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Im Exzellenzcluster "Merge Technologies for Multifunctional Lightweight Structures" erarbeitet das Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik seit 2013 verschiedene Ansätze, bislang separat laufende Prozesse als komplexe, integrierte Verfahren auf den Punkt zu bringen. Im Artikel werden die beiden Verfahrenskombiantionen Tiefziehen, Spritzgießen und wirkmedienbasierte Umformung sowie IHU-Spritzgießen vorgestellt.

Die konventionelle Herstellung von Leichtbauwellen geht meist mit einem hohen Materialverlust einher. Am Fraunhofer IWU wurde die aufeinander abgestimmte Prozessfolge aus Bohrungsdrücken und Fließpressen entworfen, mit der Hohlwellenhalbzeuge bei geringstem Materialverlust umformtechnisch herstellbar sind. In dieser Prozessfolge wird zunächst aus einem Stangenabschnitt durch Bohrungsdrücken ein rohrförmiges Halbzeug umgeformt. Um dieses Halbzeug effizient in eine komplexe Hohlwellengrundform überführen zu können, wird eine Verfahrenskombination aus Hohl-Vorwärts und Rückwärts-Fließpressen angewendet. Diese Fließpresskombination stellt in der Prozesskette der Hohlwellenherstellung eine Neuheit dar. Mit dem Verfahren sind Hohlwellenhalbzeuge mit für PKW Getriebewellen typischen Länge-Durchmesser-Verhältnisse herstellbar. Für die durchgeführten numerischen und experimentellen Untersuchungen wurde der für Getriebewellen typische Einsatzstahl 16MnCr5 ausgewählt.

Für die automatisierte Prüfung (teil)-spiegelnder Oberflächen kann die Deflektometrie als flächiges, optisches Messverfahren dienen, um die Geometrie großer Bereiche der Oberfläche zu erfassen. Für die Inspektion ist es nun nötig, Oberflächenfehler in den Messdaten zu detektieren und zu klassifizieren. Vorgestellt werden Wavelet-basierte Methoden, die diese Problemstellung effizient lösen. Die vorgestellte Methodik kombiniert dabei zwei bekannte grundlegende Verfahren: die Erfassung der Oberflächengeometrie mittels Deflektometrie und die Signalanalyse mittels Wavelet-Analyse. Während die Deflektometrie hochwertige geometrische Messdaten einer Prüfoberfläche bereitstellt, ermöglicht die Wavelet-Analyse eine problemangepasste Detektion und Klassifikation von Defekten. Der Vorteil der neuen Methodik besteht nun darin, dass der nötige Aufwand zum Einlernen einer neuen Defektklasse verhältnismäßig gering ist.

Der Grundgedanke des Verfahrens ist die Vereinigung der Vorteile des Gasumformens von Blechen (kalt oder warm) mit denen des mechanischen Umformens unter weitgehender Vermeidung der jeweiligen verfahrensbedingten Nachteile. Bei dem neuen Verfahren werden zum Blechumformen sowohl zwei feste Werkzeughälften benutzt, als auch Gasdruck, wobei beide Umformprinzipien während desselben Pressenhubes im selben Werkzeug zur Wirkung kommen. Der größte Teil der Umformung wird dabei mittels eines sehr schnell aufgebauten Gasdrucks durchgeführt, welcher das gesamte Blech als Ganzes vordehnt und ins Formwerkzeug drückt. Die letzte Kalibrierung der bis dahin noch nicht ganz ausgeformten Radien wird durch die zweite Werkzeughälfte realisiert, welche am Ende desselben Pressenhubs das Werkzeug schließt und die bis dahin noch nicht ausgeformten Bereiche des Werkstücks mechanisch fertigformt.

Der Leichtbau ist ein zukunftsweisendes Lösungskonzept, um den Forderungen an die Automobilindustrie nach geringem Kraftstoffverbrauch und weniger Kohlendioxidemissionen bei der Entwicklung neuer Fahrzeuge gerecht zu werden. Der Trend, höchstfeste Werkstoffe in innovativen Karosseriekonzepten einzusetzen, ist ungebrochen. Für die Herstellung entsprechender Bauteile sind das Presshärten oder Warmumformverfahren bestens geeignet. Dafür wurden am Fraunhofer IWU verschiedene Kühlkonzepte im Umformwerkzeug untersucht und Versuche sowohl mit gekühltem als auch mit beheiztem Werkzeug durchgeführt. Mit der Einführung der Temperatur als aktiven Prozessparameter lassen sich umformtechnische Grenzen verschieben und die Taktzeit verringern. Die thermische Prozessführung ermöglicht in Verbindung mit der wirkmedienbasierten Umformung die Herstellung hochkomplexer, flanschloser Profilbauteile, welche die Vorteile geschlossener Profile mit den Festigkeitseigenschaften pressgehärteter Bauteile vereinen. Ein weiterer Vorteil der temperaturunterstützten, wirkmedienbasierten Umformung ist die Verkürzung der Prozesskette sowie eine wirtschaftlichere Fertigung. Dies konnte in einem durch die Sächsische Aufbaubank (SAB) gefördertes Projekt nachgewiesen werden. Der Einsatz pressgehärteter Bauteile erzielt bei einem Mittelklassefahrzeug eine Gewichtseinsparung von bis zu 20 kg. Durch das innovative Temperaturmanagement im Umformwerkzeug bestehen sehr gute Voraussetzungen für die Serienanwendung der Technologie, auch hinsichtlich erreichbarer Zykluszeiten und der Robustheit der Umformprozesse. Die untersuchten Bauteile und Werkstoffe repräsentieren ein breites Anwendungspotenzial, begleitende Wirtschaftlichkeitsberechnungen erwiesen sich als vielversprechend.

Die Erzeugung von Belchdurchzügen (Kragen) an Rohren und Profilen wird derzeitig ausschließlich mit Stempel und Matrize realisiert. Jedoch stößt das Verfahren bei Halbzeugen mit ungünstigem Längen-Durchmesser Verhältnis sowie gekrümmten Bauteilen, bedingt durch die Positionierung der Matrize im Inneren des bauteils, an seine Verfahrensgrenzen. Aus diesem Grunde wurde am Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik ein Verfahren entwickelt, bei dem mit Hilfe des Innenhochdruck-Umformens (IHU) Blechdurchzüge ohne Matrize hergestellt werden können.