Institut für Umformtechnik Einfaches Umformwerkzeug mit großer Wirkung

Das Institut für Umformtechnik (IFU) der Universität Stuttgart hat ein neues Werkzeug für das Streckziehen flacher Bauteile aus Blech entwickelt. Damit sollen die Umformoperationen wie Vorrecken und Tiefziehen solcher Bauteile in einem Hub und ohne eine separate Blechhalter-/Ziehkissenfunktion möglich sein.

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IFU Institut für Umformtechnik Universität Stuttgart

Zu den Hintergründen und Besonderheiten dieses neuartigen Werkzeuges befragten wir Prof. Dr.-Ing. Mathias Liewald MBA, Leiter des Instituts für Umformtechnik der Universität Stuttgart.

Blechnet: An Ihrem Institut wurde ein neues Multifunktions-Werkzeug für die Blechumformung entwickelt; auf die Funktionen bezogen klingt das so ähnlich wie die eierlegende Wollmilchsau. Was ist das für ein Werkzeug?

Liewald: Es handelt sich hierbei um ein Werkzeug zum kombinierten ebenen Recken und Tiefziehen von flachen Formteilen aus Blech. Wir verfolgen diese Verfahrenskombination schon seit einigen Jahren mit dem Ziel, eine möglichst hohe Verfestigung in sehr flachen Ziehteilen zu erreichen. Hierbei haben wir insbesondere Außenhautbeplankungen, beispielsweise für die Luft- und Raumfahrtindustrie oder aber auch Karosseriebauteile für die Fahrzeugindustrie im Auge.

Für dieses Verfahrenskonzept orientieren wir uns derzeit an Realgeometrien für aktuelle Dach-, Türen- und Klappenbeplankungen, die am Fahrzeug mechanischen Beanspruchungen, beispielsweise Hagel- und Steinschlag, ausgesetzt sind. Durch ein gezieltes Recken können wir den Werkstoff schon vor dem Tiefziehvorgang verfestigen und damit die Beulfestigkeit des Bauteils steigern.

Blechnet: Was kann man mit diesem Werkzeug denn alles machen? Nennen Sie bitte ein paar Eckdaten!

Liewald: Das Werkzeug kombiniert das Recken und Tiefziehen in einem Pressenhub. Beim Schließen des Werkzeugs setzt zunächst die Reckfunktion ein. Das Blech wird biaxial gereckt und damit vorverfestigt. Anschließend folgt im gleichen Hub der Tiefziehvorgang der finalen Bauteilform.

Mit dem aktuellen Werkzeug können wir heute eine skalierte Türaußenhautbeplankung mit zeitgemäßen Designelementen aus DC04 und einer Ausgangsblechdicke von 0,75 mm mit einem Umformgrad in der Bauteilmitte von mindestens 8% prozesssicher herstellen.

Blechnet: Was ist das Besondere an diesem Werkzeug?

Liewald: Das Besondere an diesem Werkzeugkonzept ist das Funktionsprinzip. Dieses erlaubt uns das Recken und Tiefziehen in zwei zeitlich nacheinander abfolgenden Belastungszuständen der Platine während des Niedergangs des Pressenstößels beziehungsweise Werkzeugoberteiles. Die Vorreckung kann dabei beliebig auf einen Reckgrad zwischen 1 und 8%, in Einzelfällen auch höher, eingestellt werden.

Bemerkenswert ist, dass das Werkzeug ausschließlich aus zwei starren Hälften mit einem denkbar einfachen konstruktiven Aufbau besteht und keine beweglichen Bauteile, wie beispielsweise Federböden oder gar einen beweglichen Blechhalter, besitzt. Das Werkzeug kann in einer einfachwirkenden Ziehpresse betrieben werden. Aktuell benötigen wir für die oben bereits genannte Türaußenhautbeplankung eine Presskraft von cirka 1800 kN.

Blechnet: Können Sie uns den Aufbau dieses Werkzeuges beschreiben?

Liewald: Das Werkzeug besteht aus lamellenartigen Formelementen, die um die Matrizen- beziehungsweise Stempelgeometrie angeordnet sind. Hierbei können wir auf einen Blechhalter vollständig verzichten, wie bereits erwähnt. Die Zug- und Rückhaltekräfte für das Recken und Tiefziehen werden von den randseitig angeordneten Formelementen geleistet. Aufwändiges Einarbeiten des Werkzeuges wie das Tuschieren der Blechhalteroberfläche entfällt.

Blechnet: Das Werkzeug soll also ziemlich einfach gestaltet sein; wodurch unterscheidet es sich dann von bisherigen Werkzeugen?

Liewald: Zum Streckziehen werden heute Spezialpressen mit meist einteiligen konvexen Werkzeugstempeln verwendet. Bei unserem Konzept benötigen wir keine speziellen Maschinen, das Werkzeugkonzept kann in einer einfachwirkenden hydraulischen Ziehpresse in einer entsprechenden Größe betrieben werden. Das Werkzeug besteht aus zwei starren Formhälften ohne bewegliche Formelemente. Ein beispielsweise hydraulischer Antrieb oder eine Steuerung ist nicht erforderlich.

Außerdem sind wir recht optimistisch, demnächst ein modulares Aufbaukonzept des Werkzeuges, das heißt ein dem Ziehumriss in Grenzen anpassbares Low-Cost-Werkzeugkonzept mit Kunststoffeinsätzen für die Formelemente vorstellen zu können.

Blechnet: Sie sprechen davon, dass die Herstellkosten sehr niedrig sind. Bedeutet das, dass sich auch kleine Umformbetriebe solche Werkzeuge leisten können?

Liewald: Genau dies bildete während der letzten zwei Jahre das primäre Entwicklungsziel! Zum einen gehören kleine und mittelständische Betriebe zu unserer Zielgruppe, zum anderen wollen wir dem Markt eine Lösung für kleine Stückzahlen mit einfacher Produktionsinfrastruktur anbieten.

Durch die niedrigen Werkzeugkosten soll diese Technologie auch für kleine Betriebe leicht zugänglich sein. Derzeit ist eine Weiterführung dieser Arbeiten für einfache Trennprozesse in Planung, die für das Beschneiden von Ziehteilen einsetzbar sein soll.

Blechnet: Aus welchen Anforderungen heraus haben Sie und Ihr Institut dieses Werkzeug entwickelt?

Liewald: Wir haben uns vor zwei Jahren vorgenommen, ein Werkzeugkonzept zu entwickeln, das die typischen Nachteile des Ausziehens von Blechformteilen (Beulsteifigkeit, Beulfestigkeit, Eigenschaften bezüglich Schallabstrahlung und so weiter) heutiger Karosserie- beziehungsweise Formwerkzeuge überwindet. Insbesondere wollten wir die Streckziehtechnik in einem möglichst einfachen Werkzeugkonzept umsetzen, unter anderem mit dem Ziel, die Prozesszeiten des kombinierten Reckens und Tiefziehens auf serientaugliche Prozesszeiten zu reduzieren. Wir haben daher für dieses Verfahren den Markennamen „SCS“ für „short cycle stretching“ beim deutschen Patent- und Markenamt eintragen lassen.

Blechnet: Ist das an Ihrem Institut entwickelte Werkzeug bereits industrietauglich und könnten Sie vielleicht auch einen Einsatzfall nennen?

Liewald: Wir haben mit unserem letzten seriennahen Prototypwerkzeug deutlich gezeigt, welches Potential in diesem neuen Verfahren steckt. Dennoch besteht hier nach meiner Meinung noch ein weitreichender Forschungs- und Entwicklungsbedarf. Wir möchten uns in Zukunft zusätzlich auch an die größeren Bauteilen aus Leichtmetalllegierungen für Flugzeug- und Tragflügelbeplankungen versuchen.

Hauptsächlich möchten wir uns aber in den nächsten Monaten der Tribologie und Verschleißfestigkeit widmen und die Methodik der numerisch gestützten Rückfederungskompensation an das SCS-Verfahren anpassen. Insgesamt rechnen wir damit, dass die SCS-Technologie innerhalb der nächsten zwei Jahre auf einem Entwicklungsstand sein wird, der einen Serieneinsatz ermöglicht.

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