Referenzprojekte zum Thema Werkzeug- und Formenbau

Im InnoCaT®-Teilprojekt »2.1.5 Kleine Stückzahlen« wurde eine Fertigungsmethode für einen Sitzquerträger entwickelt, bei der über kleine Änderungen am Bauteildesign ein erheblicher Teil der Werkzeugkosten eingespart werden kann. Mehrstufige Umformwerkzeuge wurden auf eine einzelne Stufe reduziert, die restliche Bearbeitung erfolgt mit Blechbearbeitungssystemen in Stanz-Biege-Füge-Fertigung. Das Werkzeugmaterial wurde stark reduziert und der Blechausnutzungsgrad erhöht.

Neue Motorenkonzepte versprechen Verbesserungen in Drehmoment, Leistung und Wirkungsgrad – Fortschritte, die zu hohen thermomechanischen Beanspruchungen speziell der Leichtbaukomponenten führen. Grundmotor besteht aus dem Zylinderkurbelgehäuse und einer unterhalb angelagerten Lagertraverse. Diese wird aus einer Aluminiumlegierung im Druckgießverfahren hergestellt. Dabei können lokale Gas- und Erstarrungsporositäten auftreten, welche die Bauteilqualiät wesentlich beeinträchtigen. Durch die Anwendung der konturnahen Kühlung wird der wesentliche Ausschussfaktor, der Porositätsanteil, im Bereich Ölfiltertopf deutlich reduziert. Dadurch werden die Herstellkosten gesenkt und die Zykluszeit minimiert.

Für die Herstellung von Karosseriebauteilen aus hochfestem Stahl wird das Presshärten eingesetzt. Da der Aufbau eines Presshärtwerkzeugs sehr komplex ist, ist die gezielte Temperierung einzelner Bereiche nur sehr aufwändig und eingeschränkt realisierbar. Daraus resultieren ein hoher Energieeinsatz für das Kühlmedium und lange Zykluszeiten. Durch die generative Fertigung von Werkzeugeinsätzen mit optimiertem Kühlsystem konnte die Kühlzeit um 50 Prozent reduziert werden. Dies entspricht einer Gesamtzykluszeitreduzierung von 20 Prozent und einer Energieeinsparung von 248 MWh pro Jahr im Presswerk.

Auf der Basis einer umfassenden Analyse der Fehlereinflüsse entlang der Prozesskette »Mechanische Bearbeitung« können Aussagen zur Arbeitsgenauigkeit von Werkzeugmaschinen unter verschiedenen Prozess- und Umgebungsbedingungen getroffen werden. Die Analyse dient u.a. Anwendern als Ausgangspunkt für Verbesserungen bei der Fertigung von Werkzeugen, beispielsweise können durch die Optimierung dynamischer Eigenschaften der Bearbeitungsmaschine Zeiteinsparungen von bis zu 20 % erreicht werden.

Für die Herstellung des Beckenbodenauslaufs wurde angesichts der Formkomplexität und der zu erwartenden geringen Stückzahlen das Verfahren der Innenhochdruck-Blechumformung eingesetzt. Dieses ermöglicht gegenüber konventionellen Verfahren eine deutliche Kostenreduzierung. Bei der Herstellung des Bauteils gelang es schließlich, den Materialverbrauch und vor allem die erforderliche Ziehtiefe zu minimieren.

Fernseherrahmen sollen auch Wärme ableiten, weshalb zunehmend Aluminiumlegierungen eingesetzt werden. Aus Gründen der Ressourceneffizienz und Wirtschaftlichkeit sollten im Projekt mehrere Rahmengrößen mittels Innenhochdruck-Blechumformung gleichzeitig aus einer Blechplatine geformt werden. Geringe Abstände zwischen den Rahmen und kleine Eckenradien führen dabei zu einer starken Dehnung einzelner Bereiche des Bleches. Diese waren auch mit einer reinen Warmumformung nicht zu erzielen, daher wurde der Einsatz von Materialien mit superplastischen Eigenschaften (temperatur-stabiles, feinkörniges Gefüge) erfolgreich untersucht.

Beim Hochgeschwindigkeitsscherschneiden können in der Schneidzone Temperaturen von über 600 °C auftreten, welche zu Zugspannungen beim Stempelrückzug führen können und somit die zulässige Zugfestigkeit des Werkzeugwerkstoffes überstiegen wird. Durch die Entwicklung angepasster Aktivteilbeschichtungen kann dies verhindert werden. Forschende am Fraunhofer IWU führten dazu u.a. bereits erfolgreiche Schichthaftungsversuche mittels Aktivteil-Dummies durch, wodurch bspw. konkrete Handlungsempfehlungen hinsichtlich der Werkzeugfertigung abgeleitet werden können.

Im Forschungsvorhaben Scan2MEX soll die Automatisierbarkeit der Additiven Fertigung für den großskaligen 3D-Druck mit etablierten und neuartigen Extrusionsverfahren für Kunststoff ermöglicht werden. Die Automatisierbarkeit der Prozesskette zielt darauf, die Planungszeit vom Modell bis zum Start eines qualitativ hochwertigen Bauteils auf max. eine Stunde zu verkürzen.

Grund für das Auftreten von Rissen während des Scherschneid-Kragenzieh-Prozesses sind stochastische Schwankungen durch Blechdickenunterschiede oder Werkzeugverschleiß. Diese Schwankungen können derzeit kaum oder nur bedingt bei der Prozessauslegung berücksichtigt werden. Das Projekt Data4Collar will durch die Entwicklung übertragbaren Wissens eine robuste Gestaltung der Werkzeugwirkflächen ermöglichen.

Die Herstellung von Metall-Kunststoff-Hybridbauteilen ist immer noch sehr arbeits- und kostenintensiv. Innerhalb des Bundesexzellenzclusters »MERGE« wurde ein einstufiger Prozess entwickelt, der die Herstellung von Hybridkomponenten zu niedrigen Preisen ermöglicht. Das neuartige Konzept kombiniert die Verfahren Tiefziehen und Spritzgießen, wobei eine gleichzeitige Umformung mit der Kunststoffschmelze erfolgt.