Ressourcensparend Neue Lösungen für die Blechbearbeitung

Eine energie- und ressourceneffiziente Produktion ist unter anderem das Ziel des Fraunhofer-Instituts für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik (IWU). In mehreren Forschungsprojekten wurden und werden dort Lösungen für die aktuellen Herausforderungen in der Blechbearbeitung entwickelt.

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HBS Bolzenschweiss-Systeme GmbH & Co. KG

ebu Umformtechnik GmbH

Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU

Die Blechbearbeitung und Umformtechnik ist derzeit von Themen wie Energieeffizienz und ressourcensparende Fertigung geprägt. Dünner, leichter, schneller und trotzdem sicherer lautet die Devise. In diese Richtung stößt auch das Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik (IWU) vor. Dort gibt es aktuell mehrere Projekte, um den Anforderungen einer ressourcenschonenden Blechbearbeitung gerecht zu werden.

Dazu zählen vor allem ein neues optisches Prüfsystem, das die In-Line-Qualitätskontrolle von Umformteilen ermöglicht. Anhand einer Rücksitzbank aus einer Magnesiumknetlegierung werden die Potenziale des Werkstoffs in der Fertigung von Serienbauteilen aufgezeigt. Wie mittels Dickblechclinchen Material und Energie in der Fügetechnik eingespart werden können, zeigt das IWU anhand von Blechverbindungen bis zu 18 mm Dicke.

Die Qualitätsprüfung hat in der Blechbearbeitung einen hohen Stellenwert, denn durch kontinuierliche Prozessüberwachung von Umformteilen können frühzeitig Fehler erkannt und korrigiert werden. Eine typische Qualitätskontrolle auf Oberflächenfehler wie Risse und Einschnürungen erfolgt bisher manuell am Auslaufband beziehungsweise stichprobenartig. Hierbei ist die Gefahr groß, dass Fehlerteile übersehen werden und in den Montageprozess gelangen.

Inline-Überwachung ermittelt Oberflächenfehler exakt

Am IWU wurde in Zusammenarbeit mit einer Partnerfirma ein System entwickelt, das eine 100-%-ige In-Line-Überwachung auf Oberflächenfehler ermöglicht (Bild 2). Fehlerteile werden somit sicher erfasst und ausgesondert. Das System arbeitet mit hochauflösenden Kameras, die das Bauteil durch entsprechende Algorithmen auf vorgegebene Oberflächenfehler beziehungsweise auf eventuelle Geometrieabweichungen untersuchen. Die neue Technik kann hierbei sowohl inline als auch als eigenständiger Prüfplatz eingesetzt werden. Der Nutzer definiert eigene Qualitätsgrenzen und legt fest, wann ein Bauteil aussortiert werden soll. Entsprechend der Kundenanforderung können akustische oder optische Signale eingesetzt oder eine vollautomatische Aussortierung angesteuert werden. Die leistungsfähige Soft- und Hardware ist auf eine Geschwindigkeit unter Presswerksbedingungen ausgelegt. Die Bildübertragung und Auswertung erfolgt für ein 16-Kamera-System in weniger als 0,02 Sekunden. Damit lässt sich die durchgehende Prozessüberwachung auf nahezu jede beliebige Serienproduktion übertragen.

Das Clinchen ist ein mechanisches Fügeverfahren, bei dem die Fügepartner umformtechnisch form- und kraftschlüssig verbunden werden. Im Vergleich zu thermischen Fügeverfahren, muss dabei nicht erwärmt werden und gegenüber anderen mechanischen Fügeverfahren, wie Nieten oder Schrauben, sind keine Vorarbeiten oder Zusatzwerkstoffe erforderlich. Zudem ist die Verbindung verschiedenartiger Werkstoffe möglich. Anwendung findet das Verfahren bisher insbesondere beim Fügen von Feinblechen. Die Wissenschaftler am Fraunhofer-IWU arbeiten an einer Übertragung der Clinchtechnologie auf das Fügen dicker Bleche. So ist es den Forschern inzwischen gelungen, die benötigten Werkzeuge und Prozessparameter mittels FEM-Berechnung so zu gestalten, dass Gesamtblechdicken bis zu 18 mm durch Clinchen gefügt werden können (Bild 1). Das Energie-, Material- und Kosteneinsparpotenzial dieser Verbindungstechnik kann damit auf bisher weitgehend unerschlossene Gebiete, beispielsweise im Schienen-, Schiffs- und Nutzfahrzeugbau oder auch im Stahlbau, übertragen werden.

Forschen am Serieneinsatz von Magnesium

Im Bereich der Werkstoffe bietet Magnesium interessante Leichtbaupotenziale die mit neuen Techniken erschlossen werden können. Magnesium-Knetlegierungen weisen aufgrund ihrer geringen Dichte zweifellos ein erhebliches Leichtbaupotenzial auf. Die erreichbaren Gewichtseinsparungen im Vergleich mit konventionellen Werkstoffen, vorwiegend stahl-, aber auch aluminiumbasierten Lösungen, machen Magnesium insbesondere für Anwendungen im Automobilbau interessant. Um das Potenzial des Materials in serienreife Produkte überführen zu können, muss das Prozesswissen zur Bearbeitung mit den etablierten Verfahren der Massiv- und Blechumformung noch erweitert und an die spezifischen Eigenschaften dieses Werkstoffes angepasst werden.

An dieser Zielstellung arbeitet das IWU innerhalb des Verbundprojekts „Te-Ma-K-plus“ gemeinsam mit Partnern. So wurde extra für eine Messe ein Demonstrator konstruiert und gefertigt, der den aktuellen Stand der Technologieentwicklung abbildet. Anhand einer Rücksitzlehne (Bild 3) wird aufgezeigt, wie im Vergleich zu einer Referenzbaugruppe etwa 40 % des Gewichts eingespart werden können. Basierend auf der detaillierten Abbildung der Werkstoffeigenschaften und der temperierten Prozessführung können die Verfahren ausgelegt und damit das Umformvermögen des Materials optimal genutzt werden. Anhand des Demonstrators stellt das IWU weitere aktuelle Forschungsergebnisse der Technologien Walzprofilieren, Innenhochdruck-Umformen, Strangpressen sowie mechanische und thermische Fügeverfahren, vor.

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