Umformmaschinen und -werkzeuge

Umformtechnik

Gezielte Warmumformung für punktgenaue Bauteileigenschaften

Der Leichtbau hat sich im Automobilbau etabliert. Die Stahlhersteller präsentieren hierfür die geeigneten höchstfesten Stähle, die Anlagenbauer feilen an den richtigen Konzepten für die Herstellung der Bauteile. Das Ziel ist klar: geringerer Verbrauch. Die neuen Karosseriematerialien sollen höchste Sicherheitsstandards erfüllen, die Bauteileigenschaften möglichst maßgeschneidert und der Prozess jederzeit reproduzierbar sein. Hier setzt die Warmumformung an.

Im neuen VW Passat wird eine komplette Teilefamilie der integrierten Fahrgastzelle durch Presshärten hergestellt. Bild: Munde

Steinhoff ist wissenschaftlicher Leiter des Anwendungszentrums Metallformgebung (Metakus) in Kassel-Baunatal und Inhaber des Lehrstuhls für Umformtechnik an der Universität Kassel. Die Thermoprozesstechnik ist genau das, worauf man sich in Kassel spezialisiert hat.

Insgesamt steht das auch als Presshärten bezeichnete Verfahren für eine Reihe von Vorteilen, beispielsweise für eine Reduzierung der Blechdicke und die Reduktion des Bauteilgewichts, für die Herstellung komplexer Teile mit teils sehr hohen Umformgraden, für verbesserte Crasheigenschaften aufgrund höherer mechanischer Eigenschaften des Grundmaterials oder für eine deutlich geringere notwendige Presskraft für die Umformung als beim Kaltumformen höherfester Stähle und damit auch für eine geringere Belastung der Pressen und Werkzeuge.

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Komplexer Prozess erfordert umfassendes Handeln

Doch wo liegen die Herausforderungen beim Presshärten? Für Dr.-Ing. Franz-Josef Lenze, Fachkoordinator Umformtechnik bei der Thyssen-Krupp Steel AG, sind es drei Kernbereiche, die für die Prozessführung entscheidend sind: der Aufheizprozess, die Handhabungstechnik und die Werkzeugtechnik. „Der Aufheizprozess wird zukünftig von der Frage des notwendigen Energieeinsatzes (Wärmeübertragung/Wirkungsgrad) und von der exakten Temperaturführung zur Einstellung der gewünschten Werkstoff- beziehungsweise Oberflächeneigenschaften dominiert“, so Lenze. Darüber hinaus spiele der schnelle und sichere Materialtransport zwischen Aufheizeinrichtung und Maschine/Werkzeug eine wesentliche Rolle.

Das Umformwerkzeug selbst hat in der gesamten Prozesskette eine zentrale Bedeutung. Es hat einerseits die Aufgabe, die Teilegeometrie exakt zu erzeugen, und andererseits werden im gleichen Werkzeug über den dort ablaufenden thermischen Prozess die Bauteileigenschaften eingestellt. Doch allein mit der eigentlichen Umformung ist die Prozessbetrachtung nicht abgeschlossen.

„Letztendlich wird zukünftig auch die Entwicklung und Optimierung des Beschneidprozesses bei der Warmumformung eine wichtige Rolle spielen, da dieser ganz wesentlich zur Wirtschaftlichkeit der gesamten Prozesskette beiträgt. Ankonstruktionen beziehungsweise Platinenzuschnitte müssen so gestaltet werden, dass ein der Umformung nachgelagerter Beschneidprozess weitestgehend entfällt“, ergänzt Lenze.

Auch für Steinhoff sind die Herausforderungen vielfältiger Natur: Prozessprognose, Regelung, Visualisierung, Sensorik, Qualitätssicherung beispielsweise. „Nicht umsonst gruppieren sich aktuell Forschungsnetzwerke und hoch spezialisierte Forschungsstandorte, um diesen Herausforderungen entsprechende Antworten entgegenzusetzen. Allein im Umfeld der Universität Kassel sind es neben dem Lehrstuhl das Metakus, der von der Deutschen Forschungsgemeinschaft finanzierte Sonderforschungsbereich Transregio 30 oder das Swedish-German Centre of Excellence for Hot Sheet Metal Forming of High-Performance Steel CHS2, die sich mit der Thematik beschäftigen. Die vom 22. bis zum 24. Oktober in Kassel stattfindende 1st International Conference on Hot Sheet Metal Forming of High-Performance Steel CHS2 übertrifft mit aktuell fast 90 bereits registrierten Teilnehmern alle Erwartungen.“

Energetische Betrachtung des Umform-Prozesses

Neben der Prozessbeherrschung ist auch die Energiebilanz eine Herausforderung. Die Warmumform-Spezialisten sind sich einig. „Die energetische Betrachtung thermo-mechanisch gekoppelter Fertigungsprozesse ist ein wirklich vernachlässigter Bereich. Das vordergründige Argument, dass die prozesstechnische Notwendigkeit von Wärme im Vergleich zu konventionellen Kaltumformverfahren immer zu einer ungünstigeren Energiebilanz führt, ist schlicht und einfach falsch. Im Gegenteil, bei einer sorgfältigen Auswahl der Prozessparameter erweisen sich solche Prozesse im Hinblick auf den notwendigen Energieeinsatz im Vergleich zu eben solchen Kaltprozessen oder im Vergleich zu sequenziellen thermischen und mechanischen Prozessfolgen als wesentlich effizienter“, ist sich Kurt Steinhoff sicher.

Auch Stahl-Kenner Lenze betrachtet den Prozess komplexer: „Zur energetischen Betrachtung von Umformprozessen muss immer die gesamte Prozesskette herangezogen werden. Aufgrund der vergleichsweise geringen Umformkräfte und der nicht notwendigen Kalibrieroperationen bei der Warmumformung kommt es hier gegenüber der Kaltumformung zu einer Energieeinsparung. Der bei der Warm-umformung notwendige Aufheizprozess muss dazu in Relation gesetzt werden. Durch neue Aufheiz-Prozesse mit sehr hohen Wirkungsgraden lässt sich die Energiebilanz bei der Warmumformung zukünftig noch deutlich verbessern.“

Warmumformung erfordert neue prozesstechnische Lösungen

Die Anlagenbauer reagieren mit Lösungen für den komplexen Fertigungsprozess. Auch Werkzeugbauer eba greift das Thema Presshärt-Technik auf. Der Hersteller großer Stanz- und Umformwerkzeuge testet derzeit eine neue Warmformpresse mit einer Presskraft von 1200 t. „Ziel ist, mit weniger Materialeinsatz noch mehr Festigkeit zu erreichen“, erklärt Manfred Scholz, Standortleiter der siwe AG, einer 100-prozentigen Tochter von weba.

In Versuchen auf der 1200-t-Presse kann eine seriennahe Produktion simuliert werden. Aufgrund der Erwärmung auf 950 °C wird das Material elastischer, wodurch auch komplexe Bauteile formbar sind. Nach schneller Abkühlung wird dann eine Festigkeit von rund 1500 N/mm2 erreicht. „Wir produzieren nun die Menge viel gezielter, die mit dem jeweiligen Werkstoff gewünscht ist“, so Scholz. In Olomouc in Tschechien, dem auf Warm-umformung spezialisierten Standort, steht die weba-Versuchspresse. Dort wird der Produktionsprozess mit Wärmebildkameras analysiert. Durch die angewandte Infrarot-Thermografie wird die Gleichmäßigkeit der Temperaturverteilung registriert oder es werden Abweichungen aufgezeigt – eine wichtige Aussage mit Blick auf die Energieeffizienz.