EFB Veränderungsprozesse – aktuelle Trends in der Blechverarbeitung

Autor / Redakteur: Norbert Wellmann / Dietmar Kuhn

Am beständigsten sind Veränderungsprozesse. Dies gilt auch für die gesamte Blechverarbeitung, die stets im Wandel begriffen ist. Die Europäische Forschungsgesellschaft für Blechverarbeitung (EFB) setzt dabei besondere Maßstäbe. Die wichtigsten werden auf der Euroblech 2014 in Hannover präsentiert.

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Die Automobilindustrie ist Deutschlands Schlüsselindustrie Nummer eins, gleichzeitig aber auch der größte Abnehmer von Blechen und Blecherzeugnissen. Die Designstudie von BMW zeigt schon einmal optisch, wo der Weg hingeht. Was so schön aussieht, wird künftig aus einem Mix unterschiedlicher Materialien bestehen. Dafür braucht es neue Werkstoffe und Verarbeitungstechnologien. Die Euroblech 2014 hat diesbezüglich eine Menge zu bieten.
Die Automobilindustrie ist Deutschlands Schlüsselindustrie Nummer eins, gleichzeitig aber auch der größte Abnehmer von Blechen und Blecherzeugnissen. Die Designstudie von BMW zeigt schon einmal optisch, wo der Weg hingeht. Was so schön aussieht, wird künftig aus einem Mix unterschiedlicher Materialien bestehen. Dafür braucht es neue Werkstoffe und Verarbeitungstechnologien. Die Euroblech 2014 hat diesbezüglich eine Menge zu bieten.
(Bild: BMW)

Regelmäßig wird in Vorträgen und Medien von Mega- bis zu Branchentrends berichtet. Regelmäßig werden neue Schlagworte erfunden, um die Worte neuartiger klingen zu lassen. Wenn man genau in das Thema Blechverarbeitung schaut und Berichte über viele Jahrzehnte zurückverfolgt, stellt man fest, dass die Trends sich immer an der notwendigen Funktionalität der Bauteile orientieren, die wirtschaftlich produzierbar sein müssen und leichter werden sollen. Leichter deshalb, weil Gewicht mit Ausnahme von statischen Systemen immer negativ ist.

Schneller, sicherer, leichter als sportliche Anreize für Umformer

Leicht bedeutet Kostenersparnis durch geringeren Materialeinsatz und geringere Produktionskosten, geringere Kräfte zum Handling, beispielsweise bei Montage, im Handwerk oder Haushalt sowie beim Gebrauch von Gütern. Energiekosten spielen bei Dynamik eine Rolle. Hierunter fallen zum Beispiel alle Verkehrsmittel. Höhere Dynamik bedeutet schnellere Bewegungen und Abläufe. Niedriges Gewicht spielt im Transportbereich (Bahn, Lkw, Flugzeug) eine wichtige Rolle, weil damit die Anzahl der Passagiere oder die zulässige Ladung erhöht werden können. Bei Baukonstruktionen, wie etwa bei Türmen von Windkraftanlagen, hat die Masse der Konstruktionswerkstoffe Einfluss auf die maximale Bauhöhe.

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Aber was ist heute dann neu? Im Vergleich zur weiteren Vergangenheit ist sicherlich die Ökologie unserer Wirtschaft verstärkt von Bedeutung. Auf reifen Märkten verlangen Kunden Hochwertigkeit und ansprechendes Design. Die offene Vernetzung der weltweiten Märkte und regionale Besonderheiten stellen besondere Anforderungen. Und natürlich haben sich die Erwartungen an die Funktionalität und die Lebensdauer deutlich erhöht und die Komplexität hat ein nie da gewesenes Niveau erreicht. Ein einzelner Ingenieur oder Konstrukteur ist alleine schwerlich in der Lage, eine Entwicklung fachgerecht und umfassend hinsichtlich aller Anforderungen zu erfüllen.

Die technologischen Haupttrends der Blechverarbeitung können über alle Anwenderbranchen gesehen und mit Sicht auf die beispielhafte Wertschöpfungstiefe in Deutschland mit den folgenden fünf Trends zusammengefasst werden:

  • 1. Verarbeitung neuer, hochfester Werkstoffe,
  • 2. Verarbeitung hybrider Bauteile inklusive Metall und FVK,
  • 3. Automatisierung und Qualität,
  • 4. integrierte Prozessfunktionalität und
  • 5. die virtuelle Fabrik.

Die Blech verarbeitende Industrie als volkswirtschaftlich gewaltiger Faktor

Volkswirtschaftlich kommt den Produktionsprozessen, die Blech und hybride Strukturen verarbeiten, eine sehr hohe Bedeutung zu. Allein in Deutschland sind etwa 850.000 Arbeitskräfte, entsprechend einem Anteil von 120 Mrd. Euro am BIP, mit dem in der EFB behandelten Themenspektrum verbunden. Rund 700 der insgesamt rund 10.000 Unternehmen dieser Branche sind als technologisch und innovativ orientiert zu werten. Etwa 350 Unternehmen und Forschungseinrichtungen sind intensiv in der Vorentwicklung und forschend tätig und an der Projektarbeit der EFB beteiligt.

In über 160 Projekten der EFB werden vor allem neue Werkstoffe und Werkstoffkombinationen – als Materialmix bezeichnet – behandelt. Hier stellen sich bei jeder Neuerung immer wieder die gleichen Fragen der Verarbeitung von den Trenntechnologien über das Umformen bis hin zum Fügen von Bauteilen und Fertigen der Komponenten. Insbesondere die Automobilindustrie ist als technologischer Haupttreiber aktiv, da hier einerseits der Evolutionsdruck am höchsten ist, andererseits auch die Verkaufsvolumina und Kapitalausstattung der Unternehmen die massiven Investitionen ermöglichen. Das Spektrum der neuen untersuchten Werkstoffe reicht bei den Stählen von den traditionellen Güten einschließlich Edelstahl rostfrei bis vor allem zu den hochfesten und warmumformbaren Stählen wie 22MnB5 und aktuell TWIP-Stählen. Hier ergeben sich vollkommen neue Bedingungen und Möglichkeiten für die Verarbeitungsprozesse; insbesondere die technologische und wirtschaftliche Verbindungstechnik stellt eine extreme Herausforderung dar. Hinzu kommen die Anforderungen an weitere Festigkeitserhöhungen sowie an dünnere Bleche. Die Themen Kantenrissempfindlichkeit und Erhöhung der Bruchdehnung sind für die Verarbeiter von höchster Bedeutung. Zur optimalen Werkstoffverteilung werden die Technologien Tailored Blanks (gerollt und geschweißt) sowie die Innenhochdruckumformung und Patchworktechnik weiterentwickelt.

Die Bedeutung von Aluminium und Magnesium nimmt zu

Aktuell und perspektivisch wird die Anwendung der Leichtmetalle Aluminium und Magnesium zunehmen. Insbesondere bei den Aluminiumlegierungen zeigen sich rege Aktivitäten der Hersteller und die Automobilindustrie ist an der Einführung von hochfesten 7000er-Legierungen für Strukturkomponenten interessiert. Dieser aushärtbare Werkstoff lässt sich kalt kaum umformen und erst eine Halbwarmumformung im Bereich von 200 °C führt zu akzeptablen Ergebnissen. Neben den Blechen werden vermehrt Teile aus Aluminiumdruckguss im Automobilbau verwendet werden und hier muss dann wieder die Verbindungstechnik die Aufgabe zur Integration in Strukturteilen mit Blechen und FVK übernehmen, woraus sich viele neue Fragen ableiten. Tailored Blanks und Tubes aus Aluminium werden ebenso wie die Herstellung komplexer Bauteile aus Magnesium, einschließlich Strangpressteilen, außerhalb des Fokus untersucht.

Der Automobilbau sucht auch nach alternativen Werkstoffen

Im Automobilbau wird der Trend zu nicht metallischen, kunststoffbasierten Werkstoffen weiter voranschreiten. Die Hauptrichtung liegt bei CFK und GFK, parallel wird an Lösungen mit Textileinlagen geforscht. Biofasern und papiertechnische Produkte werden ebenfalls untersucht, müssen aber sicherlich noch als Exoten betrachtet werden. Große Fragen neben der wirtschaftlichen Herstellung, Reparatur und Entsorgung bestehen in den Fragestellungen der Fügbarkeit, der Korrosion sowie der Delamination durch Fügeoperationen und Bauteilbeanspruchungen.

Neben den neuen Einzelwerkstoffen werden intensiv alle möglichen Kombinationen untersucht und weiterentwickelt. Tailored Blanks, Patchwork auch mit Innenhochdruckumformung sowie Sandwichbleche sind interessante Wege zu neuen Bauteilen mit niedrigem Gewicht. Neu ist hinsichtlich der Produktionsverfahren, dass gegenüber der traditionellen Verarbeitung von Blechen mit vorgegebenen Eigenschaften vom Coil heute mit den neuen Methoden der Warm-umformung mit vielfältigsten Erwärmungskonzepten, von der Ofenerwärmung bis zu lokalen Lösungen wie Lasereinsatz, Endgüten und insbesondere gradiente Werkstoffeigenschaften gezielt im Herstellprozess eingestellt werden können. Insbesondere für die mechanische Fügbarkeit ist eine örtliche Teilenthärtung dringend erwünscht.

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Bei den Fügeverfahren stehen die mechanischen neben dem Kleben im Vordergrund, da thermische Verfahren oftmals an ihre Verfahrensgrenzen stoßen oder an der Fügestelle die Grundfestigkeit der zu fügenden Bauteile deutlich schwächen. Die Forschungsaktivitäten umfassen eine große Anzahl unterschiedlicher Verfahren und Varianten zum Clinchen, Halbhohlstanznieten, Vollstanznieten, Bolzensetzen, Blindnieten, Schließringbolzen, Blechschrauben sowie Fließformfügen, die je nach Werkstoffarten, Kombinationen und Blechdicken der Fügepartner ihr Anwendungsoptimum finden. Hier werden umfangreiche Forschungsarbeiten unternommen, um von der Machbarkeit, der Belastbarkeit und Dauerfestigkeit der Verbindung über die Entwicklung der Systeme bis zur Qualitätssicherung des Fügeprozesses robuste Aussagen mit sicheren Anwendungsrichtlinien machen zu können. Im Materialmix stellt die Fügetechnik eine Schlüsseltechnologie dar. Immer wichtiger wird die Charakterisierung der Fügeverbindungen in Bauteilen und das Thema Materialdaten und -modelle. Die ganzheitliche Simulation bekommt eine immer weiter steigende Bedeutung. Die ständige Frage der Erweiterung der Einsatzgrenzen stellt sich mit jedem neuen Werkstoff und erfordert Weiterentwicklungen oder ganz neue Verfahren.

Im Bereich der Maschinen- und Werkzeugtechnik besteht neben der hohen Prozessintegration der oben genannten Fälle grundsätzlich ein starker Trend zur parallelen integrierten Durchführung vielfältigster Verarbeitungsoperationen in einem Werkzeug beziehungsweise einer Presse. Es wird angestrebt, ein weitgehend „fertiges“, also komplexes Bauteil fallen zu sehen, welches beispielsweise mechanische, thermische oder chemische Fügeoperationen, Rollierungen, Bombierungen, Gewinde oder Kunststoff-umspritzungen beinhalten kann. Die Anforderungen an die Prozessführung, -regelung und -überwachung steigen stetig und verschiedenste Konzepte und Messmethoden werden untersucht. Die Simulation und Auslegung der Prozesse auf Pressen stellt einen weiteren Schwerpunkt dar. Die Servopresse hat sich in der Breite durchgesetzt und hinsichtlich Produktivität, Funktionsintegration und Energieeffizienz den neuen Standard definiert. Und auch hier geht es weiter: Neue Entwicklungen und Konzepte zu Energieführung und Antriebssteuerung sowie die Abspeckung der bewegten Massen werden weitere Hubzahl- und Leistungssteigerungen zur Folge haben.

Die Simulation ist für die Auslegung von Prozessen unverzichtbar

Im Bereich Schneiden und Stanzen wird intensiv an der Erhöhung der Schneidgeschwindigkeit und Verbesserung der Qualität der Schnittkanten geforscht; entsprechende, teilweise neu entwickelte Messmethoden sollen diese praktisch erfassen und eine neue Idee soll Gratfreiheit möglich machen. Die Kantenrisssensitivität soll in Zukunft durch Simulationen beschrieben werden, ebenso wie die Vorhersage der Werkzeugstandzeiten. Wie kann man Werkzeuge und deren Oberflächen maßschneidern und Werkzeuge für Groß- und Kleinserien optimal gestalten? Es wird an neuen Ideen für Folgeverbundanbindungen geforscht, ebenso wie an neuen Spannmittellösungen und zum Verschnitt- und Stanzbutzenmanagement. Insbesondere bei beschichteten und mehrlagigen Blechen sind viele Fragen hinsichtlich stabiler und wirtschaftlicher Schneidergebnisse offen. Blech wird als Old Economy im Gegensatz zu den modernen digitalen Modetrends von Politik und Gesellschaft oftmals gering geschätzt. Dies kann in einer virtuellen Welt durchaus gelten, nicht aber in einer mobilen, produktorientierten Qualitätsgesellschaft. Ingenieure wissen: Blech ist so jung wie nie, wird immer bunter und vielseitiger und ist unverzichtbar. MM

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