Forschungsrichtung Umform- und Schneidverfahren

Forschungsthemen im Bereich "Umform- und Schneidverfahren"

Forschungsrichtung Umform- und Schneidverfahren

Die Entwicklung und Umsetzung neuer Verfahren und Prozesse zur Herstellung von Blechbauteilen steht im Mittelpunkt der Forschungslinie Umform- und Schneidverfahren. Zum einen bilden aktuelle Themen aus der Industrie, insbesondere der regional angesiedelten Automobilindustrie, zum anderen Grundlagenuntersuchungen die Schwerpunkte der Verfahrensentwicklung. Diese beinhalten die Erforschung und Entwicklung von neuartigen Prozessführungen zum  Tief- und  Streckziehen, welche  durch Ausnutzung charakteristischer Werkstoffeigenschaften oder Randbedingungen außergewöhnliche Blechformteile hervorbringen.

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Umformtechnische Prozesse hängen im Wesentlichen vom eingesetzten Werkstoff, der Werkzeugtechnologie und der Umformmaschine ab. Die Maschine musshierbei technische Randbedingungen erfüllen, sodass der Umformprozess im Serienbetrieb robust läuft und gleichzeitig der Bediener die Möglichkeit besitzt in den Prozess gezielt eingreifen zu können. Dies erfolgt im Allgemeinen über Anpassung der Hubzahl der Presse sowie durch Modifikation der Ziehkissenkraft, welche über den Blechhalter übertragen einen direkten Einfluss auf das Ziehergebnis hat. Neben der primären Funktion, den Prozess robust zu realisieren, kommt heutigen Presseneine weitere Aufgabe zu. Sie müssen im Rahmen ihrer Funktion variabel hinsichtlich der Einstellmöglichkeiten von Kraft- und Geschwindigkeitsprofilen sein und heutigen Ansprüchen an ressourceneffiziente und energetisch optimierte Prozesse genügen.

Um die Funktion solcher Umformpressen variabler zu gestalten werden bereits heute Maschinen mit Servotechnologie ausgestattet, welche nahezu unbegrenzte Einstellmöglichkeiten zur optimalen Ausnutzung des Prozessfensters bieten. Die im Verbund mit diesen Pressen arbeitenden heutigen Ziehkissen, mit denen das Blech bei der Umformung definiert gehaltenwird, haben aus energetischer Sicht jedoch noch enormen Verbesserungsbedarf. Die durch die Stößelbewegung in das Systemeingebrachte Energie wird über die Hydraulikzylinder des Ziehkissens geleitet und in Form von Wärme an die Umgebung abgegeben. Um die Energiebilanz solcher Maschinen zu verbessern und den Umformprozess bzw. die Umformmaschine ressourceneffizienter zu gestalten, wurde am IFU eine Presse mit Servotechnologie sowohl im Hauptantrieb als auch im Ziehkissen installiert. Diese Kombination erlaubt es die in das System eingebrachte Energie während des Hubes rück zu gewinnen und für den nächsten Hub bereitzustellen. Erste Messungen an dieser in Europa einzigartigen Maschine haben eine Energierückgewinnung von bis zu 70% ergeben und zeigen damit das enorme Potential dieser neuen Technologie auf.

Im Rahmen der Forschungsaktivitäten am IFU werden umfangreiche Messreihen zur weiteren energetischen Optimierung solcher Systeme durchgeführt, um eine möglichst anwendungsnahe Umsetzung der Technologie zu gewährleisten. Hierbei werden im Zusammenspiel mit den Pressenbetreibern und den Herstellern die Messungen ausgewertet und deren Übertragbarkeit auf seriennahe Prozesse überprüft.

Innenhochdruckumformung am IFU (c)
Innenhochdruckumformung am IFU

Forschungsarbeiten des IFU betrachten hierbei die gesamte Prozesskette vom Biegen bis zum Schneiden und Lochen des Rohres. So wurde ein Verfahren entwickelt, mit dem Rohre aus verschiedenen, auch schwer umformbaren Werkstoffen, faltenfrei unter Innendruck vorgebogen werden können. Die Entwicklungsarbeiten auf dem Gebiet des eigentlichen Innenhochdruck Umformens konzentrieren sich auf die Charakterisierung des Umformverhaltens von Rohren und Strangpressprofilen in Kombination mit den Werkstoffen, auf die Erweiterung der Verfahrensgrenzen durch regelbare Umformprozesse und die Entwicklung neuer Werkzeugtechniken. Das abschließende Schneiden und Lochendes Bauteils unter Innendruck ist ebenfalls Gegenstand von Untersuchungen am IFU. Weitere Arbeiten beschäftigen sich mit der Außenhochdruckumformung von Rohren. Mit diesem Verfahren ist es möglich, das Werkstück mit einem von außen aufgebrachten Druck und einem innen liegenden Dorn, der nach dem Umformprozesswieder entfernt werden muss, in die gewünschte Form zu bringen.

Geregeltes Umformwerkzeug (c)
Geregeltes Umformwerkzeug

Durch eine Regelung des Umformprozesses kann erreicht werden, dass trotz schwankender Prozesseingangsparameter stets ein den Qualitätsanforderungen genügendes Blechformteil prozesssicherhergestellt wird. In zahlreichen Untersuchungen am Institut konnte hierbei die Eignung der Zargenspannung als lokale Führungsgröße derart geregelter Tiefziehprozesse sowie zur Prozessüberwachung aufgezeigt werden. Ein am IFU entwickelter Sensor besitzt die Eigenschaft, die in der Kraftübertragungs- und Krafteinleitungszone wirkende Zugspannung in einzelnen Bauteilbereichen lokal zu erfassen und regelungsseitig auf sich andeutende Reißer und Falten 2. Art zu reagieren. Diese Messtechnik sowie die Sensoren können heute in verschiedenartigen Ziehwerkzeugen eingesetzt werden. Diese Technik misst während des Pressenhubes die sich einstellenden Zargenspannungen im Ziehteil und regelt die durch ein beliebiges Rückhaltesystem erzeugte Rückhaltekraft des Bauteilrandes.

Der Optimierung für unterschiedliche Zielstellungen (Umformbarkeits- und Faltenkriteren) erfolgt in mehreren Sensitivitätsanalysen mit Hilfe der Umformsimulation. Daraus leiten sich die dominierenden Einflüsse lokaler Rückhaltekräfte auf die lokale Blechausdünnungs- und Faltenverteilung am Bauteil ab und zielorientierte Regelungskonzepte können erstellt werden.

Simulation in der Blechumformung (c)
Simulation in der Blechumformung

Die Aufgabe der Finiten Elemente Simulation in der Umformtechnik besteht darin, das Werkstoffverhalten unter definierten Lastfällen realitätsnah abzubilden. Somit stellt die Umformsimulation das elementare Werkzeug dar, um aus Konstruktionsdaten die notwendigen Prozesse zu entwickeln. Jedes Werkzeug zum Umformen, ob für die Serienproduktion oder zur Werkstoffcharakterisierung wird heute in einer Simulation geprüft, bevor es in Stahl gegossen und bearbeitet wird. In kürzester Zeit können mithilfe von Simulationen die Umformmethode dargestellt, Kenngrößen wie die Werkstoff - aber auch die Werkzeugbeanspruchungen in Abhängigkeit der Einstellparameter untersucht und Entscheidungen anhand von Bewertungskriterien getroffen werden. Die Umformsimulation hilft dem Bediener in die Prozesse hineinzublicken und letztlich das Werkzeug und den Werkstoff besser zu verstehen. Die Einsatzgebiete der Umformsimulation in der Blechabteilung am Institut teilen sich in zwei Gruppen auf.

Das erste Anwendungsgebiet der Umformsimulation beinhaltet die Methodenplanung, d.h. der Entwicklung von oftmals mehrstufiger Umformprozesse und deren Bewertung hinsichtlich Prozesssicherheit gegenüber Bauteilversagen, Maßhaltigkeit nach der Bauteilrückfederung und Robustheitsanalysen innerhalb gegebener Fertigungs- und Werkstofftoleranzen. Bei Fahrzeugkarosserieteilen beginnt die Simulation zum Teil beim aufgewickelten Bandmaterial, welches in der Richtwalzanlage wechselgebogen und in Form geschnitten wird, über den eigentlichen Umformprozess im Presswerk und den Zusammenbau einzelner Blechformteile z.B. beim Falzen bis hin zur Analyse der wärmeinduzierten Spannungen im Trocknungsprozess der Lackapplikation. Hierbei steht in der Regel die Absicherung von Prozessen gegenüber verschiedenster Ansprüche im Mittelpunkt.

Dies stellt die Verbindung zum zweiten Anwendungsgebiet der Umformsimulation dar, in dem das Werkstoffverhalten unter verschiedenen Beanspruchungen genauer untersuchtwird. Eng verzahnt mit der experimentellen Werkstoffcharakterisierung werden neue Kriterien zur Beschreibung des Umformvermögens unter definierten Lastfällen entwickelt und validiert. Hierzu zählen unter anderem die Berücksichtigung der Verfestigung beim Schneiden und die Berücksichtigung im weiteren Prozessablauf ebenso wie die Berücksichtigung überlagerter bzw. kombinierter Biegebeanspruchungen im Bauteil selbst. Für diese und weitere Versagenskriterien und Qualitätsanforderungen werden Bewertungsstrategien entwickelt, um Bauteile und Prozesse ganzheitlich im Vorfeld der Betriebsmittelproduktion abzusichern.

Die Entwicklung und Umsetzung neuer Verfahren und Prozesse zur Herstellung von Blechbauteilen steht im Mittelpunkt der Forschungslandschaft Blechumformung. Zum einen bilden aktuelle Themen aus der Industrie, insbesondere der regional angesiedelten Automobilindustrie, zu anderen Grundlagenuntersuchungen die Schwerpunkte der Verfahrensentwicklung. Diese beinhalten die Erforschung und Entwicklung von neuartigen Verfahren, welche durch Ausnutzung charakteristischer Werkstoffeigenschaften oder Randbedingungen außergewöhnliche Blechformteile hervorbringen. Ebenso wird in vielerlei Hinsicht die (Weiter-) Entwicklung und Optimierung der gesamten Prozesskette zur Herstellung komplexer Blechformteile bearbeitet.

Die Anwendungsgebiete am IFU reichen von Sonderferfahren für den Einsatz neuartiger Werkstoffe bis hin zur Optimierung und Kombination etablierter Verfahren. Dazu zählen u. A. die Verfahrensentwicklung von Magnesiumblechformteilen, die Herstellung von Edelstahl- und Titanblechformteilen unter erhöhten Temperaturen ebenso wie die Kombination von Textil-Blech-Verbundwerkstoffen in konventionellen Umformprozessen. Mit diesen Ansätzen werden am Institut für Umformtechnik die bekannten Grenzen des Werkstoffvermögens neu definiert und Blechformteile mit außergewöhnlichen Eigenschaften hergestellt.

Die Aufgabenfelder erstrecken sich vom Anfang der umformtechnischen Prozesskette, dem abcoilen des Blechs bis zu den Auswirkungen der finalen Lackier- und Trockungsprozesse am fertigen Blechformteil.

Die Konstruktion und Auslegung von Umformwerkzeugkomponenten in der Automobilindustrie erfolgt derzeit anhand allgemeingültiger Normen und Richtlinien. Die zunehmende Bauteilkomplexität und die Mehrfachanlage von Blechbauteilen im selben Werkzeug führten zu beachtlichen Größen- und Gewichtszunahmen der Umformwerkzeuge. Dies bedingt neben steigenden Kosten für den Werkzeugwerkstoff unter anderem die Problematik großer bewegter Massen im Presswerksbetrieb.

Neue Ansätze in der Konstruktion der Werkzeuggusskörper sowie die daraus resultierenden Potentiale werden auf Basis von bionischen Gestaltungskriterien untersucht. Unter Beachtung der im Gusskörper auftretenden Beanspruchungen, die sich aus den auftretenden Lastfällen ableiten, wird der Kraftfluss im Werkzeuganalysiert. Die Topologieoptimierung berechnet eine steifigkeitsbasierte Verteilung von finiten Elementen in einem zuvor definierten Designraum. Diese wird als FE-Modell mit entsprechenden Lastfällen und Randbedingungen beaufschlagt. Die Zielsetzung ist beispielsweise die beanspruchungsgerechte Beeinflussung bestimmter mechanischer Eigenschaften, wie z.B. Steifigkeit oder auftretende Spannung. Die Topologieoptimierung erzeugt eine geometrische Struktur des Umformwerkzeugs bei der überall dort Material eingespart wird, wo keine Funktion zu erfüllen ist. Um einen vertretbaren zeitlichen Aufwand zu gewährleisten, werden zur Ausschöpfung des vorhandenen Potentials hinsichtlich Leichtbau und Ressourceneffizienz Methoden entwickelt, die die Prozesse für die bionische Gestaltung gänzlich oder teilweise zu automatisieren.

Das Institut für Umformtechnik beschäftigt sich verstärkt mit Fragestellungen zur Qualitätssicherung von umformtechnisch hergestellten Blechformteilen. Dieses Aufgabenfeld beginnt mit den Methoden zur Bewertung des Umformvermögens, z. B. der Formänderungsanalyse des Umformprozesses und endet mit der Prüfung des lackierten Fertigteils. Die Prozess- und Bauteilanalyse ist eng mit der Entwicklung neuer Werkstoffcharakterisierungsmethoden verknüpft und unterscheidet bzw. grenzt sich letztlich durch das Produkt das im Vordergrund steht ab. In der Forschung verschwimmen diese Grenze jedoch schnell, da universitäre Bauteile zum Teil direkt aus Proben abgeleitet werden und umgekehrt.

Zu den mechanisch-technologischen Analysen zählen experimentelle Studien, welche Bauteileigenschaften wie Steifigkeit, Festigkeit, Crashverhalten, Beulwiderstand etc. ermitteln. Diese Größen werden in Abhängigkeit der Prozess- und Randbedingungen, die oftmals aus realen Serienprozessen übernommen werden, gegenübergestellt und bewertet.

Die klassische Bauteilbewertung am Pressteil, am Zusammenbau oder an fertigen Baugruppen untersucht sowohl die geometrische, als auch die Oberflächenqualität. Für die finale Geometrie werden unter anderem die CAD-SOLL, die simulierte CAE-SIM sowie die tatsächlich gemessene Geometrie verglichen, Abweichungen durch Zusammenbau- und Rückfederungsthematiken bestimmt und Bauteilnoten vergeben. Ebenso wichtig wie eine exakte Bauteilgeometrie ist eine einwandfreie Bauteiloberfläche. Zur Oberflächenanalyse werden die Bauteile (extern) in serienqualität lackiert und unter verschiedenen Lichtbedingungen auf ästhetische Mängel untersucht.

Die Bewertung der großen Blechformteilen stellt nur einen Teil der Bauteilanalyse dar. Ebenso werden kleine Bauteile oder Bauteilbereiche, wie beispielsweise die Oberfläche gebogener oder gefalzter Kanten mit speziellen Mikroskopen (hier einem Weißlichtinterferometer) untersucht. Hierbei lässt sich beispielsweise die unterschiedlichen Stufen der Oberflächenveränderung während des Herstellens einer Falzschlaufe visualisieren und nachvollziehen.

Ein Begriff der in den letzten Jahren immer mehr an Bedeutung gewinnt ist die Anmutung und die Markanz von Blechformteilen. Darunter wird im Allgemeinen die subjektive Wahrnehmung des Betrachters auf ein Produkt verstanden. Hierzu entwickelt das Institut für Umformtechnik zusammen mit Industriepartnern Ansätze um diese Begriffe mittels neuer Analysemethoden zu quantifizieren und in die Produktentwicklung und -bewertung zu integrieren. Darunter fallen sämtliche Designmerkmale im Bauteilinneren wie auch an den bauteilbegrenzenden Kanten. Dazu zählt immer auch der Blick auf die benachbarten Bauteile.

Eine entscheidende Eigenschaft von Blechformteilen ist, den äußeren Einflüssen zu trotzen. Damit ist insbesondere der Widerstand gegen natürliche und (un)absichtliche Umwelteinflüsse gemeint. Durch gezieltes Einbringen von Werkstoffeigenschaften kann der Widerstand gegen Hagelschäden und Parkplatzrämpler signifikant verbessert werden. Hierzu simulieren wir diese Beanspruchungen mit dem Beulprüfstand in statischen Versuchen mit einem Eindrückkörper, wie auch in dynamischen Versuchen unter Beschuss von Kunststoffhagelkörnern.

Dieses Bild zeigt Riedmüller
Dr.-Ing.

Kim Rouven Riedmüller

Abteilungsleiter Formgebung / Abteilungsleiter Umform- und Schneidverfahren