20. NOVEMBER 2018

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Verzweigte Strukturen


Mit dem neuen Spaltprofilieren können Bauteile leichter, fester und zuverlässiger hergestellt werden als bisher. Und die deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) fördert diese Forschung mit insgesamt 9,5 Mio. Euro.

Die Natur betreibt Leichtbau in Perfektion. Ein Schachtelhalm hat, dank seiner inneren Kammerstruktur, eine optimale Festigkeit bei minimalem Materialeinsatz. Und die Natur abzukupfern hat in der Industrie beste Tradition. Mit dem neuen Verfahren können die Forscher sehr effizient komplexe Mehrkammerprofi le herstellen, die bei reduziertem Gewicht eine hohe Steifigkeit besitzen.

Optimiertes Verfahren
Herbert Birkhofer, Professor an der TU Darmstadt, zu den Zielen des Sonderforschungsbereichs 666: »Eine Kundenanfrage soll fast ohne händische Arbeit in ein CAD-Modell überführt und optimiert werden und dann direkt an die Anlage zur Fertigung gehen.« Dass dieses anspruchsvolle Ziel nicht in einem Anlauf zu erreichen ist, versteht sich von selber. In einem ersten Abschnitt haben die Wissenschaftler das neue Verfahren ausgelotet, die Qualität der Bauteile und die Produktentwicklung überprüft. Diese Erkenntnisse flossen in das Konzept einer kontinuierlich arbeitenden, flexiblen Anlage ein, die im März eingeweiht wurde.

Aufweiten statt spalten
Der Prozess funktioniert in zwei Varianten. Die erste ist das so genannte Spaltprofilieren. Dabei fixieren Hilfswalzen das Blech und eine stumpfe Spaltwalze staucht die Kante des Blechs so, dass sie nach und nach zu einem y-förmigen Querschnitt aufgeweitet wird.
Diese Walze schneidet also nicht, sondern das Material fließt unter dem Druck zwischen Spalt- und Hilfswalzen auseinander. Und je nach Abstand zwischen Spalt- und Hilfswalzen können auch zwei unterschiedlich dicke Flansche aus einer Blechkante entstehen. Bei der zweiten Variante, dem Spaltbiegen, wird das Blech am Ort der zukünftigen Verzweigung zuerst gebogen und dann, analog dem Spaltprofilieren, formt eine Spaltwalze von der Biegekante her den Flansch. Durch Kombinieren der beiden Verfahren lässt sich eine fast beliebige Anzahl von Flanschen aus einem Blech an beliebigen Orten erzeugen und durch weiteres Aufspalten dieser Flansche lassen sich komplex verzweigte Strukturen herstellen.

Extreme Dehnungen möglich
»Durch das Spalten entstehen verzweigte Strukturen, die in Verbindung mit spanenden und fügenden Verfahren die Realisierung von Produktklassen mit völlig neuen Eigenschaften ermöglichen«, führt Prof. Peter Groche von der TU-Darmstadt und Leiter des Sonderforschungsbereichs aus. »Durch Spaltprofilieren und Spaltbiegen ergeben sich neuartige Konstruktionskonzepte. « Verzweigte Strukturen können bedeutend höhere Belastungen aushalten, so ist die kritische Beulspannung einer Platte mit zwei Stegen um den Faktor 20 höher als bei einer unverzweigten Platte. Die stumpfe Spaltwalze erzeugt in der Umformzone so hohe Druckspannungen, dass Dehnungen bis über 1.000 Prozent erreicht werden, was Stähle unter normalen Verhältnissen nicht aushalten würden. Die mit dem Spaltprofilieren generierten Deformationen wirken auf die Kornstruktur des Materials und verursachen Subkornbildung.
Dadurch entstehen immer neue Gleitebenen im Metall. Außerdem besitzen die Flansche, bedingt durch das Spaltprofilieren, eine stark verdichtete, harte und glatte Oberfläche. »Und je nach Anordnung der Einzelprozesse in der Prozesskette lassen sich unterschiedliche Profiltypen mit charakteristischen Eigenschaften herstellen «, führt Peter Groche aus.

In einem Prozess
Darum geht es hier auch um das Problem, optimale Prozessketten zu generieren, die auf die jeweils geplante Zielgeometrie der Mehrkammerprofi le abgestimmt sind. Dabei muss man beachten, wie sich die einzelnen Prozesse gegenseitig beeinflussen. Um das nicht ausufern zu lassen, beschränkte man sich auf Hochgeschwindigkeitsfräsen, stationär wie mitfahrend, Spaltprofilieren, Spaltbiegen, Walzprofilieren, Laserschweißen und Trennen. Störgrößen über die Prozesskette hinweg sind zum Beispiel ungleichförmige Geschwindigkeiten und Beschleunigungen.
Dann produziert das Fräsen Späne und verändert die Steifigkeit des Blechs, dazu kommen Gratbildung und die Notwendigkeit Kühl- und Schmiermittel einzusetzen. Diese Herausforderungen wurden zusammen mit den beteiligten Firmen bewältigt und gingen in das neue Anlagenkonzept ein. »Alle Arbeitswellen sind einzeln steuer- und ansprechbar«, erklärt Ralf Kummle von Dreistern GmbH die Herausforderung. »Die Anlage überwacht sich selber und über ermittelte Drehmomente kann auf die Umformung rückgeschlossen werden.« Der große Vorteil einer solchen Anlage ist, dass alles in einem Prozess passiert, es müssen keine Zwischenprodukte sortiert und zwischengelagert werden, das spart Zeit, Geld und Platz für Zwischenlager.

Schritt für Schritt
Bei den aufeinander folgenden Prozessschritten ändern sich die Materialeigenschaften des Blechs. Diese Kenndaten brauchen die Entwickler, denn sie wollen schon in einer möglichst frühen Phase der Produktentwicklung, wenn das Produkt ausschließlich als CAD-Modell existiert, zuverlässige Aussagen zu Belastbarkeit und Lebensdauer des Bauteils ableiten. Das Ziel: basierend auf dem Kundenwunsch werden die Konstruktionsparameter ermittelt. Anschließend folgt die Optimierung der Geometrie in drei Stufen mittels mathematischer Modelle, zuerst die Topologie, sprich Anordnung und Größe der Kammern, dann folgt die Dimensionierung der Kammerwände und anschließend kommt die Feingeometrie dran. Aus den Modellgeometrien leitet das System dann die notwendigen Prozessschritte ab und bewertet sie. Und dieser Prozessablauf soll im Endstadium vollautomatisch ablaufen, ohne dass ein Mensch seine Hände dazwischen hat. Obwohl erst 2009 Halbzeit ist, könnten dann, so Herbert Birkhofer, schon einzelne Elemente des gesamten Forschungsbereichs industriell einsetzbar sein. »Es sind schon Transferprojekte mit der Industrie angedacht«, berichtet er, »und zwei sind schon in Vorbereitung. «
Natürlich will die Industrie einen hohen Durchsatz. »Zu den Fragestellungen der erreichbaren Geschwindigkeit laufen derzeit Untersuchungen«, führt Peter Groche aus. »Das Gleiche betrifft die verarbeitbaren Werkstoffe. Hier lag der Fokus bisher auf hochfesten, mikrolegierten Feinkornstählen und Blechstärken von 1,5 bis 6 Millimeter. « Als nächstes Ziel haben sich die Forscher eine Produktionsgeschwindigkeit von mindestens 20 Metern pro Minute gesetzt. Und er ist sich der wirtschaftlichen Zukunft des Projekts sicher: »Derartig verzweigte Profi le aus dünnem Stahlblech können heute noch nicht hergestellt werden. Insofern erübrigt sich ein direkter Kostenvergleich mit gängigen Verfahren. Bedingt durch die gute Werkstoffausnutzung und die hohen möglichen Fertigungsgeschwindigkeiten, gehen wir davon aus, dass die Kombinationen aus Spaltprofilieren und Walzprofilieren wirtschaftlich sehr attraktiv ist.« Diese Meinung teilt auch Peter Rademacher, Leiter des Qualitätsmanagements bei C. D. Wälzholz GmbH & Co. KG, er räumt dieser Methode großes Potenzial ein, speziell da hier mit hochfesten, schwer zu verarbeitenden Werkstoffen eine innovative Lösung gefunden wurde. Auch Erhard Hassler, Konstruktionsleiter bei Westfalia Profiltechnik GmbH & Co. KG, ist davon überzeugt, dass das neue Anlagenkonzept zusammen mit der innovativen Fertigungsmethode seinen Platz im Markt finden wird.

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