Umformen mit Fluiden und Luft

Die deutsche Forschungsgesellschaft hat ein Schwerpunkt-Forschungsprogramm zum Wirkmedienbasierten Umformen auf den Weg gebracht, das, offiziell abgeschlossen, in Teilprojekten noch weitergeführt wird.

25. Oktober 2007

Mittels Innenhochdruckumformen (IHU) hergestellte Produkte gibt es schon, wie die Allrad-Hinterachse für den Audi TT Quattro oder die A-Säule für das 3er BMW-Cabrio. Die Hinterachse ist bis zu 60 Prozent fester, besteht aus knapp halb so vielen Teilen und hat 80 Prozent weniger Schweißnähte verglichen mit der konventionell gefertigten. Die A-Säule des BMWs ist so stabil, dass sie ein weiteres baugleiches Fahrzeug ohne weiteres auf der Querverbindung der beiden A-Säulen aushalten könnte. Als Wirkmedien agieren meist Flüssigkeiten, seltener Gase. Dank allseitig gerichtetem Druck erfolgen Umformung und Dehnung gleichmäßig, was Mikrorisse weitgehend vermeidet. Weitere Vorteile sind, dass auch sehr komplexe Geometrien nur einen Fertigungsschritt benötigen und man Werkzeuge spart, was besonders bei Kleinserien sticht, allerdings steigt der apparative Aufwand. Dazu kommt, dass viele neue Leichtbaumaterialien konventionell schwer umformbar sind und deshalb neue Verfahren brauchen.

Umformen von Magnesiumblechen

Magnesium und seine Legierungen sind bei Raumtemperatur kaum umformbar, Wirkmedium und Werkzeug müssen also erwärmt werden. »Zum Umformen von Magnesium nahmen wir als Wirkmedium ein Öl, das möglichst wenig ausgast«, führt Prof. Bernd Viehweger von der Fakultät für Maschinenbau der BTU Cottbus aus. »Das optimale Öl gibt es noch nicht, aber wir haben mit Herstellern an der Zusammensetzung gearbeitet und so ein befriedigendes Wirkmedium bekommen.« Weiter entwickelten die Forscher ein heizbares, hydromechanisches Tiefziehwerkzeug sowie ein Werkzeug für die Hochdruckblechumformung. Elektrische Heizpatronen heizen dabei Ziehring, Stempel und Niederhalter, wobei die Erwärmung aller Komponenten separat steuerbar ist. »Es konnten tiefe Formen und enge Radien erzeugt werden«, so Bernd Viehweger, »sowohl beim hydromechanischen Tiefziehen als auch beim Hochdruckumformen.« Hydromechanisches Umformen wird schon in der Industrie eingesetzt. Das Hochdruckumformen ist dagegen noch Forschungsgegenstand.

Tailored Blanks

Tailored Blanks, Platinen unterschiedlicher Blechdicke und -güte, machen das Umformen schwierig, dazu kommt noch das Wandern der Schweißnaht beim Umformen. Dank diesem Mix an Materialeigenschaften besteht die Gefahr, dass sich beim Umformen Falten und Reißer bilden und das Material unkontrolliert zurückfedert. »Wir entwickelten deshalb einen segmentierten Blechhalter mit Mehrpunkt-Zieheinrichtung, der über getrennte Hydraulikkreise individuell angesteuert werden kann«, erläutert Dr. Stefan Wagner, Institut für Umformtechnik der Universität Stuttgart. »Die maximal erreichbare Ziehtiefe bei Tailored Blanks kann durch Verwendung eines Gegendrucks erhöht werden.« Und da hier die Relativbewegung zwischen Blech und Stempelwand reduziert werden kann, wandert die Schweißnaht deutlich weniger als beim konventionellen Tiefziehen. »Schweißnähte werden durch das IHU nicht beschädigt«, weiß Dr. Marion Merklein vom Lehrstuhl für Fertigungstechnologie der Universität Erlangen-Nürnberg. »Wir legten die Schweißnähte in gering belastete Bereiche der Platine. Patchwork Blanks werden nicht punktgeschweißt, sondern umlaufend, so können die Wirkmedien nicht zwischen die Bleche eindringen und das Ganze auseinanderschälen.« Das Forscherteam bereitet gegenwärtig ein Transferprojekt mit der Industrie vor.

Multibranvefahren

Die bei Tailored Blanks und strukturierten Platinen wechselnden Blechdicken sorgen auch für Probleme bei der Dichtigkeit. Eine Lösung ist hier das Multibranverfahren, bei dem mehrere Membranen eingesetzt werden. »Mit dem Multibran-Verfahren gibt es auch bei Tailored Blanks keine Probleme, denn die Membranen gleichen die Dickenunterschiede aus«, berichtet Dr. Marion Beckmann von der Fakultät für Maschinenbau der Universität Paderborn. »Die Membranen sind aus Polyurethan. Momentan arbeiten wir mit Drücken bis 700 bar, rein theoretisch ist das zu steigern bis 4.000 bar.« Die Taktzeiten liegen bei zwei bis drei Teilen pro Minute, denn der Druckaufbau geht schnell, da jede Membran einzeln versorgt wird. Im Laufe des Forschungsprogramms entwickelten die Forscher am Institut für Umformtechnik der Universität Dortmund zusammen mit dem Unternehmen Siempelkamp eine neue 100-MN-Presse. Die Anlage besitzt einen liegenden Rahmen mit passender Wirkmedienversorgung plus ein Mehrpunktniederhaltersystem, wobei Niederhalter- und Schließfunktion getrennt sind. So können beide unabhängig voneinander sehr genau eingestellt werden. Die Niederhalterfunktion ist in die formgebende Werkzeughälfte integriert. Dazu kommt eine ins Werkzeugsystem eingebaute Blecheinzugsregelung.

Lokale Erwärmung

Je kleiner die zu formenden Strukturen, umso höher sind die nötigen Drücke im Wirkmedium. Abhilfe schafft hier eine lokale Erwärmung. »Mittels Laserstrahlung können Nebenformelemente wie Sicken von mehr als 100 Millimetern Länge sehr präzise und geometrisch flexibel auf beliebige Temperaturen erwärmt werden«, führt Dr. Lars Engelbrecht vom Laser-Zentrum Hannover aus. »Somit können kleine Übergangsradien von beispielsweise drei Millimetern bei sehr geringen Wirkdrücken von 4MPa ausgeformt werden, wofür ohne lokale Erwärmung der 10- bis 100-fache Druck benötigt würde.«

Schockwellen

Beim Hydroimpulsumformen geschieht die Blechumformung mittels Druckimpulsen, die durch das Wirkmedium auf die Platine übertragen werden. Diese Druckimpulse erzeugt ein Hammer, der mit hoher Geschwindigkeit auf eine Wasserfläche trifft. Damit lassen sich prozesssicher Bauteile mit scharfen Konturen aus schwer umformbaren Materialien herstellen. »Der Vorteil des Verfahrens ist der schnelle Druckanstieg und da die Belastung nur sehr kurzfristig auftritt, muss das Werkzeug auch nicht komplett abgedichtet werden, der Spalt ist immer ca. 0,2 Millimeter offen, was die Anlage vereinfacht«, schildert Prof. Vladimir Vovk von der Fakultät für Maschinenbau der Universität Magdeburg die Vorteile. »Wegen der kurzfristigen Belastung von wenigen Millisekunden kann man auch Werkzeuge aus weicherem Material wie Holz, Plastik, Bitumen verwenden und trotzdem damit Stahlblech formen.« Die Masse des Hammers, seine Auftreffgeschwindigkeit und die Tiefe der Wirkmedien bedingen den Einsatz: bei ›weichen‹ Impulsen tiefziehen und bei scharfen Impulsen schneiden. »Die Taktzeiten sind kurz, da kein Druckaufbau im Werkzeug nötig ist.« Der Nachteil: das Formen großflächiger Strukturen ist unmöglich, bei etwa 50 Zentimetern Durchmesser ist Schluss. »Hydroumformen bietet große Potenziale bei der Herstellung komplexer Hohlteile«, so Raik Grützner vom Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik. »In vielen Fällen kann dieses Potenzial nicht vollständig genutzt werden, da bei der Konstruktion der Bauteile auf die nachfolgenden Fügeprozesse Rücksicht genommen werden muss.«

Umformen und Fügen

Die Lösung liegt in der Integration von Fügeoperation und Umformprozess. Die Forscher entwickelten hier zwei Ansätze. Beim Hydrostanznieten arbeitet das für die Umformung eingesetzte Druckmedium, als Matrizenersatz. Beim Hydroclinchen wirkt das Fluid als Stempelersatz. Diese beiden Kombiverfahren sparen Prozessschritte ein und erweitern die Designmöglichkeiten, da Verbindungen in komplexen IHU-Baugruppen auch an unzugänglichen Stellen möglich sind. Außerdem relativieren sich hier die längeren Taktzeiten des Hydroumformens wieder. Konventionelle Anlagen schaffen es 11 bis 12 Teile pro Minute tiefzuziehen, beim wirkmedienbasierten Tiefziehen sind nur ein bis zwei Teile Stand der Dinge, dafür ist aber nur ein formgebendes Element, ein Stempel beim hydrodynamischen Tiefziehen, oder die Matrize beim Hochdruckblechumformen, nötig. Bernd Viehweger: »Deshalb ist es kein Verfahren, um in Groß­serie Komponenten für einen VW Golf herzustellen, aber für einen Maibach passt’s.« Grundgedanke des wirkmedienbasierten Umformens ist es, die starren Werkzeuge durch Fluide oder Gase zu ersetzen, um auch aus schwierig umformbaren Werkstoffen Blechformteile herzustellen, die bei reduzierten Werkzeugkosten nur einen Fertigungsschritt brauchen. Gegen den Nachteil der längeren Taktzeiten punkten die Vorteile: reduzierte Werkzeugkosten, eingesparte Prozessschritte - das bringt Einsparpotenzial von mindestens 25 Prozent, bei geringen bis mittleren Stückzahlen sind diese Verfahren im Mittel 30 bis 60 Prozent günstiger als konventionelles Tiefziehen. Dazu kommt eine hohe Maßhaltigkeit. »Motivation dafür, dieses Schwerpunktprogramm zu initiieren, war das zunehmende industrielle Interesse an dieser Technik, die viel Potenzial bot, aber zu der noch das nötige Grundlagenwissen fehlte«, so Prof. Matthias Kleiner, Sprecher des Schwerpunktprogramms und jetzt Präsident des DFG. »In diesem Projekt wurden außer Wissen um die Gestaltung stabiler Prozesse auch Werkzeuge und Anlagentechnik entwickelt, die ihrerseits wieder Ausgangspunkt neuer Forschungsarbeiten wurden. Wir haben so mit diesem Schwerpunktprogramm den Anstoß zu mehr geleistet, jetzt ist die Industrie gefragt, weitere Projekte mit Forschungseinrichtungen auf den Weg zu bringen.« _

Barbara Stumpp

Erschienen in Ausgabe: 07/2007