Wirtschaftlicher tiefziehen

Ein neuartiges Verfahren steigert die Materialeffizienz beim Tiefziehen, ermöglicht höhere Ziehverhältnisse und wurde mit dem Wissenschaftspreis 2008 des IFU Stuttgart ausgezeichnet.

22. Oktober 2008
Tiefziehen mit überlagerter Deformation des Ziehteilbodens
Bild 1: Wirtschaftlicher tiefziehen (Tiefziehen mit überlagerter Deformation des Ziehteilbodens )

Das Tiefziehen und das Streckziehen sind die wichtigsten Umformverfahren für die wirtschaftliche Herstellung von Blechformteilen in der Serienfertigung der Fahrzeug-, Maschinen- und Luftfahrtindustrie. Im Ziehteilboden entstehen während des Prozesses Spannungsverhältnisse, die häufig nicht genügen, um die Blechdicke im Boden zu reduzieren. Die Steuerbarkeit der Spannungs- und Dehnungsverhältnisse in diesem Bereich ist nicht optimal — so bleiben häufig Materialanteile ungenutzt. Ein neuartiges Umformverfahren zeigt nun Möglichkeiten auf, die Dehnungen und Verfestigungen im Ziehteilboden auf die jeweiligen funktionalen Anforderungen des Umformgutes einzustellen. Dies steigert zum einen die Materialeffizienz und somit die Nachhaltigkeit des Fertigungsprozesses insgesamt. Zum anderen sind mit diesem Verfahren Festigkeitssteigerungen sowie Verbesserungen der Formhaltigkeit des Umformgutes erreichbar. Bei dem neuartigen Verfahren wird im Oberwerkzeug ein Prägestempel angeordnet. Dieser dringt nach einem speziellen Regelalgorithmus während des Tiefziehvorganges mehrfach iterativ in die Bodenform des Bleches ein. Der Ablauf unterteilt sich in mehrere Phasen der Deformation und Reformation des Ziehteilbodens. Durch diese Fertigungsabfolge kann im Boden eine frei einstellbare Dehnung des Bleches erfolgen, und somit die Festigkeit in dieser Blechpartie eingestellt werden. Im Zuge der Dehnungseinleitung kommt es zu einem Abfließen des Bleches vom Boden in die Zarge. Somit kann die Einsatzplatine signifikant verkleinert werden. Das Verkleinerungspotenzial der Platine ist dabei abhängig vom Dehnungsvermögen des Bleches und dem prozentualen Anteil der Bodenfläche. Bei einem Edelstahl und einem Ziehverhältnis von Beta = 1,5 kann das Platinenverkleinerungspotenzial bis zu 20 % betragen. Durch das Nutzen des Ziehteilbodens als zusätzliche Materialquelle ist eine Steigerung des Ziehverhältnisses um bis zu 20 % erreichbar. Grundlage hierfür ist eine präzise Steuerungsabfolge des Penetriervorganges. Durch das vom Boden erzeugte Blechvolumen können bei gleicher Ziehtiefe kleinere Boden- oder Eckenradien erzeugt werden. Auch hierfür ist eine exakte Steuerung des Prozesses mit diesem Verfahren möglich, aber auch Voraussetzung. Die neuartige Fertigungsmethode des Penetrierens stellt darauf ab, während des Tiefziehens eine iterative Hohlprägung zu überlagern und die entstehende Deformation des Ziehteilbodens durch prozessimmanente Zugspannungen wieder zu Reformieren. Die erforderliche Bewegungscharakteristik der beteiligten Komponenten ist jedoch für mechanische Pressen nicht optimal. Des Weiteren ist das zur Verfügung stehende Zeitfenster bei mechanischen Pressen zu gering, um mehrere Penetrationen ausführen zu können. Um dennoch signifikante Dehnungen erzeugen zu können, wird das Penetrieren von dem Tiefziehen getrennt. Im ersten Arbeitsgang wird die Platine in mehreren Penetrationen im Bodenbereich gedehnt. Die Ausgangsblechdicke wird verdünnt und die beteiligte Blechzone wird auf den gewünschten Wert verfestigt. Durch die Materialumverteilung wird eine erste Prä-Zarge mit der Höhe angeformt. Diese vorgeformte Platine wird nun in die Tiefziehstation weitergetaktet und dort zum Tiefziehteil gezogen.

Penetrieren

Das Penetrieren (zum Patent angemeldet) beschreibt ein Verfahren, bei dem das Ziehgut während des Tiefziehens mehrfach mittels einer Hohlprägung im Bodenbereich deformiert und anschließend wieder reformiert wird. Das durch die Dehnung entstehende Blechvolumen wird in die Zarge umverteilt. Eine Verfahrensverfeinerung stellt das Kurzhub-Penetrieren dar. Hierbei wird das iterative Hohlprägen in einer Vorstufe ausgeführt. Im Weiteren wird die vorbereitete Platine zum Hohlkörper umgeformt. Verfahrensvorteile sind: Eine Verfestigung des Ziehteilbodens bis hin zur maximalen Dehnungsmöglichkeit des Bleches — ein höherer Umformgrad ist erreichbar — die Eigenschaften sind durch variable Parameter einstellbar — signifikante Materialeinsparung — die Prozessregelung ist möglich — die Formhaltigkeit lässt sich verbessern — kleinere Boden- oder Eckenradien sind herstellbar — die Prozessstabilität steigt und die Ausschussquote verringert sich.

Prozessumstellung in vier Schritten

Die Prozessumstellung eines bestehenden Prozesses kann in vier Schritten umgesetzt werden. So lässt sich zunächst durch eine erste Machbarkeits- und Wirtschaftlichkeitsbetrachtung das Verfahrenspotenzial abschätzen. Im Zweiten Schritt werden mittels einer vergleichenden Tiefziehsimulation die Materialeinsparungen und Veränderungen der Formhaltigkeit exakt ermittelt. Danach folgt die Herstellung einer Versuchsplatine auf einer Versuchspresse. Diese Versuchsplatine wird durch den bestehenden Prozess geführt und die entstehenden Eigenschaften können abgenommen werden. Im letzten Schritt wird die Prozessumstellung geplant und durchgeführt. Das zum Patent angemeldete Verfahren wurde von der Universität Stuttgart mit dem Wissenschaftspreis 2008 ausgezeichnet. Derzeit gibt es verschiedene Umsetzungsprojekte in dieser Technologie.

Gerd Reitter

Erschienen in Ausgabe: 10/2008