Umformtechnik: Nutzen für Anwender und Techniker

1. Grundlagen der Umformtechnik
2. Was ist in der Umformtechnik wichtig?
3. Herausforderungen in der Umformtechnik für Anwender und Techniker
4. Lösungsansätze des IPH

Grundlagen der Umformtechnik

Bei der Fertigung von Bauteilen gibt es unterschiedliche Wege, um zum fertigen Produkt zu kommen. Die Fertigungsverfahren unterteilen sich nach DIN 8580 in sechs Hauptgruppen. Das Umformen bildet die zweite der sechs Hauptgruppen der Fertigungsverfahren nach DIN 8580 und umfasst alle Fertigungsverfahren in denen Werkstoffe unter Beibehaltung ihrer Masse und den Stoffzusammenhalt durch plastische Verformung einer dauerhaften Formänderung erliegen. Vor allem bei sehr hohen statischen und dynamischen Belastungen bietet sich das Umformen als Herstellungsprozess an.

Was ist in der Umformtechnik wichtig?

Technischen Mitarbeitern in der Umformtechnik wird vor allem ein präzises und gleichzeitig schnelles Arbeiten abverlangt. Zusätzlich müssen sie kurzfristig auftretende Probleme schnell erkennen und beseitigen, um einen reibungslosen und sicheren Betrieb der Maschinen gewährleisten zu können. Hierfür ist die Wahl geeigneter Umformtechniken und -verfahren von sehr großer Bedeutung, da schlecht ausgelegte Umformprozesse die Arbeit der technischen Mitarbeiter deutlich erschweren und zu unnötigen Ausfällen im Betrieb führen können. Umformtechnische Prozesse bieten aber auch zusätzlichen Spielraum für Fehler – z. B. durch einen leicht erhöhten Gratanteil – so dass Mitarbeiter nicht immer extrem genau arbeiten müssen. Eine professionelle Auslegung aller bestehenden und vor allem neu eingeführten Umformprozesse ist daher unentbehrlich und sollte gegebenenfalls durch einen externen Dienstleister übernommen werden. Da nicht jedes Unternehmen die ganze Bandbreite an Umformverfahren beherrschen kann, bietet die Kooperation mit einem Forschungsinstitut eine gute Möglichkeit, umformtechnische Verfahren zu analysieren, zu optimieren und auch dabei die Fähigkeiten der Maschinenbediener bzw. Schmiede zu berücksichtigen.

Herausforderungen in der Umformtechnik für Anwender und Techniker

Während der Prozesskette Umformen erfolgt die Formgebung meist über mehrere Stufen (Stadienfolge). Dazu wird das Werkstück in den unterschiedlichen Stufen Schritt für Schritt bis zur gewünschten Bauteilgeometrie umgeformt. Die Formgebung in mehreren Stufen hat diverse Vorteile. Das Rohteil kann in der ersten Umformstufe vom Zunder befreit werden. Zudem können die Zwischenstufen der Stadienfolge genutzt werden, um die Massenverteilung vor der finalen Umformung zu optimieren, wodurch weniger Ausgangsmaterial benötigt wird. Zusätzlich werden durch die Aufteilung auf mehrere Umformschritte die auftretenden Kräfte minimiert sowie die Werkzeugbelastung und somit der Werkzeugverschleiß reduziert. Die Reduzierung der Werkzeugbelastung führt zu höheren Standzeiten, was bei hohen Stückzahlen wirtschaftlich von Vorteil ist. Zusätzlich wird der Aufwand von Folgeprozessen reduziert (z. B. Bearbeitungsaufmaße für spanende Nachbearbeitung). Für die Festlegung der Umformstufen sind mehrere Arbeitsschritte notwendig. Es muss ein Entwurf der Abfolge der Umformschritte durch Erfahrung, wissensbasierte Verfahren, Ähnlichkeitsbetrachtungen, Richtlinien und Normen erstellt werden. Zudem muss der Entwurf mittels Modellversuchen, elementare Verfahren und numerische Verfahren überprüft und optimiert werden.

Die richtige Auslegung der Stadienfolge gelingt in der Regel nicht auf Anhieb. Vielmehr muss der Konstrukteur durch eine iterative Vorgehensweise versuchen, die optimale Abfolge der Umformstufen zu ermitteln. Bis heute stehen dem Ingenieur für die Auslegung des Entwurfs kaum Hilfsmittel zur Verfügung, sodass viel vom Erfahrungswissen des Konstrukteurs abhängt. Die zur Verfügung stehenden Hilfsmittel sind vor allem:

• Richtlinien
• Normen
• rechnergestützte Datenbanksysteme zur Klassifizierung von Bauteilen
• einfache Berechnungsverfahren
• Berechnungsprogramme auf Basis der FEM

Neben der Vorbereitung des Umformprozesses durch den Konstrukteur sind im Betrieb die Herausforderungen für die Anwender sehr unterschiedlich. Bei hohen Bauteilgewichten ist auf Ergonomie zu achten bzw. sicherzustellen, dass die Arbeiter nicht überlastet werden. Dabei muss trotz allem sichergestellt werden, dass die umzuformenden Bauteile prozesssicher eingelegt werden. Daneben können unsauber ausgelegte Prozesse dazu führen, dass Bauteile im bzw. am Werkzeug stecken bleiben und erst aufwändig entfernt werden müssen. Dies führt zu Verzögerungen in der Produktion und ggf. auch zu Werkzeugbeschädigung oder -ausfall.

Lösungsansätze des IPH

Um die Herausforderungen bei der Produktion in der Umformtechnik anzugehen, bietet das Institut für Integrierte Produktion Hannover (IPH) gGmbH verschiedene Strategien an. Bei bereits bestehenden Prozessen ist zunächst eine Analyse des IST-Zustands ratsam, in der untersucht wird, wie effizient der bisherige Umformprozess ist. Aufbauend darauf können mehrere optimierte Prozessschritte überlegt werden, die aufgrund einer besseren Materialeffizienz, einer kürzeren Prozessdauer oder eines geringeren Werkzeugverschleiß' den aktuellen Prozess verbessern können. Dabei gilt es, auf die gegebenen Voraussetzungen individuell einzugehen und diese zu berücksichtigen.

Während die Analyse direkt vor Ort bei der Produktion erfolgt, wird die Optimierung durch eine numerische Vorgehensweise am Computer vorgenommen – ohne laufende Prozesse oder ähnliches zu beeinflussen. Nach der numerischen Auslegung/Optimierung erfolgt die Umsetzung der erzielten Ergebnisse in die Praxis. Dazu kann der optimierte Umformprozess zunächst unter Laborbedingungen im IPH erprobt werden, um Prozessabläufe in der Produktion nicht zu stören. Nach erfolgreicher Erprobung wird das Verfahren schließlich in der industriellen Umgebung implementiert.

Für eine erfolgreiche Optimierung ist es notwendig, auf dem Gebiet der Umformtechnik ein breitgefächertes Wissen und somit Erfahrung zu haben, um die unterschiedlichen Vor- und Nachteile zu kennen und abwägen zu können. Aufgrund einer Vielzahl von Forschungsprojekten im Bereich der Umformtechnik besitzt das IPH ein umfangreiches Wissen über verschiedene konventionelle Verfahren aber auch zusätzlich über neuartige, komplexerer Verfahren, die für die korrekte Auslegung ein hohes Maß an Kenntnis erfordern. Dieses Wissen wird in grundlagenbasierten Forschungsprojekten immer weiter vertieft und erweitert. Auch der Einsatz konventioneller Prozesse zur Optimierung bestehender Umformprozesse wird fortwährend anhand unterschiedlichster Bauteile und unterschiedlicher Materialien weiter untersucht. Fähigkeiten in einem breiten Spektrum verschiedener Umformprozesse, Bauteildimensionen und Werkstoffe hat das IPH in den vergangenen 25 Jahren in unzähligen Forschungs- und Beratungsprojekten bereits erfolgreich unter Beweis gestellt.

Die Kooperation mit dem IPH bedeutet daher zum einen ein enormes zusätzliches Wissen zu unterschiedlichsten Bereichen der Umformtechnik. Zum anderen bietet die Kooperation mit dem IPH die Möglichkeit, die Optimierung des Umformverfahrens parallel zum Tagesgeschäft durchführen zu können – ohne selbst die aufwändige Prozessplanung/-optimierung vornehmen zu müssen. Dabei erfolgt die Unterstützung und Zusammenarbeit vom ersten Schritt der Ideenfindung oder Analyse bis zum fertigen Einsatz und zur Einführung der neuen Prozesse im Unternehmen unter Berücksichtigung aller Beteiligten: vom Produktionsleiter bis zum Anwender an der Umformmaschine. So kann gewährleistet werden, dass stets kompetente Unterstützung bereitsteht, um auch bei unvorhergesehenen Herausforderungen die beste Lösung zu finden.