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Wirkmedienbasierte Fertigung Tailor Welded Blanks und Patchwork Blanks mit Hochdruck in Form bringen

| Autor / Redakteur: Massimo Tolazzi und andere / Annedore Munde

Wirkmedienbasierte Fertigungsverfahren zur Umformung metallischer Halbzeuge besitzen ein hohes Innovationspotenzial, insbesondere dann, wenn es um die Realisierung prozessbedingter Bauteileigenschaften geht. Während das Verfahren für die Umformung von Rohren bereits eine weite Akzeptanz und Verbreitung in der Industrie gefunden hat, steht die wirkmedienbasierte Umformung von Blechen erst am Anfang ihrer Entwicklung.

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Integriertes Werkzeug zur Umformung und zum Laserstrahlschweißen von Doppelblechbauteilen Bilder: Lehrstuhl für Fertigungstechnologie
Integriertes Werkzeug zur Umformung und zum Laserstrahlschweißen von Doppelblechbauteilen Bilder: Lehrstuhl für Fertigungstechnologie
( Archiv: Vogel Business Media )

In den letzten zwanzig Jahren ist der Einsatzbereich der wirkmedienbasierten Umformung stetig angewachsen. Zahlreiche Vorteile, zum Beispiel gleichmäßige Verfestigung, gute Oberflächenqualitäten und verringerte Rückfederung, ergeben sich hauptsächlich aufgrund des verwendeten Wirkprinzips der isostatischen Druckwirkung. Ein bislang noch weitgehend unerforschtes Potenzial dieser Technik liegt in der Verwendung von maßgeschneiderten Halbzeugen wie Tailor Welded Blanks oder Patchwork Blanks, die insbesondere im Bereich der Automobilindustrie ein erhebliches Potenzial für Gewichts- und Kosteneinsparungen bieten.

Die Halbzeuge können auch bei der wirkmedienbasierten Blech-umformung durch entsprechende Systemtechnik und ausreichendes Prozessverständnis eingesetzt werden. Dadurch können die Vorteile eines anforderungsoptimierten Halbzeugs mit denen eines innovativen Fertigungsverfahrens wie der wirkmedienbasierten Blechumformung kombiniert werden. Nachfolgend wird an drei ausgewählten Beispielen aufgezeigt, wie diese Vorgehensweise erfolgreich durchgeführt werden kann.

Erzeugung komplexer Nebenformelemente bei homogener Bauteilverfestigung

Das aufgezeigte Potenzial der maßgeschneiderten Halbzeuge macht die Entwicklung innovativer Fertigungsprozesse für deren Umformung erforderlich. Ein möglicher Lösungsweg besteht in der Integration des konventionellen Tiefziehens mit einem starren Stempel und der Umformung mit einem aktiven Wirkmedium in ein Werkzeug. Die Anwendung dieser Verfahrenskombination gestattet es, die Vorteile der wirkmedienbasierten Umformung auch auf Platinen mit lokal unterschiedlichen Fließeigenschaften wie Tailor Welded Blanks oder Patchwork Blanks übertragen zu können, da durch den starren Ziehstempel ein kontrollierter Werkstofffluss und somit eine gleichmäßige Vorformung der inhomogenen Platinen ermöglicht wird.

Durch die nachfolgende Formgebung mit einem aktiven Wirkmedium können schließlich komplexe Nebenformelemente erzeugt und eine homogene Bauteilverfestigung eingestellt werden. Gleichzeitig kann mit Hilfe dieser Verfahrenskombination die Zykluszeit gegenüber der reinen wirkmedienbasierten Umformung erheblich verkürzt werden, da nach dem Tiefziehen nicht mehr das gesamte Bauteilvolumen mit dem Wirkmedium befüllt werden muss.

Verfahrenskombination für unterschiedliche Blechdicken

Das Prinzip der geschilderten Verfahrenskombination aus Tiefziehen und anschließender wirkmedienbasierter Umformung ist in Bild 1 dargestellt. Nach dem Tiefziehen der Vorform können mit Hilfe des Wirkmediums sowohl Formelemente im Boden- als auch im Zargenbereich ausgeformt werden. Die Möglichkeit, mit einem Hinterschnitt versehene Bauteile herzustellen, erfordert jedoch die Verwendung eines teilbaren Ziehrings zur Entnahme des Werkstücks.

Aufbauend auf grundlagenwissenschaftlichen Untersuchungen wurde diese Verfahrenskombination am Lehrstuhl für Fertigungstechnologie zur Herstellung eines komplexen Demonstratorbauteils weiterentwickelt. Am Beispiel dieses Demonstrators, dessen geometrische Merkmale sich an einem handelsüblichen Pkw-Rad orientieren, konnte das Potenzial der Verfahrenskombination aus Tiefziehen und wirkmedienbasierter Umformung eindrucksvoll nachgewiesen werden (Bild 2).

Die Umformung einer inhomogenen Platine durch ein Wirkmedium unter Anwendung einer konventionellen Prozessführung führt zu ungleichmäßigem Blecheinzug und Aufweitung mit konsequentem frühzeitigem Versagen des weicheren beziehungsweise dünneren Werkstoffes (Bild 3). Dieses Verfahren wurde zunächst in einem axialsymmetrischen Werkzeug untersucht mit dem Ziel, geeignete Prozessführungsstrategien zu entwickeln, um die Umformung hinsichtlich der Erhöhung der Formgebung zu optimieren. Die erste der entwickelten Strategien sieht vor, den Umformprozess durch die lokale Regelung der Niederhalterkraft und somit der im Flansch wirkenden Reibkräfte zu beeinflussen. Hierzu wurde das Werkzeug mit einem auf Druckmessfolien basierten Messsystem zur Erfassung der im Flansch wirkenden Flächenpressung ausgerüstet (Bild 4).

Kraftverteilung durch den Einsatz der Regelung bestimmt

Von Vorteil ist dabei die für die Prozessauslegung benötigte kurze Zeit, weil die Verteilung der Kraft durch den Einsatz der Regelung bestimmt wird. Diese Strategie ist dennoch nicht allgemein einsetzbar, sondern bringt eine Beschränkung in den möglichen Werkstoffkombinationen mit sich, da die Werkstoffe nur geringere Unterschiede in der Festigkeit oder Blechdicke aufweisen dürfen (Bild 5).

In der zweiten Strategie wurde hingegen die ideelle Umformkraft durch den Einsatz unsymmetrischer Blechzuschnitte lokal verändert. Zur Auslegung des Blechzuschnitts ist an dieser Stelle der Einsatz der FE-Simulation notwendig. Die Ergebnisse zeigen, dass diese Strategie die Umformung von Tailor Welded Blanks aus sehr unterschiedlichen Werkstoffen, wie beispielsweise DC04 mit einer Ausgangsblechdicke von s0 = 1 mm und DP450 mit s0 = 1,5 mm, ermöglicht (Bild 6), wobei die erreichbare Formkomplexität, hier an der Ziehtiefe gemessen, mit steigender Inhomogenität des Tailor Welded Blanks abnimmt. Nachteilig wirkt sich bei dieser Strategie der höhere Aufwand zur Modellbildung und -berechnung aus, der zur rechnergestützten Auslegung der jeweiligen Blanks investiert werden muss.

Zusammenfassend kann festgehalten werden, dass durch die Auswahl geeigneter Prozessführungsstrategien die Formgebungsgrenzen der wirkmedienbasierten Umformung von Tailor Welded Blanks deutlich erweitert werden können. Die Komplexität der herstellbaren Bauteile bleibt dennoch im Vergleich zu konventionellen Halbzeugen gering und hängt von der Werkstoffkombination sowie von der Lage der Schweißnaht ab.

Die wirkmedienbasierte Umformung zweier Bleche, die aus unterschiedlichen Werkstoffen bestehen oder eine unterschiedliche Blechdicke besitzen, bereitet aufgrund des ungleichmäßigen Umformverhaltens der Platine erhebliche umformtechnische Schwierigkeiten.

Hydrostatischer Druck für ungleiches Umformverhalten

Die Versagensmechanismen, die dabei auftreten, sind durch den unterschiedlichen Blecheinzug während des Vorformens und die unterschiedlichen Berstdrücke während der folgenden Phase, des Kalibrierens, bedingt. Das Vorformen ist die erste Phase des Prozesses, bei der die Umformung durch Streckziehen in der Zone der freien Ausformung und Tiefziehen im Flansch erfolgt. Das Einlaufen von Material aus dem Flansch in die Gravur begünstigt das Umformvermögen des Bauteils an den kritischen Stellen und ist daher erwünscht. Das Kalibrieren folgt dieser ersten Phase und dient dem Erreichen einer möglichst großen Ausformung des Bauteils.

Das Auftreten und Voranschreiten des Blecheinzugs hängt vom Gleichgewicht zwischen dem Kraftangebot durch den Innendruck und den zu überwindenden Umform- und Reibkräften im Flansch ab. Bei der Doppelblech-Umformung inhomogener Blechpaare weisen die beiden Halbzeuge einen unterschiedlichen Einzug auf. Daraus folgt, dass während der Aufweitung ein zunehmender Anteil der Flanschfläche der Bleche nicht mehr in Kontakt steht.

Auf diesen Anteil der Flanschfläche wird deswegen keine Klemmkraft übertragen, was die Entstehung von Falten im Flanschbereich zur Folge hat. Das Umformvermögen der zwei Platinen nach dem gemeinsamen Vorformen bleibt, aufgrund der verschiedenen Blechdicken und mechanischen Eigenschaften, unterschiedlich und wird durch ihren Berstdruck gekennzeichnet. Das Bersten des schwächeren Halbzeugs tritt auf, bevor der Umformpartner eine vollständige Ausformung erreicht hat. Die beiden Versagensmechanismen sind anhand umgeformter Bauteile in Bild 7 dargestellt.

Um diese Probleme zu beheben, wurde eine neuartige Strategie entwickelt, die den Einsatz eines Außendruckes an der Außenfläche eines Bleches vorsieht. Dieser wirkt dem Innendruck entgegen, sodass das Blech die Differenz der beiden hydrostatischen Drücke aufnimmt (Bild 8). Durch die Eingabe eines geeigneten Verlaufs des Gegendruckes während des Vorformens ist es möglich, das unterschiedliche Umformverhalten der Bleche auszugleichen und einen gleichmäßigen Blecheinzug zu bekommen. In der folgenden Phase des Kalibrierens wird der Außendruck eingesetzt, um das Bersten des schwächeren Bleches zu vermeiden. Es kann auf diese Weise eine größere Ausformung beider Halbzeuge erreicht werden, welche bei dem klassischen Prozessablauf nicht möglich wäre (Bild 9).

Ergebnisse als Basis für industrielle Serienfertigung mit wirkmedienbasierter Umformung

Die hier gezeigten Ergebnisse bei Verwendung von anforderungsoptimierten Halbzeugen in Kombination mit der wirkmedienbasierten Umformung zeigen deutlich das enorme Potenzial, welches in der wirkmedienbasierten Blechumformung steckt. Die Forschungsgruppe am Lehrstuhl für Fertigungstechnologie erarbeitet dafür system- und prozesstechnische Grundlagen, welche für eine erfolgreiche wirtschaftliche Nutzung dieser Technologie notwendig sind. In der näheren Zukunft wird sich zeigen, ob diese Verfahren den Sprung in eine industrielle Serienfertigung schaffen und inwieweit sich die damit erzeugten Produkte auf dem Weltmarkt durchsetzen können.

Dipl.-Ing. Massimo Tolazzi ist Leiter der Arbeitsgruppe Wirkmedienbasierte Blech-umformung, Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg, Lehrstuhl für Fertigungstechnologie, Dr.-Ing. Klaus Lamprecht, Dipl.-Ing. Andreas Blankl, Dipl.-Ing. Massimo Cojutti sind Mitarbeiter der Arbeitsgruppe, Tel. (0 91 31) 8 52 71 40, Fax (0 91 31) 93 01 42, lft@lft.uni-erlangen.de

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