Hydroformpresse als Kernstück neuer Produktionstechnik: Weiches Wasser biegt das Blech

Wissenschaftler aus Hochschulen in ganz Deutschland kommen zusammen. Ingenieure von Stahl verarbeitenden Firmen mit Rang und Namen sind mit Vorträgen und Experimenten dabei. Hochschule und Forschungsgemeinschaft steuern Fördergelder bei: Mit dem Kolloquium „Wirkmedien-Blechumformung“ präsentiert der Lehrstuhl für Blechumformung der Fakultät Maschinenbau heute (11.12.01) an der Universität eine neue Dortmunder Produktionstechnik. Im Blickpunkt steht dabei eine riesige Presse, für die eigens ein neues „Gläsernes Labor“ errichtet wurde.

„Wirkmedienbasierte Fertigungstechniken zur Blechumformung“ lautet das Thema eines Schwerpunktprogramms der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG), an dem sich Prof. Dr.-Ing. Matthias Kleiner mit seinem Lehrstuhl engagiert beteiligt.

Das Umformen von metallischen Werkstoffen mit Hilfe von Wirkmedien wie Wasser-Öl-Emulsionen ist seit gut 100 Jahren bekannt. Anspruchsvolle Werkstücke wie Leichtbau-Verkehrsmittel für Straße, Schiene und Luft wurden dennoch bisher mit konventioneller Mechanik bearbeitet. Erst der heutige Stand der Steuerungstechnik, der Hydraulik und der Dichtungstechnik hat das Verfahren revolutioniert. Die Dortmunder Forscher und Entwickler bringen die Hochdruck-Blech-Umformung (HBU) mit Wasser-Druck in den Bereich der wirtschaftlichen Anwendung und Serienanfertigung.

Perspektive Umweltschonung

Die weltmarktorientierte Erneuerung einer so definierten Produktionstechnik trägt zu Lösungen gesamtgesellschaftlicher Probleme bei. Sie muss die Probleme des Arbeitsmarktes und des Verkehrs genau so berücksichtigen wie die der Verschwendung von Ressourcen. Die neue Produktionstechnik zielt auf eine Ressourcen sparende Verbesserung der Mobilität und auf die Umweltschonung, auf eine Optimierung der Versorgung mit dem Produktionsfaktor Information sowie auf den Schutz der Gesundheit des Menschen. Die „Neue Dortmunder Produktionstechnik“ orientiert sich so an den Leitbildern einer zukünftigen, durch Produktion und Dienstleistung, Wissen und Information geprägten Welt.

Neue Produktgruppen in der Verkehrstechnik

Die wirkmedienbasierten Blechumformverfahren metallischer Werkstoffe sind bestens geeignet zur Herstellung vollkommen neuer Produktgruppen, die anspruchsvollen funktionellen und ästhetischen Anforderungen genügen müssen. Beispiele hierfür sind Leichtbaustrukturen wie Beplankungen und Tragstrukturen im Fahrzeug-, Flugzeug- oder Apparatebau, die in der Regel aus schwierig umzuformenden Werkstoffen hergestellt werden.

Weiterhin bieten wirkmedienbasierte Blechumformverfahren wichtige Möglichkeiten zur Substitution herkömmlicher Bauteile oder Werkstoffe. Ein typisches Beispiel ist der Ersatz des ökologisch bedenklichen Kunststofftanks durch einen wirkmedienbasiert hergestellten Stahltank mit ebenso geringem Gewicht und komplexer Form, der die strengen Anforderungen eines emissionsfreien Tanksystems für Kraftfahrzeuge („Zero Emission“ in den USA ab 2003) und verschärfte Auflagen der Crash-Sicherheit vollständig erfüllt und ca. 20% leichter ist.

Zur Aufarbeitung der bestehenden großen Wissensdefizite im Bereich der wirkmedienbasierten Fertigungsverfahren soll in dem von Prof. Matthias Kleiner initiierten Schwerpunktprogramm die Gruppe der wirkmedienbasierten Umformprozesse mit blechförmigen Ausgangswerkstücken grundlegend wissenschaftlich erforscht werden.

Die Forschungsgebiete in Stichpunkten

• Experimentelle und theoretische Grundlagenuntersuchungen zur Beschreibung und Modellierung des Umformprozesses.
• Entwicklung und Erforschung von Prozessführungsstrategien zur Realisierung eines robusten Umformprozesses mit hoher Ergebnisqualität.
• Entwicklung und Erforschung neuer Werkzeugtechniken und Werkzeugmaschinen zur besseren Nutzung der Vorteile der wirkmedienbasierten Blechumformung und zur Erweiterung des Anwendungsspektrums dieser Verfahren.
• Untersuchung der Einsatzmöglichkeiten neuer Werkstoffe für Werkzeuge, Wirkmedien und Werkstücke.
• Entwicklung moderner Steuerungs- und Regelungskonzepte für die wirkmedienbasierten Blechumformverfahren.

Das Schwerpunktprogramm wird seit 2000 für sechs Jahre gefördert. Die Deutsche Forschungsgemeinschaft stellt jährlich etwa 2,5 Mio. DM zur Verfügung.

Grundlagenuntersuchungen zur Prozessführung

Am Lehrstuhl für Umformtechnik werden die Prozesse der wirkmedienbasierten Blechumformung jetzt grundlegend untersucht. Dabei werden Erkenntnisse über die technologischen Parameter und deren Wechselwirkungen gewonnen. Die Fortschritte der Produktionstechnik entstehen an den Schnittstellen der Fertigungs- und Werkstofftechnik besonders zur Informationstechnologie, zur Elektrotechnik, Mikroelektronik, Verfahrenstechnik, Bautechnik und zur Biotechnik sowie in der Vernetzung dieser Technologiefelder.

Ziel des Vorhabens ist es, in vergleichenden Untersuchungen die Prozessführung bei der wirkmedienbasierten Blechumformung insbesondere hinsichtlich des verwendeten Wirkmediendruckes, der Umformgeschwindigkeit und der Eigenschaften sowie der Geometrie der Werkstücke zu erforschen. Die daraus gewonnenen Erkenntnisse sollen schließlich zur Bestimmung signifikanter Prozessparameter dienen und deren Einfluss auf Werkzeugmaschine, Werkzeug und Werkstückeigenschaften klären sowie eine technisch und wirtschaftlich bessere Auslegung neuartiger Verfahrensvarianten und -kombinationen der wirkmedienbasierten Blechumformung ermöglichen.

100 MN HBU-Presse

Eine Vielzahl der im Schwerpunktprogramm „Wirkmedienbasierte Fertigungstechniken zur Blechumformung“ zu betrachtenden wissenschaftlichen Problemstellungen wird mit Hilfe einer speziellen Presse untersucht wird, die jetzt an der Universität Dortmund in Betrieb genommen wird. Ein vergleichbares Gerät ist derzeit weder im Bereich der sonstigen industriellen noch der universitären Forschung verfügbar.

So ist diese Presse zur Durchführung der Forschungsarbeiten für die „Grundlagenuntersuchungen zur Prozessführung bei der wirkmedienbasierten Blechumformung“, bedingt durch die Notwendigkeit, sowohl hohe statische als auch dynamische Kraftanteile sicher aufzunehmen, zwingend erforderlich.

Die Präsentation der 100 MN Hydroformpresse wird am heutigen 11.12.2001 Abschluss und Höhepunkt des Kolloquiums zur Wirkmedien-Blechumformung sein. Die Maschine hat die Aufgabe, großflächige Blechformteile auch aus hochfesten Werkstoffen herzustellen.

Ein markantes Merkmal der Hydroformpresse ist der geschlossene Wickelrahmen, der sowohl eine kompakte Bauweise als auch die Aufnahme großer Zuhaltekräfte ermöglicht. Mit dieser Umformmaschine können erstmals Forschungsarbeiten für die Fertigung großflächiger Blechformteile durch die Hochdruck-Blechumformung durchgeführt werden.

Das Aggregat mit seinem neuen, vom Lehrstuhl für Umformtechnik (LFU) entwickelten Maschinenkonzept ist selbst Untersuchungsgegenstand und kann den Weg zu neuartigen Prozessen und Anlagen für die wirkmedienbasierte Blechumformung aufzeigen.

HBU-Werkzeug-System und Verfahrensablauf

Die Leistungsfähigkeit der HBU wurde innerhalb eines von der Studiengesellschaft Stahlanwendung geförderten Projektes u.a. anhand der Fertigung eines komplexen Praxisbauteils, dem sog. Bremsabdeckblech, überprüft. Hier konnte der Nachweis erbracht werden, dass mit der HBU die Fertigung mit einer geringeren Stufenzahl im Vergleich zu dem konventionellen Tiefziehen möglich ist.

Auch konnten weitere technologische Vorteile wie eine verbesserte Beulfestigkeit oder eine verbesserte Form- und Maßgenauigkeit anhand der Fertigung weiterer Werkstückgeometrien nachgewiesen werden. Bei der Umsetzung moderner Leichtbaukonzepte ergibt sich ein Anforderungsprofil, bei dem sowohl der Aspekt der großflächigen Umformung als auch die Ausformung und Ausprägung lokal begrenzter, komplexer Geometriedetails im Vordergrund stehen.

Daher wurde am Lehrstuhl für Umformtechnik in Zusammenarbeit mit der Firma Siempelkamp-Pressen-Systeme in Krefeld die speziell auf dieses Anforderungsprofil zugeschnittene HBU-Presse entwickelt, die jetzt in Betrieb genommen wird.

Neues Versuchsfeld des Lehrstuhls: Gläsernes Labor

Um das Versuchsfeld des Lehrstuhls für Umformtechnik zu erweitern und auf den aktuellen Stand der Werkzeugmaschinen- und Labortechnik zu bringen, war es nötig, die vorhandene Experimentierhalle zu erweitern.

Diese Hallenerweiterung gliedert sich in zwei Bauabschnitte, von denen die Errichtung der Versuchshalle abgeschlossen ist und die ersten Versuchsstände bereits aufgebaut worden sind. Zur Zeit wird in einem zweiten Bauabschnitt der in drei Ebenen gegliederte Kopfbau erstellt, in dem nach Fertigstellung im März 2002 die erst kürzlich bewilligte Forschergruppe „Elektromagnetische Umformung“ untergebracht werden wird.

Ein durchlaufendes Fensterband unterbricht die in Edelstahl gestaltete Südfront der neuen Halle, wobei die Realisierung in dieser hochwertigen Ausführung u.a. durch das großzügige Sponsoring der Firma Krupp Thyssen Nirosta möglich wurde. Gemeinsam mit dem weitgehend verglasten Kopfbau an der westlichen Hallenseite wird das neue Versuchsfeld des LFU optisch offen gehalten und so zum „Gläsernen Labor“.

Information:
Axel Wellendorf. Ruf 0231-755-2654,
E-Mail wellendorf@lfu.mb.uni-dortmund.de