Umformung

Wie läuft der Umformungsprozess ab?

Umformoperationen werden im Allgemeinen nach den Unterschieden in der effektiven Belastung klassifiziert. Das Druckumformen nutzt eine ein- oder mehrachsige Druckbelastung aus und umfasst Verfahren wie:

• - Walzen, bei dem das Material durch ein Walzenpaar läuft,
• - Strangpressen, bei der das Material durch eine formgebende Öffnung gepresst wird,
• - Gesenkschmieden, bei dem eine Presse das Material um oder auf eine Pressform stanzt,
• - Schmieden, bei dem das Material durch eingegrenzte Druckkräfte geformt wird
• - Stanzen, bei der ein Werkzeug in das Objekt gedrückt wird.

Es existieren weitere Umformverfahren, wie z.B. :

• - Zugumformung, durch ein- oder mehrachsige Zugspannungen (Dehnung, Aufweitung und Vertiefung),
• - kombinierte Zug- und Druckumformung (Tiefziehen, Ziehen durch eine Presse usw.),
• - Biegen unter Biegebelastung,
• - Scheren.

Die Umformung kann heiß (Schmieden, Stanzen, Tiefziehen...), kalt (Strangpressen, Biegen, Ziehen...) oder elektromagnetisch erfolgen.

 

Strangpressen

Strangpressen (auch “Extrusion”) bedeutet, ein Material durch Pressen mit einem mechanischen oder hydraulischen Werkzeug in Form zu bringen. Es kann heiß oder kalt, kontinuierlich oder halbkontinuierlich sein. Dieses Verfahren kann Druck- und Scherkräfte im Grundmaterial erzeugen. Während des Vorgangs erfahren die Metalllegierungen eine beträchtliche Verformung, ohne gerissen zu werden. Die Objekte erhalten durch das Strangpressen ein Querschnittsprofil und eignen sich für eine Vielzahl von Anwendungen. Einer der Haupttreiber auf dem Markt des Strangpressens ist nach wie vor die steigende Nachfrage nach verpackten, verzehrfertigen Lebensmitteln (fertige Teigwaren, Cerealien, Snack-Riegel usw.).

Aluminium ist das am häufigsten extrudierte Material, heiß oder kalt. Der Markt für Aluminium-Strangpressen wird von 2020 bis 2024 um schätzungsweise 6,76 Millionen Tonnen wachsen. Die Produkte werden in einer Vielzahl von Anwendungen genutzt, darunter unter anderem zur Bedachung von Fertiggebäuden. Das Wachstum der Automobil-, Logistik-, Pharma-, Konsumgüter- und Einzelhandelssektoren wird die Nachfrage weiter ankurbeln. Messing wird zum Strangpressen von korrosionsbeständigen Stangen, Automobilteilen, Rohrverbindungen und technischen Teilen verwendet.

 

Das Stanzverfahren

Beim Stanzen wird das Metall durch eine Presse umgeformt oder auf einer Pressform verformt. Neben der Gießform wird auch dieses Werkzeug üblicherweise an das Produkt angepasst, für dessen Herstellung es verwendet wird. Produkte, die mit Pressformen hergestellt werden, reichen von einfachen Büroklammern bis hin zu komplexen Teilen, die in fortschrittlichen Technologien eingesetzt werden.

Für die Umformung von Blechen, wie z.B. Karosserieteilen von Kraftfahrzeugen, besteht das Stanzwerkzeug aus zwei Teilen. Eines, genannt Stempel, führt den Streck-, Biege- und/oder Schneidevorgang aus. Das andere, die sogenannte Matrize, spannt das Teil fest ein und hat eine entsprechend passende Öffnung.

Der Weltmarkt für Metallstanzen wird für das Jahr 2020 auf 140.300 Millionen Dollar geschätzt und wird bis Ende 2026 eine Größenordnung von schätzungsweise 165.950 Millionen Dollar erreichen.
 

Blechumformung

 

Blech ist eines der Grundmaterialien in der Metallbearbeitung und kann in verschiedene Formen geschnitten und gebogen werden. Der Weltmarkt für Blech wurde im Jahr 2018 auf 265 Milliarden US-Dollar geschätzt und wird von 2019 bis 2025 eine CAGR von schätzungsweise 5,0% aufweisen. Unzählige Alltagsgegenstände werden aus diesem Material hergestellt: Auto- und Lastwagenkarosserien, Flugzeugrümpfe und -flügel, medizinische Tische, Gebäudedächer und vieles mehr.

Die Blechumformung kann mit einer Vielzahl von Techniken durchgeführt werden, wie z.B. :

• - Tiefziehen, bei dem das Metall auf einer Form oder Matrize gestreckt wird,
• - Dehnung, die darin besteht, abwechselnd Schlitze zu schneiden oder zu stanzen und dann die Platte ziehharmonikaförmig zu dehnen. Es ist für Anwendungen vorgesehen, bei denen Luft- und Wasserzirkulation erwünscht ist,
• - Laserschneiden, bei dem ein Laserstrahl das Material erhitzt und verbrennt, wodurch das Blech geschnitten werden kann.
• - fotochemische Bearbeitung, bei der es sich um einen streng kontrollierten Korrosionsprozess handelt. Das Ziel ist die Herstellung komplexer Metallteile mit sehr feinen Details,
• - Abkantpressen, das zur Konstruktion langer und dünner Blechobjekte verwendet wird,
• - Stanzen, das durchgeführt wird, indem das Blech zwischen einem Stempel und einer Matrize, die in einer Presse montiert sind, platziert wird.
• - Walzen, bei dem ein oder mehrere Rollenpaare die Dicke des Teils reduzieren.Die Technik wird verwendet, um die Dicke gleichmäßig zu machen,
• - Pressen,
• - Wasserstrahlschneiden zur kontrollierten Erosion in Metall oder anderen Materialien unter Verwendung eines Hochgeschwindigkeits-Hochdruckwasserstrahls oder einer Mischung aus Wasser und einem Abrasivstoff.

Die Umformung eines Materials zielt darauf ab, ihm nach Anwendung einer Reihe von spezifischen Techniken eine bestimmte Form zu geben. In der Metallurgie ermöglicht dieses Verfahren die Umformung eines Teils, ohne dass Material hinzugefügt oder entfernt werden muss. Es kann mittels verschiedener Techniken durchgeführt werden. Angesichts großer Nachfrage wird erwartet, dass der Weltmarkt für Werkzeugmaschinen für die Metallumformung bis 2026 eine Größenordnung von 48,67 Milliarden Dollar erreichen wird.

 

Die Metallumformung ermöglicht die Umformung von Teilen durch spezifische Techniken wie Strangpressen (auch Extrusion), Stanzen oder Blechumformung. Zu den am häufigsten verwendeten Metallen gehören Aluminium, Stahl und Messing. Auch Kupfer, Zinn, Blei, Magnesium, Zink und Titan werden verwendet.

Die Wahl des Materials für die Umformung hängt von der Methode ab. Je nach seinen Eigenschaften lässt sich das Material besser oder schlechter verarbeiten. Metalle mit einer höheren Streckgrenze und höherer Rückfederung (rostfreier Stahl, Baustähle, HSLA [High Strength Low Alloy]-Stähle usw.) bedeuten einen größeren Arbeitsaufwand bei der Umformung. Materialien mit niedrigerer Streckgrenze und geringerer Rückfederung (Baustahl, Aluminium, Rotmetalle wie Bronze, Messing und Kupfer usw.) erfordern im Allgemeinen weniger Arbeitsaufwand. Beispielsweise erfordert die Bearbeitung von Edelstahl unter Umständen doppelt so viel Arbeitsaufwand wie die Bearbeitung von Baustahl.

 

Aluminum

Aluminium verfügt über ein gutes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht, eine hohe thermische und elektrische Leitfähigkeit und einen natürlichen Korrosionsschutz.

Dieses Metall wird für das Strangpressen bevorzugt, sowohl heiß als auch kalt. Die Automobilindustrie setzt es in großem Umfang ein, da Aluminium zur Herstellung umweltfreundlicherer, kraftstoffeffizienterer Autos beiträgt und damit den Kohlenstoff-Fußabdruck von Unternehmen und Kunden verringert. Das Material ist leicht recyclebar und hält allen Formen von Korrosion stand, wodurch eine langfristige Haltbarkeit des Fahrzeugs gewährleistet wird.

Auch die Blechverarbeitung stützt sich in erster Linie auf dieses Material aufgrund der guten elastischen und plastischen Verformbarkeit.

 

Messing

Messing hat eine gute Zerspanbarkeit und eine ausgezeichnete elektrische Leitfähigkeit. Es ist daher ideal für Anwendungen, die eine geringe Reibung erfordern. Es wird ebenfalls in der Architektur verwendet, um aus ästhetischen Gründen goldähnliche Merkmale zu erzeugen.

Messing wird zum Extrudieren von korrosionsbeständigen Stäben, Automobilteilen, Rohrformstücken und technischen Teilen verwendet. Es wird auch für Stanzprozesse gewählt, die Metalle mit weicher bis mittlerer Härte und einem niedrigen Fließkoeffizienten erfordern.

 

Stahl

Edelstahl lässt sich leicht schweißen, bearbeiten und polieren. Er wird in großem Umfang bei Stanzprozessen verwendet. Baustahl oder kohlenstoffarmer Stahl wird für die Herstellung von Maschinenteilen, Halterungen und Spannvorrichtungen verwendet. Legierter Stahl hingegen enthält neben Kohlenstoff weitere Legierungselemente, um Härte, Zähigkeit, Ermüdungs- und Verschleißfestigkeit zu verbessern.

Während gewöhnlicher Kohlenstoffstahl für das Strangpressen bevorzugt wird, können auch legierter Stahl und Edelstahl extrudiert werden.

In der Blechumformung wird dieses Metall häufig verwendet. Im Jahr 2018 machte Stahl mit 91,7% den größten Volumenanteil des Blechmarktes aus. Die daraus hergestellten Produkte sind in der Automobil-, Bau- und Schwerindustrie (Öl und Gas) sowie in der Lebensmittel- und Chemiebranche sehr gefragt. Edelstahlblech wird für die Herstellung von Kochgeschirr und -utensilien wie Spülbecken, Grills, Herde, Töpfe und Pfannen verwendet. Es wird ebenfalls für Geschirrspüler, Arbeitsplatten, Kühlschränke und Waschmaschinen verwendet.

 

Kupfer

Kupfer kann durch Extrusion geformt werden, um z.B. Rohre, Drähte, Stangen, Röhren und Schweißelektroden herzustellen. Berylliumkupfer eignet sich auch für Stanzverfahren.

 

Zinn und Blei

Zinn und Blei werden zur Herstellung von Rohren, Drähten, Röhren und Kabelummantelungen verwendet. Geschmolzenes Blei kann auch anstelle von Bolzen auf vertikalen Strangpressen verwendet werden.

 

Magnesium

Dieses Metall kann extrudiert werden, um Flugzeugteile und Teile für die Nuklearindustrie zu erhalten. Magnesium scheint etwa so gut extrudierbar zu sein wie Aluminium. 

 

Zink

Die Zinkumformung wird zur Formgebung von Stäben, Stangen, Rohren, Beschlagteilen und Fittings in einem Extrusionsverfahren verwendet. Dieses Metall wird auch bei Stanzprozessen gewählt.

 

Titan

Titan wird extrudiert, um Flugzeugkomponenten herzustellen, darunter Sitzschienen, Triebwerksringe und andere Strukturteile.

Bei den Stanzverfahren werden Silber, Gold, Platin und Nickel ausgewählt.

 

Die Metallumformung ist eines der Verfahren, das es ermöglicht, ein Teil ohne Hinzufügen oder Entfernen von Material umzuformen. Es kann mit einer Vielzahl von Techniken durchgeführt werden. Die zunehmende Entwicklung der Hersteller hin zu einer besseren Produktivität hat in den letzten Jahren zur Einführung automatisierter Werkzeuge geführt. Die Automobil-, Luftfahrt- und Bauindustrie sind am stärksten an der Metallumformung beteiligt.

 

Die Automobilindustrie

Der Automobilsektor hat den größten Marktanteil bei Metallumformwerkzeugen für Personen-, Nutz- und Elektrofahrzeuge und hielt 2018 bereits 43,8% des Marktes. Sein Wachstum wird durch technologische Fortschritte vorangetrieben, die Leichtbaulösungen, nahtlose Konnektivität und automatisiertes Fahren bieten. Es wird erwartet, dass strikte Emissionsnormen, reduziertes Fahrzeuggewicht und die wachsende Nachfrage nach Kraftstoffeinsparungen den Markt für Metallumformung in den kommenden Jahren ankurbeln werden.

Die Innovation in dieser Branche hängt von neuen Technologien ab. Daher bleiben Software und IoT wertvolle Hilfsmittel für die Blechumformung. Beispielsweise arbeitete Audi im Jahr 2018 an der Konstruktion von Rotoren und Statoren, die in Elektromotoren verwendet werden. Die Möglichkeit, im eigenen Haus zu produzieren, führte zu Einsparungen zwischen 17,15 und 28,58 Dollar pro Motor sowie zu erheblicher Effizienz und Autonomie.

 

Die Luft- und Raumfahrtindustrie

Die Luft- und Raumfahrtindustrie benötigt häufig Teile mit hohen Toleranzen, komplexen Geometrien und geringer Dichte für Raketen sowie Flugzeuge.

Dieser Sektor nutzt die Umformung für :

• Strukturelemente und Verkleidungsplatten, von kleinen flachen bis zu großen tiefen Teilen, aus Aluminiumlegierungen, Edelstahl und Titan.
• Triebwerkskomponenten, einschließlich Stanzteile, aus hochfesten und hitzebeständigen Werkstoffen.

Die Blech-Innenhochdruckumformung wird für die ökonomische Umformung von Kleinserienteilen und Prototypenkomponenten eingesetzt. Das Stanzen bleibt aus dem gleichen Grund ein bevorzugtes Verfahren, insbesondere für die Umformung hochfester Legierungen, die für Strahltriebwerkskomponenten verwendet werden.

 

Die Konsumgüterindustrie

In diesem Sektor wird die Metallumformung für Töpfe, Dosen und Beschichtungen im Allgemeinen in großem Umfang eingesetzt.

Im Falle von Behältern muss die Blechumformung nicht nur eine standardisierte Qualität liefern, sondern auch an die jeweilige Anwendung angepasst sein. So sind einige Edelstahlsorten, wie z.B. 430, gegen milde Säuren und Laugen beständig, Salz korrodiert sie jedoch leicht. Wenn im Lebensmittelherstellungsprozess große Mengen Salz verwendet werden, ist Edelstahl 316 eine bessere Wahl. Für einige spezialisiertere Verwendungszwecke kann es auch erforderlich sein, dass Metallwannen oder -körbe eine ganz bestimmte Größe haben müssen, um einen gleichmäßigen Fit zu gewährleisten. Die Metallform muss dann beim Formen eine hohe Genauigkeit einhalten.

Heute werden virtuelle Tests durchgeführt, um die Anforderungen der kundenspezifischen Formgebung zu erfüllen. Dieser Qualitätssicherungsprozess wird innerhalb weniger Minuten durchgeführt und ermöglicht die sofortige Korrektur von Konstruktionsfehlern.