Ur- und Umformen

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Die Ur- und Umformverfahren gehören zu den ältesten Fertigungstechnologien. Beide Verfahrensgruppen kennzeichnet eine Fertigung durch bildsame – sprich plastische – Schaffung bzw. Formänderung eines festen Körpers bei Erzeugung bzw. Beibehaltung des Stoffzusammenhanges und Erhalt der Ausgangsmasse. Damit gehören beide Verfahrensgruppen zu den spanlosen Fertigungsverfahren.

Die Urformverfahren werden nach dem Zustand der Ausgangsstoffe unterschieden. Zu den Verfahren gehören unter anderem das Gießen, Spritzgießen, Extrudieren, Galvanoformen und die Pulvermetallurgie. Für die Weiterverarbeitung, insbesondere die Fertigung von Massenprodukten ist eine nachträgliche Umformung der Halbzeuge meist das wirtschaftlichste Verfahren.

Die Umformverfahren können nach den auf das Material ausgeübten Kräften eingeteilt werden: Druckumformen, Zugdruckumformen, Zugumformen, Biegeumformen und Schubumformen. Je nach Temperaturniveau beim Umformen wird zwischen Kaltumformung – bei Raumtemperatur – und Warmumformung unterschieden. In der industriellen Produktion metallischer Erzeugnisse unterscheidet man lediglich zwischen Massivumformung und Blechumformung.

Die Entwicklung dieser Verfahren wird wie auch bei anderen Fertigungsverfahren durch den Einsatz neuer Werkstoffe und Werkstoffkombinationen, innovativer Werkzeugkonzepte, die Leistungsfähigkeit der Anlagentechnik sowie die Automatisierungs- und Informationstechnik bestimmt. Zunehmende Anforderungen an Halbzeuge und Bauteile aus Ur- und Umformprozessen hinsichtlich Leichtbau, zeitnaher Bereitstellung in Mittel- und Kleinserien, hoher Komplexität, Endformnähe und Qualität führen zur ständigen Weiterentwicklung von Produkten und Verfahren.

Folgende Forschungsschwerpunkte werden vertieft:

Die Verarbeitung neuer Werkstoffe – wie zum Beispiel Keramik und Verbundwerkstoffe – und Halbzeuge wie Tailored Blanks (beschichtete oder vorbehandelte Bleche) muss unter vollständiger Erhaltung ihrer Anwendungspotenziale mit den vorhandenen oder mit neuen Ur- und Umformverfahren gewährleistet werden.

Die Berücksichtigung der vollständigen Prozesskette, von der Produktentwicklung bis zur Endbearbeitung, erfordert die Kenntnis und die Simulation aller gegenseitigen Abhängigkeiten notwendiger Prozessschritte und der damit jeweils erzeugten Einflüsse auf das Bauteil. Dadurch können gewünschte Produkteigenschaften gezielt erzeugt werden.

Durch den Einsatz leistungsfähigerer Entwicklungsmethoden in der Werkzeugfertigung lassen sich Werkzeugkosten senken. Mit neuartigen Konstruktionsmethoden und neuen Verfahrens- und Baukonzepten kann eine flexiblere Werkzeugnutzung erreicht werden.

Nachfolgend werden einige ausgewählte Verbundprojekte, die im Zeitraum von 2008 bis 2011 gefördert wurden, kurz beschrieben:

Spritzguss von Kunststoffen

Die bisherigen Defizite bei der Herstellung hochwertiger Komponenten im Spritzgießprozess sollten mit einem neuen Werkzeugaufbau, anderen Werkzeugmaterialien sowie mit einer Beschichtung und Oberflächenstrukturierung der Werkzeuge beseitigt werden. Ziel des Vorhabens SkForm war die Erforschung der wirtschaftlichen und produktionssicheren Abformung von qualitativ hochwertigen funktionalen mikro- und nanostrukturierten Oberflächen bzw. von Hochaspektstrukturen auf Kunststoffsubstraten in einem schnellen variothermen Spritzgießverfahren.

Glasformgebung

Im Vorhaben EinFormGlas wurde eine energie- und rohstoffeffiziente Technologie zur Herstellung von Hohlglaserzeugnissen entwickelt. Eine Einsparung von mehr als 20 Prozent des bisher notwendigen Energie- und Rohstoffeinsatzes wurde erreicht. Energieeffizienz soll durch eine optimale Energienutzung im Prozess mit einem höheren Wirkungsgrad und durch Veränderungen des Schmelzprozesses erreicht werden. Eine Optimierung der Glasmenge pro Verpackungsvolumen durch einen neuen einstufigen Fertigungsprozess, der eine Reduzierung der Glaswandstärke der Hohlglaserzeugnisse ermöglicht, führte zu Materialeffizienz.

Blechumformung

Eine konsequent ganzheitliche Methodik zur Auslegung des Gesamtsystems von Umformwerkzeugen und -maschinen wurde im Projekt IMAUF entwickelt. Dazu wurden erstmals grundlegende Erfahrungen aus den Bereichen der verfahrensbedingten Werkzeug- und Maschinendynamik, der Plasmabeschichtungstechnik und der mikrostrukturellen Oberflächenmodifizierung zusammengeführt. Die Funktionen des Gesamtsystems wurden mit Hilfe von rechnergestützten Simulationsmethoden vorausbestimmt.

Verbundwerkstoffe

Im Verbundprojekt TOHOP wurde eine durchgängige Fertigungsprozesskette zur umformenden Herstellung von Hohlprofilen aus textilfaserverstärkten Kunststoff-Verbundwerkstoffen entwickelt. Mit einem automatisierten Verfahren und einem aktiven Werkzeugsystem wurde die endkonturnahe Herstellung von Hohlkörpern – auch mit funktionalen inneren Aussteifungen bzw. Verstärkungen und eingearbeiteten metallischen Befestigungselementen – erreicht.

Massiv- und Stahlumformung

Mit einer geregelten Prozessführung von Tiefzieh- und Innenhochdruckumformvorgängen können unvermeidliche Schwankungen der Qualität der Blechhalbzeuge und von Prozessparametern kompensiert und so die Ausschussrate deutlich reduziert werden. Zur Erfassung der erreichten Bauteilausformung oder der Bauteillage im Umformwerkzeug wurden im Projekt ORUM neuartige, in die Werkzeugoberfläche integrierbare Dünnschichtsensoren entwickelt, mit denen die Online-Überwachung und -Regelung von Umformprozessen möglich ist.

Auftragsschweißen einschließlich Prozesssimulation

Ziel des Verbundprojekts GENIAL war die Herstellung deutlich verschleißfesterer Extrusionswerkzeuge zur Erzeugung von Kunststoffprofilen aus beispielsweise faserverstärkten Werkstoffen. Die damit verbundene hohe Verschleißbelastung der Werkzeuge und Störanfälligkeit des Extrusionsprozesses wurde mit Werkzeugeinsätzen aus Hartmetall überwunden. Die endkonturnahe Fertigung der Werkzeugeinsätze erfolgt generativ mittels Lasersintern und 3D-Drucken.

Neuartige Metallurformung

Ziel dieses Forschungsvorhabens PM-Zahnräder war es, die Entwicklungszeiten des Nachverdichtungsprozesses von PM-Zahnrädern mittels Querwalzen bei einer gleichzeitigen Verbesserung der Bauteilqualität und -festigkeit zu reduzieren. Dafür wurde der ganzheitliche Prozess - angefangen bei der Pulverherstellung, über die Press- und Sinterbedingungen sowie die Walztechnologie, über die Wärmebehandlungen bis hin zum abschließenden Einsatz im Getriebe beim Getriebehersteller - untersucht.


Stand: Juni 2011