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Allerdings besteht laut Kräusel das Risiko, dass angetriebene Werkzeuge in der Presse zur Verkippung im Werkzeug führen können, außerdem wird die Steifigkeit des Werkzeugs aufgelöst und schließlich verursachen die Sensoren beziehungsweise Aktoren höhere Kosten.

Basiswerkzeug integriert weitere Umformwerkzeuge für verschiedene Verfahren

Das Werkzeugkonzept am IWP weist laut Kräusel ein flexibles Werkzeugdesign auf. Es besteht aus einem Basiswerkzeug und sowie Einzelwerkzeuge für Schneiden, Tiefziehen oder Abkanten. Die Werkzeugführung sei etwas reduziert, außerdem verzichteten die Forscher auf periphere Elemente für eine hohe Anpassbarkeit an den Produktionsprozess. Ein dezentrales Antriebskonzept mit servoelektrischen Antrieben ermögliche verschiedene Bewegungsprofile und eine multifunktionale Anpassungsfähigkeit an Belastungsrichtung und -typ. Für die Steuerungsalgorithmen sei ein lineares Messsystem integriert. Das Messen der Umformkräfte diene dazu, eine Werkzeugverkippung zu vermeiden.

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Ein anderer Ansatz von Kräusel für mehr Flexibilität im Umformprozess besteht in der inkrementellen Blechumformung mit lokalem Erwärmen. In Versuchen stattete die Forscherin dazu eine konventionelle Fräsmaschine mit einem Wolframcarbid-Drückdorn aus, dessen Durchmesser bei 8 bis 12 mm lag. Ziel war es, Temperaturen über 650 °C zu erreichen, um hochfeste Blechwerkstoffe umzuformen. Zudem sollten Möglichkeiten gefunden werden, um dem Absinken der Härte vorzubeugen.

Lokale Erwärmung erweitert die Möglichkeiten beim Umformen

Im Ergebnis zeigte sich, dass beispielsweise konische Bauteile warm gut ausgeformt werden konnten, es bei der Kaltumformung jedoch zum Bauteilversagen kam. „Die Temperatur im Blech wird durch Induktionsleistung und Vorschub stark beeinflusst. Zu Beginn ist eine hohe Temperatur bei niedrigerem Vorschub nötig, zum Prozessende hin wird Temperatur deutlich reduziert bei sehr hohem Vorschub“, sagte Kräusel.

Im nächsten Schritt galt es, die Strategie der lokalen Erwärmung für die Profilherstellung zu nutzen. „Um von Blechbauteilen auf Profile zu schließen, muss man überlegen, wie man hochfeste Blechwerkstoffe einsetzen kann, um Profile mit entsprechenden Eigenschaften herzustellen“, erläuterte die Chemnitzer Forscherin.

Gelöst wurde die Aufgabe durch Rollprofilieren mit flexibler Wärmebehandlung. „Eine lokale Erwärmung, längs und quer, ergibt maßgeschneiderte Bauteileigenschaften, zudem wurden Effekte der Rückfederung reduziert. In den Radienbereichen gab es jedoch unterschiedliche Spannungsverhältnisse“, berichtete Kräusel. Mit zunehmender Temperatur sinke zudem die Fließspannung, das sei beim Walzprofilieren zu berücksichtigen.

Inkrementelle Blechumformung für kleinere Stückzahlen geeignet

Einen weiteren Ansatz zum Bewältigen der steigenden Bauteilvielfalt präsentiere Dieter Weise, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Fraunhofer-IWU. „Die inkrementelle Blechumformung ist für kleine Stückzahlen gut geeignet“, sagte er. Ein Vorteil im Vergleich zum Tiefziehen sei, dass die inkrementelle Blechumformung deutlich schneller sei, keine hohen Werkzeugkosten verursache und kein Tryout notwendig sei. Allerdings seien die Prozesszeiten vergleichsweise lang. Mit einem Drückdorn aus konventionellem Werkzeugstahl, teilweise beschichtet, ließen sich beliebige Geometrien formen; die Vorschubgeschwindigkeit sei abhängig vom Werkstoff des Bauteils.

Anwendungen für die inkrementelle Umformung sieht Weise bei Leichtbauwerkstoffen, insbesondere in Kombination mit einer Erwärmung bis auf 250 °C, dazu bei großen Bauteilen, zum Beispiel für die Bahnindustrie oder für Windkraftanlagen.

Wärmebehandlung erleichtert auch das Scherschneiden von Aluminium

Was mit der Kombination von Wärmebehandlung und Scherschneiden zum Herstellen neuartiger Aluminiumbauteile erreichbar ist, zeigte Prof. Marion Merklein, Lehstuhlinhaberin an der Friedrich-Alexander-Universität in Erlangen. „Aluminium hat nur ein Drittel der Dichte von Stahlwerkstoffen und ist damit hochinteressant für Leichtbau. In der Umformbarkeit ist es aber den Stahlwerkstoffen etwas unterlegen, es sind circa 20 % beim Grenzziehverhältnis“, sagte sie. Doch je nach Legierungszusammensetzung ließen sich bei Aluminium die Festigkeitswerte um fast den Faktor zwei variieren.

Um die Umformbarkeit zu verbessern, schlug sie eine lokale Wärmebehandlung (tailor heat-treated blank) vor. Dabei wird die Platine lokal für 2 bis 3 s auf 200 bis 400 °C erwärmt, dadurch wird Werkstoff entfestigt. „Wenn man die Entfestigung im richtigen Bereich eines Bauteils vornimmt, kann man die Umformbarkeit deutlich verbessern“, berichtete Merklein.

In Versuchen konnte Merklein nach eigenen Angaben eine Verbesserung der Umformbarkeit sowohl für 6XXX- als auch für 7XXX-Aluminiumlegierungen beobachten; die Ergebnisse, eine Steigerung des Lochaufweitverhältnisses um den Faktor 3 durch Erwärmung, könnten nahezu 1:1 übertragen werden. 7XXX-Legierungen erforderten allerdings höhere Temperaturen für Entfestigung des Werkstoffes.

Auch Bruchverhalten des Werkstoffs werde verändert, wie die Forscher durch Analysen der Bruchflächen feststellten: 6XXX-Legierungen zeigten ein eher duktiles Verhalten und eher langgezogene Rissstrukturen, 7XXX-Legierungen eher sprödes Werkstoffverhalten mit kraterförmiger Struktur. „Wir wollen jetzt diese Erkenntnisse auf Realbauteile übertragen und die schlechtere Umformbarkeit von Aluminiumwerkstoffen im Vergleich zu Stahl durch tailor heat-treated blank teilweise wettmachen“, kündigte die Lehstuhlinhaberin an.

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