Autor: Dirk Holger Voswinckel

Die Fertigungstechnologie der inkrementellen Blechumformung (kurz: IBU) verbindet eine hohe Prozessflexibilität mit einer geringen bauteilspezifischen Werkzeugbindung und stellt damit ein großes Potential für den anhaltenden Trend zu kürzeren Produktzyklen und wachsender Variantenvielfalt dar. Der aktuelle Stand der Technik hinsichtlich der Verfahrensvarianten der IBU lässt erkennen, dass eine irtschaftliche industrielle Herstellung von Bauteilen in geringer Losgröße, bei gleichzeitiger Beibehaltung hoher Qualitätsansprüche, zunehmend realistisch erscheint. Die dadurch erreichte Einsparung formgebundener Werkzeuge kann nur dann in vollem Umfang ausgenutzt werden, wenn sich zusätzlich zur Umformung der eigentlichen Bauteilgeometrie auch die Folgeoperationen – wie das Kragenziehen und das Abkanten – mit der IBU und somit ohne bauteilspezifische Werkzeugsätze durchführen lassen. Ferner ist es denkbar, mithilfe des inkrementellen Abkantens oder Kragenziehens, Massenprodukte – in Abhängigkeit von den Anforderungen – individuell und flexibel anzupassen. Das Ziel der vorliegenden Arbeit besteht darin, die Realisierung von Abkant- und Kragenziehoperationen mit der IBU grundlegend zu untersuchen, die Prozessgrenzen zu identifizieren und darauf basierend Maßnahmen abzuleiten um die Produktqualität weiter zu steigern. Für die Grundlagenuntersuchungen zum inkrementellen Abkanten wurden verschiedene Bearbeitungsstrategien auf die Grundflanschtypen übertragen. Dabei zeigt sich, dass für das inkrementelle Abstellen eines Flanschs eine einstufige Bearbeitungsstrategie ausreichend und zielführend ist. Im Gegensatz zur klassischen IBU zeigt die Anwendung von mehrstufigen Bearbeitungsstrategien keine signifikanten Verbesserungen der generellen Produkteigenschaften. Des Weiteren konnte aufgezeigt werden, dass im Gegensatz zum konventionellen Abkanten keine Abhängigkeit der Prozessgrenzen von dem Flanschradius besteht. Ausschließlich die Flanschlänge stellt einen sensiblen Prozessparameter dar. Mittels einer konstruktiven Erweiterung des Werkzeugkonzepts um einen adaptiven Niederhalter konnte eine Verbesserung der Geometriegenauigkeit bei minimaler Einschränkung der Prozessflexibilität erzielt werden. Die Prozessgrenzen der konventionellen Abkantverfahren konnten dabei deutlich überschritten werden. Die Grundlagenuntersuchungen zum inkrementellen Kragenziehen zeigen, dass mehrstufige Bearbeitungsstrategien grundsätzlich vorteilhaft sind. Dabei kann auf die resultierenden Flanscheigenschaften durch Anpassung der Bearbeitungsstrategiengezielt Einfluss genommen werden. So führt bspw. eine sukzessive Erhöhung des Kragendurchmessers zu einer Reduzierung der Kragenlänge, einer leicht gesteigerten Konizität des Kragens aber auch einem deutlich gesteigerten maximalen Aufweitverhältnis von 5,5. Für konventionelle Kragenziehoperationen mit einem Stempel ist das maximale Aufweitverhältnis – bei vergleichbaren geometrischen Randbedingungen – auf etwa 2,5 begrenzt. Dahingegen bedingt bspw. eine stufenweise Vergrößerung des Kragenwinkels eine Abstreckung der Kragenlänge, einem größeren resultierenden Kragenwandwinkel aber auch zu einer gesteigerten lokalen Blechausdünnung und somit geringeren maximalen Aufweitverhältnissen. Es wurde gezeigt, dass die Anwendung eines Werkzeugkonzepts mit mehreren synchron wirkenden Werkzeugen prozesssicher die Krageneigenschaften insb. der Geometrie verbessern kann. Eine Vorumformung zeigt keinen signifikanten Einfluss auf den Prozess des inkrementellen Kragenziehens. Zur Erhöhung der Wirtschaftlichkeit und gleichermaßen der Industrierelevanz wurden Maßnahmen zur Prozessbeschleunigung abgeleitet und bewertet. Dazu wurden zwei Werkzeugkonzepte verglichen, die mit rotatorisch-frei gelagerten Umformköpfen den Durchmesser des Kragens schrittweise vergrößern. Es konnte im Rahmen der durchgeführten Versuche eine Prozessbeschleunigung um etwa das 35-fache erzielt werden, wodurch eine Verkettung des inkrementellen Kragenziehen mit konventionellen Fertigungstechnologien realistisch erscheint. Des Weiteren konnte gezeigt werden, dass die hohe Prozessflexibilität des inkrementellen Kragenziehens grundsätzlich auch zum formschlüssigen Fügen angewendet werden kann. So konnte beispielsweise ein Blech mit einem Vorlochdurchmesser von 50 mm zunächst auf einen Kragendurchmesser von 98 mm aufgestellt und abschließend über den Fügepartner zu einem umgelegtenFüge-Falz mit einem Durchmesser von 130,5 mm rissfrei zu einer formschlüssigen Fügeverbindung realisiert werden. Abschließend wurden die technologischen Potenziale der inkrementellen Folgeoperationen durch Übertragung auf die Herstellung eines komplexen Anwendungs-Demonstrators demonstriert. So konnte die vollständig integrierte Fertigung in einem einzigen Anlagenkonzept dargestellt und zudem die identifizierten Prozessgrenzen bestätigt werden. Damit wurde mit dieser Arbeit erstmalig ein umfassendes Grundverständnis inkrementeller Folgeoperationen erarbeitet und die Prozessgrenzen mitsamt möglicher Maßnahmen zur Verbesserung der Produkteigenschaften identifiziert.