich höheren Biegesteifigkeiten realisiert werden. Einsatzgebiete solcher Sandwichverbunde sind im Schiffs- und Waggonbau sowie der Baubranche (zum Beispiel Zwischenböden im Stahlbau) denkbar. Zudem ergibt sich bei Stahlkernen die Möglichkeit einer stoffschlüssigen Verbindung (zum Beispiel durch Laserstrahlschweißen) zwischen Kern- und Deckblech, wodurch eine besonders hohe Verbindungsfestigkeit erreicht werden kann. Durch diese Bauweise kann ein neuartiges Verbundbauteil hergestellt werden, das kostengünstig wiederverwertet werden kann. Im Gegensatz zu gängigen Verbundbauteilen am Ende des Produktlebenszyklus keine aufwendige Materialtrennung erforderlich, sondern das Bauteil kann im Ganzen eingeschmolzen werden.

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Die aktuellen Forschungsarbeiten des IFU beschäftigen sich mit der Vorstrukturierung von metallischen Blechen, um eine saubere und definierte Geometrie aufzufalten, sowie mit der entsprechenden Werkzeugtechnik zur Strukturierung und Auffaltung. Einflüsse wie metallische Verfestigungseffekte sind hierbei zu quantifizieren, um in Zukunft entsprechende Faltprozesse zu beherrschen. Der ausgewählte mathematische Faltalgorithmus, also der Verlauf der zu definierenden Faltkanten, muss jeweils an die gegebenen Randbedingungen des Materials angepasst werden. Ziel einer solchen Auslegung ist, dass alle Biegekanten des Faltprozesses nur mit Biegemomenten beaufschlagt werden und somit nur an diesen Stellen des Bauteils umgeformt wird. Ebenfalls von Interesse sind die Verfahrensgrenzen des Faltprozesses, also wie weit sich eine Struktur auffalten lässt und ab welchem Grad an den Vorstrukturen ein Aufreißen der Biegekanten auftritt. Die Ergebnisse einer FEM-Untersuchung, bei der ein 0,7 mm dickes Blech aus den Werkstoff DC04 gefaltet wird, zeigen, dass die Formänderungen nur an den Faltkanten auftreten und nicht in den Ebenen der Zelle. Somit sind nur vergleichsweise geringe Prozesskräfte für eine solche Fertigung zu erwarten, da nur Biegebeanspruchungen im Bauteil auftreten. Im Bild ist eine erste, mittels des favorisierten Fügeverfahrens des Laserstrahlschweißens gefügte, Stahl-Stahl-Sandwichstruktur aus dem Werkstoff DC04 abgebildet.

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