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Grundlagenwissen Definition und Anwendung von Tiefziehen

| Redakteur: Stéphane Itasse

Tiefziehen ist ein wichtiges Verfahren im Bereich der Blechumformung und hat sich in diesem Segment als stärkstes Verfahren etabliert. Das Verfahren wir unter anderem im Bereich der Automobilindustrie besonders häufig eingesetzt, ist aber auch in vielen anderen Fertigungsbereichen vertreten.

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Solche großen Pressenstraßen werden oft zum Tiefziehen verwendet.
Solche großen Pressenstraßen werden oft zum Tiefziehen verwendet.
(Bild: Schuler)

Das Tiefziehen ist ein Verfahren der Zugdruckumformung. Ein ebener Blechzuschnitt wird bei diesem Verfahren zu einem einseitig geöffneten Hohlkörper umgeformt. Alternativ kann ein bereits vorgezogener hohler Körper zu einem Hohlkörper mit einem signifikant geringeren Querschnitt umgewandelt werden. Insgesamt gibt es drei verschiedene Verfahren beim Tiefziehen:

  • die Variante mittels Werkzeugen,
  • die Variante mittels Wirkmedien und
  • die Variante mittels Wirkenergie.

Jedes Verfahren hat unterschiedliche Vor- und Nachteile und wird für verschiedene Bauteile eingesetzt. So entstehen die passenden Produkte in der gewünschten Fertigungsqualität. Somit kann das Tiefziehen flexibel und vielfältig eingesetzt werden und überzeugt in unterschiedlichen Branchen. In der Automobilindustrie wird beispielsweise die Variante mittels feststehender und stabiler Werkzeuge gewählt, welche für die gewünschten Ergebnisse sorgen.

Tiefziehen in Relation zu anderen Verfahren der Blechumformung

Das Tiefziehen ist eine Variante der Blechumformung. Bei der Blechumformung geht es im Grundsatz immer darum, einen flachen Blechzuschnitt mittels verschiedener Verfahren in die gewünschte Form zu bringen. Hierbei wird eine plastische Verformung bewirkt, allerdings kann es je nach Material und Verfahren zu einer Rückfederung kommen, wenn die elastische Verformung die Spannungen im Blech nicht ausgleichen kann. Die verschiedenen Verfahren der Blechumformung werden nach DIN 8582 hinsichtlich der im Blech auftretenden Spannungen unterteilt in:

  • das Druckumformen unter anderem mittels Walzen, Freiformen und Gesenkformen,
  • das Zugdruckumformen mittels Tiefziehen und Drücken,
  • das Zugumformen mittels Tiefen, Längen und Weiten,
  • das Biegeumformen mittels Gesenkbiegen, freiem Biegen und Abkanten sowie
  • das Schubumformen mittels Verdrehen oder Verschieben.

Dank dieser großen Varianz kann die Blechumformung in unterschiedlichen Bereichen eingesetzt werden. Dennoch hat das Tiefziehen im Bereich der Blechumformung eine besondere Rolle eingenommen und ist in vielen Bereichen absolut führend auf dem Markt.

Der Ablauf beim Tiefziehen

Da das Tiefziehen mittels Werkzeugen die häufigste Anwendung darstellt, werden wir diese Verfahrensform genauer betrachten und in ihrem Ablauf exakt definieren. Hierzu ist wichtig die verschiedenen Fachbegriffe zu kennen. Der Blechzuschnitt, welcher bei diesem Verfahren verformt werden soll, wird als Ronde bezeichnet. Die am Ende hergestellten Hohlkörper werden als Ziehstücke bezeichnet. Zu den grundlegenden Hilfsmitteln zählen zudem die Ziehmatrize und der Niederhalter, welcher die Stabilisierung der Ronden übernimmt.

Die Ronde wird beim Tiefziehen exakt in der Mitte der Ziehmatrize platziert und vom dort eingesetzten Niederhalter mit einem solchen Druck befestigt, dass eine Faltenbildung an der Ronde vermieden wird. Der Ziehstempel zieht nun die Ronde durch die entsprechende Öffnung der Zielmatrize, wobei der äußere Durchmesser der Ronde aufgrund der Bewegung kleiner wird. Dies wird bis zu dem Punkt weitergeführt, bis der gewünschte Hohlkörper entstanden ist. Je nach Einsatzbereich können weitere Werkzeuge und Hilfsmittel zum Einsatz kommen. So werden unter anderem Ziehsicken, Platinenformen und eine gezielte Schmierstoffzufuhr eingesetzt, um verschiedene Varianten zu ermöglichen. So lässt sich beispielsweise die Reibungszahl zwischen Ronde und Zielstempel verändern, was die Kräfte im Grenzbereich der Materialien kompensieren kann.

Maschinen, Werkzeuge und Hilfsmittel beim Tiefziehen

Das Tiefziehen mittels starrer Werkzeuge gehört zu den wichtigsten Verfahren in diesem Bereich. Dabei werden ganz klassisch starre Werkzeuge aus dem Werkzeugbau verwendet. Hierbei werden beim Tiefziehen in der Regel Pressen als Maschinen eingesetzt. Die für das Verfahren notwendige Presskraft wird in den eigentlichen Umformbereich zwischen Ziehring und Niederhalter geleitet und wirkt dort auf die Ronden ein.

Beim Tiefziehen mittels Wirkmedien handelt es sich um ein hydromechanisches Verfahren. Die Matrize wird bei diesem Verfahren durch ein druckreguliertes Wasserkissen. Der Stempel des oberen Werkzeugteils presst die Blechplatine in dieses Wasserkissen und zieht die Platine beim Eintauchen mit sich. So kann die optimierte Geometrie auf das Ziehteil übertragen werden. Durch die Veränderung der Zieh-Geometrie können deutlich höhere Ziehverhältnisse als beim klassischen Verfahren erreicht werden. Allerdings sinkt die Höhe der Presskräfte aufgrund des flexiblen Mediums. Das schränkt bei diesem Verfahren die Möglichkeiten der Werkstoffe

ein.

Das Tiefziehen mittels Wirkenergie wird nur auf eine einzige Art realisiert. Hierbei wird mittels der Magnetumformung eine magnetische Kraft direkt im Blech erzeugt. Aus diesem Grund sind in diesem Verfahren ausschließlich elektrisch gut leitfähige Bleche möglich. Alternativ kann allerdings das Werkstück auch mit einem solchen Material umhüllt werden, um diese Effekte zu erzielen.

Diese Produkte werden per Tiefziehen hergestellt

Das Tiefziehen wird sehr häufig in der Automobilindustrie eingesetzt. Denn die meisten Karosserieteile für Kraftfahrzeuge können durch eine Kombination aus Tiefziehen und Streckziehen erstellt werden. Die so entstehenden Hohlkörper bestechen sowohl durch ihre hohe Festigkeit aus auch durch ihre Stabilität und Flexibilität. Zudem lassen sich viele verschiedene Produkte sowohl in der Serienfertigung als auch in der Kleinserienfertigung mittels dieses Verfahrens herstellen. Wichtig ist, dass sich beim Tiefziehen nur Hohlkörper herstellen lassen. Da jedoch die Verfahren auch mehrfach angewandt werden können, stellen auch komplexe Formen beim Tiefziehen nur bedingt ein Problem dar.

Unterschiedliche Werkstoffe und ihre Funktionalität beim Tiefziehen

Oftmals wird unter anderem auch das Thermoformen von Kunststoffen unter dem Begriff Tiefziehen genannt. Dies ist allerdings nicht korrekt, da bei diesem Verfahren sich die Dicke des Materials ändert. Beim klassischen Tiefziehen hingegen fließt immer Material nach, sodass eine Wanddickenänderung nicht vorgesehen ist. Wichtig ist, dass beim Tiefziehen die passenden Werkstoffe verwendet werden. Denn nicht jedes Metall eignet sich für dieses Verfahren. Der Grund: Die Fließeigenschaften des Metalls spielen für dieses Verfahren eine besonders wichtige Rolle. Deshalb werden unter anderem vor allem Materialien wie Stahl oder Aluminium bei diesem Verfahren eingesetzt. Diese Werkstoffe sind hervorragend verformbar und verfügen vor allem über die passenden chemischen Eigenschaften.

Doch auch andere Bleche und Materialien können in verschiedenen Spezialbranchen beim Tiefziehen eingesetzt werden. Die verschiedenen Spezialfälle können in diesem Rahmen allerdings nicht sinnvoll aufgeführt werden. Stahl und Aluminium sind und bleiben die Hauptwerkstoffe in den meisten Einsatzgebieten und in den meisten Unternehmen. Stahl überzeugt beispielsweise durch seine hohe Festigkeit und durch sein hohes Formänderungsvermögen. Zudem sind nur geringe Umformkräfte notwendig, um die gewünschten Hohlkörper herzustellen. Ähnlich verhält es sich beim Aluminium. Dieses wird für das Tiefziehen oftmals in bestimmten Legierungen hergestellt, welche spezifische Umformeigenschaften aufweisen.

Die Effekte beim Tiefziehen

Beim Verfahren des Tiefziehens treten verschiedene Effekte bei den Werkstücken auf. Beim Tiefziehen kommt es zu Versetzungsbewegungen im Material, wodurch sich die Festigkeit des gesamten Materials verändern kann. Die richtungsabhängigen Werkstoffeigenschaften bestimmen unter anderem die Tiefziehqualität und auch das Verhalten der einzelnen Bauteile. Ebenfalls zu den erwünschten Effekten zählt der Aufbau von latenten Spannungen, ebenfalls durch die Versetzungsbewegungen. Da sich beim klassischen Tiefziehen die Wanddicke des Materials nicht verändert, kommt das Tiefziehen sehr häufig in Kombination mit anderen Umformverfahren zum Einsatz.

Möglichkeiten und Grenzen des Tiefziehens: Berechnung, Tiefziehkraft, Niederhalterkraft und Ziehverhältnis

Beim Tiefziehen kommen viele verschiedene Faktoren zur Geltung, welche miteinander optimal in Relation gesetzt werden müssen. Darunter fallen folgende Faktoren:

  • Tiefziehkraft,
  • Niederhaltekraft und
  • Ziehverhältnis.

Wichtig ist, dass die einzelnen Elemente optimal errechnet und miteinander in Bezug gesetzt werden. Betrachten wir diese drei Faktoren einmal genauer.

Die Tiefziehkraft wird über eine Formel ermittelt. Dabei spielt der sogenannte Korrekturwert K eine wichtige Rolle, da dieser das Verhältnis von Zugfestigkeit und Ziehspannung definiert. Die Formel für die Tiefziehkraft lautet:

Fz = K × π × d1 × s × Rm

Die Tiefziehkraft wird durch die Abkürzung Fz dargestellt. Der Faktor K ist der oben genannte Korrekturwert. π ist die bekannte Kreiszahl und die Faktoren d und s sind für die relative Werkstoffdicke notwendig. Der Wert Rm hingegen definiert die Zugfestigkeit des Materials.

Die Niederhaltekraft hingegen bestimmt die Festigkeit, mit welcher die Ronde beim Tiefziehen mittels des Niederhalters auf den Flansch aufgedrückt wird. Dies ist notwendig, um die Faltenbildung zu vermeiden. Die Niederhaltekraft stellt das Produkt aus dem Niederhaltedruck und der Niederhaltedruckfläche dar. Der notwendige Niederhaltedruck wird unter anderem durch die Dicke des Materials und durch das Material selber bestimmt.

Potenzielle Fehler beim Tiefziehen

Obwohl das Tiefziehen zu den bekanntesten und besten Formen der Blechumformung auf dem Markt gehört, kommt es dennoch immer wieder zu Fehlern und Problemen. Zum einen kommt es zu einer Überlastung der Pressen, auf der anderen Seite gibt es auch Probleme bei den Werkstücken. Ein Hohlkörper kann durch das Verfahren nachhaltig beschädigt werden.

Das Ziehverhältnis definiert sich aus der Kombination aus Niederhaltekraft und Ziehkraft. Denn auch diese beiden Kräfte müssen beim Tiefziehen optimal miteinander in Relation gesetzt werden, um die gewünschten Hohlkörper zu entwickeln.

Wie zu sehen ist, sind oftmals komplexe Berechnungen notwendig, um für das Tiefziehen die passenden Kräfte zu ermitteln und die perfekten Endergebnisse zu erhalten. Dabei spielt eine korrekte Vorberechnung eine ganz wichtige Rolle, wenn beispielsweise neue Werkstoffe eingesetzt werden. Eine umfassende Kenntnis um die Werkstoffe und deren Eigenschaften ist von ganz besonderer Bedeutung.

Schäden an den Werkzeugen durch Überlastung

Wird beim Tiefziehen keine Sicherung der Maschinen und Pressen eingesetzt, kann es zu einer Überlastung der einzelnen Maschinen kommen. Diese Überlastungen zeigen sich oftmals nicht in den ersten Produkten, sondern vermindern die Produktionsqualität schleichend. Im Laufe der Zeit verschlechtert sich die Leistung der Presse allerdings nachhaltig, sodass es zu teuren Reparaturen oder Austauschaktionen kommen muss.

Aus diesem Grund werden in den meisten Unternehmen beim Tiefziehen die Prozesse so weit optimiert und überwacht, dass die Produktion bei den ersten Unregelmäßigkeiten unterbrochen werden kann. In diesem Fall können häufig teure Fehler frühzeitig identifiziert werden. Je besser die verschiedenen Faktoren beim Tiefziehen im Vorfeld berechnet werden und je genauer und exakter die Überwachung der Maschinen, umso hochwertiger werden die Hohlkörper und umso geringer stehen die Chancen für Schäden an den Maschinen und Werkzeugen.

Schäden an den Werkstücken beim Tiefziehen

Auch die Hohlkörper können beim Tiefziehen nachhaltig beschädigt werden. Der Vorteil bei diesen Schäden liegt vor allem darin, dass hier die teuren Maschinen nicht überlastet und beschädigt werden. Zu den häufigsten Fehlern beim Tiefziehen gehören das Falten des Materials und das Auftreten von Rissen. Durch eine unzureichende Einstellung beim Niederhalter kann es dazu kommen, dass sich die Spannung innerhalb des Materials nicht richtig und gleichmäßig aufbaut. Somit wird das Material nicht sauber nachgeführt. So können sich entweder Falten im Material und somit im Hohlkörper bilden. Auch die Rissbildung kann durch diese Prozesse befördert werden, wenn sich durch ein ungleichmäßiges Nachziehen des Materials die Wandstärke nachhaltig verändert. Insgesamt gibt es somit sehr viele Möglichkeiten, bei denen die Endprodukte beim Tiefziehen beschädigt werden können. Eine umfassende Vorplanung der verschiedenen Aufgaben und Materialien ist somit für den dauerhaften Erfolg des Verfahrens besonders wichtig.

Ein wichtiges Problem in diesem Zusammenhang ist allerdings eine Schädigung der Bauteile ohne sichtbare Spuren. Aus diesem Grund ist es besonders wichtig über eine hohe Qualitätskontrolle zu verfügen. Denn ohne eine solche Prüfung der einzelnen Hohlkörper kann es im schlimmsten Fall zu einem Versagen des Bauteils kommen.

Insgesamt ist das Tiefziehen ein wichtiges Verfahren in vielen Produktionsbereichen. Aufgrund der notwendigen Berechnungen muss der Prozess allerdings immer an neue Werkstoffe angepasst und optimiert werden. Je besser die Anpassung an Werkstoff, Matrize und Stempel vorgenommen wird, umso besser und einfacher die eigentliche Produktion.

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