Werkzeuge im Autobau können jetzt 2,5 mal so lange durchhalten
Tiefziehen ist das Gebot der Stunde im Automobilbau. Viele Karosserieteile entstehen in diesem Blechumformungsverfahren. Ein Rohling aus Blech wird dabei unter enormen Druck in die Presse gedrückt. Die teuren Werkzeuge haben deshalb einen sehr hohen Verschleiß. Jetzt ist es Wissenschaftlern gelungen, diesen Verschleiß deutlich zu minimieren.
BMW-Produktion in Leipzig: Bei der Herstellung der Karosserieteile ist der Verschleiß der Werkzeuge ausgesprochen hoch. Forscher haben neue Techniken entwickelt, um die Lebensdauer der Werkzeuge mehr als zu verdoppeln.
Foto: BMW
Es ist das Gewicht von mehreren Tonnen, mit denen ein Blechstück von einem metallischen Stempel langsam in die Presse gedrückt wird und kurze Zeit später als fertiges Bauteil für die Automobilproduktion wieder herauskommt. Ein brachiales Aufeinandertreffen von Edelstahl auf Blech, den stets das Blech verliert und in die gewünschte Form weicht. Tiefziehen nennt man in der Branche diese spezielle Umformtechnik.
Das Tiefziehen zählt zu den bedeutendsten Blechumformungsverfahren. Es sind eine ganze Reihe Kräfte, die sich beim Tiefziehen einmischen: Es gibt die Bodenreißkraft, die Tiefziehkraft, die Niederhalterkraft und last not least die Gesamtziehkraft. Beim Tiefziehen ist also physikalisch eine Menge los in der eng gepressten Gemengelage zwischen Werkstück und Werkzeug.
Die Werkzeuge sind bei diesem Tiefziehen enormen Belastungen ausgesetzt. Denn beim Pressvorgang entsteht extrem hoher Druck – besonders an den Ziehkanten. Das sind die Stellen der Umformwerkzeuge, an denen das Blech in die gewünschte Form gezogen wird. Gerade deren Oberflächen verschleißen oft sehr schnell.
Wenige Zentimeter große Werkzeuge kosten rund 600 Euro
Dieser Belastungsverschleiß zwingt die Hersteller der geformten Blechteile dazu, die Werkzeuge häufig zu warten und im Extremfall auszutauschen. Das hat die unangenehme Folge, dass dann manchmal teure Produktionsmaschinen eine volle Stunde lang still stehen. Dazu kommt: Die Presswerkzeuge sind teure, aus speziellen Rohstoffen hergestellte Unikate. Bereits kleine, nur wenige Zentimeter große Werkzeuge kosten bis zu 600 Euro. Es gilt also, Verfahren zu entwickeln, die die Lebensdauer der Werkzeuge deutlich erhöhen und auch die Rüstzeiten reduzieren.
Das optimierte Umformwerkzeug der Mühlhoff Umformtechnik GmbH ist robuster als bisher – dank Laserauftragsschweißen. Die Technik verlängert die Standzeiten des Umformwerkzeugs auf mehr als das 2,5-fache. Das Bild zeigt das eingesetzte Maschinensystem.
Quelle: Fraunhofer IPT
Besonders effektiv ist das Laserauftragsschweißen. Dabei schmilzt ein Laserstrahl die Werkzeugoberfläche und den Zusatzwerkstoff ganz gezielt auf. Es entsteht eine lokale Schutzschicht auf der Werkzeugoberfläche. Durch diese Schutzschicht wird das teure Edelstahlwerkzeug an kritischen Stellen robuster und erheblich widerstandsfähiger. Vor allem geht das Laserauftragsschweißen blitzschnell, der ganze Vorgang dauert nur wenige Sekunden.
Was bisher fehlte, war ein durchgängiger und vor allem auch reproduzierbarer Prozess für den industriellen Alltag. Eine Aufgabe für die Innovationsallianz „Green Carbody Technologies“ InnoCaT, mit der seit 1. Januar 2010 auf verschiedenen Handlungsfeldern Optimierungspotentiale im Fahrzeugbau gehoben werden. Denn ein Auto verbraucht nicht nur Energie wenn es fährt, sondern einen erheblichen Anteil bereits in der Produktion.
Innovationsallianz aus Forschung und Industrie
„Die Innovationsallianz ‚Green Carbody Technologies‘ ist eine langfristig angelegte Partnerschaft. Im Netzwerk entwickeln große, kleine und mittelständische Unternehmen effiziente Technologien und neuartige Produkte. Diese Innovationen sind die grundlegende Voraussetzung für den Erfolg am Standort Deutschland“, erklärte Professor Hans-Jörg Bullinger, Mitglied im Senat der Fraunhofer-Gesellschaft die Grundidee der Innovationsallianz.
Mehr als 60 Partner aus Industrie und Forschung forschen seitdem an Innovationen und Synergien entlang der Prozess- und Fertigungskette im Automobilbau. Darunter sind auch so große Schwergewichte wie Volkswagen, Siemens, Daimler, Audi und die Fraunhofer-Institute für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, für Produktionstechnologie IPT und für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU. Sie durchleuchten erstmals ganzheitlich und aus Sicht der Ressourceneffizienz die komplexen Produktionsabläufe – vom Werkzeugbau über das Presswerk und den Karosseriebau bis hin zur Lackierung der Rohkarosse. In fünf Verbund- und in 30 Teilprojekten entstanden im Rahmen dieser Innovationsallianz bis zum Abschluss im Sommer dieses Jahres technische Lösungen sowie ganzheitliche Ansätze, die Energie- und Ressourceneffizienz im Automobilbau zu steigern.
Die Werkzeuge halten jetzt 2,5 Mal länger
Im Rahmen eben dieser Innovationsallianz haben Forscher des Fraunhofer-Instituts für Produktionstechnologie IPT in Aachen nun zusammen mit dem Werkzeugbauer Mühlhoff Umformungstechnik sowie weiteren Partnern der Allianz diesen Prozess für den reproduzierbaren praktischen industriellen Einsatz durchleuchtet. Aus einer herkömmlichen fünfachsigen Fräsmaschine ist eine optimierte Maschine geworden, mit dem Umformwerkzeuge vollautomatisch via Laser legiert werden können. Der Clou: Dadurch erhöht sich die Lebensdauer der legierten Werkzeuge um 150 Prozent, somit halten die Teile 2,5 Mal so lange. Zudem lässt sich die Anlage geschmeidig in den laufenden Produktionsprozess einbetten. Der optimierte Prozess verbessert die Qualität der Bauteile und ermöglich exakte Planungen der teuren Rüstzeiten.
Praxistest bei Mühlhoff hat die Ergebnisse bestätigt
Ein Praxistest am Stammsitz der stark in der Innovationsallianz eingebundenen Mühlhoff Umformung GmbH im nordrhein-westfälischen Uedem hat diese Ergebnisse bestätigt. Mühlhoff ist ein klassischer Mittelständler mit gut 340 Mitarbeitern, dessen Kerngeschäft darin besteht, Formblech für die Automobilindustrie zu produzieren. Ein eigener Werkzeugbau versorgt die Produktion an den verschiedenen Standorten mit Umformwerkzeugen, die jetzt deutlich länger ihrem belastenden Tiefzieh-Geschäft nachgehen können, ehe sie der Umrüstung zum Opfer fallen.
Neben der ganzen Hardware ist natürlich eine raffinierte Software das Hirn des Systems. Mit diesem Computerhirn lassen sich die notwendigen Prozesse rund um die Laseroberflächenbehandlung reproduzierbar und übersichtlich steuern. Sämtliche benötigten Parameter werden schnittstellenlos an die Anlage übermittelt. Eine Simulation der eigentlich geplanten Bearbeitung ermöglicht es, den Vorgang im Vorfeld der tatsächlichen Bearbeitung zu optimieren.
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