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Das Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik (IWU) in Chemnitz hat ein weiterentwickeltes Verfahren zur Hochdruckblechumformung vorgestellt. Die sogenannte passive Hochdruckblechumformung (HBU) erreicht erstmals 60 Fertigungstakte pro Minute bei der Herstellung von Bipolarplatten. Bisher waren bei vergleichbaren Prozessen maximal 6 bis 8 Takte pro Minute möglich.
Das Problem mit der klassischen Hochdruckumformung
Bei der konventionellen Hochdruckblechumformung laufen die Prozessschritte nacheinander ab. Presse öffnen und schließen, Schließkraftaufbau und eigentliches Umformen folgen sequenziell aufeinander. Das kostet Zeit. Selbst bei der Verarbeitung von Endlosblech vom Coil waren bislang nicht mehr als 6 bis 8 Takte pro Minute erreichbar. Klassische Blechumformverfahren wie das Tiefziehen arbeiten schneller. Die Hochdruckumformung hatte damit einen strukturellen Geschwindigkeitsnachteil.
Passive HBU: Druck entsteht direkt im Werkzeug
Das Fraunhofer IWU hat den Prozessablauf grundlegend neu konstruiert. Bei der passiven HBU wird der Umformdruck nicht von einer externen Hochdruck-Wasserhydraulik erzeugt. Stattdessen sitzt ein Hydraulikzylinder direkt im Werkzeug. Wenn die Presse schließt, baut die Schließkraft automatisch den erforderlichen Fluiddruck auf. Die Prozessschritte laufen damit parallel statt nacheinander ab.
Ein wesentlicher praktischer Vorteil: Es lassen sich Standardpressen verwenden. Eine separate Hochdruckhydraulikanlage entfällt. In Kombination mit einer Coil-Fertigung erreicht das Verfahren 60 Takte pro Minute. Das entspricht einer Vervielfachung der Produktionsgeschwindigkeit gegenüber dem bisherigen Stand.
Anwendungsfelder über Brennstoffzellen hinaus
Das IWU erforscht die passive HBU primär für die Herstellung von Bipolarplatten, die in Brennstoffzellen und Elektrolyseuren eingesetzt werden. Das Verfahren ist jedoch auf weitere Bauteile übertragbar. Denkbar sind Smartphone-Gehäuse oder kleinere Blechbauteile, die heute durch Stanzen hergestellt werden. Preiswertere Werkzeuge sollen die wirtschaftliche Serienproduktion auch für diese Segmente ermöglichen.
Gegenüber klassischen Prozessen erlaubt das Verfahren eine höhere Formfreiheit. Das Fluid drückt das Blech gleichmäßig an die Werkzeugkontur, was zu besserer Oberflächenqualität und einer konstanteren Materialdickenverteilung führt.
Hybridbauteile: Hydroforming trifft Fließpressen
Parallel zur passiven HBU hat das Fraunhofer IWU eine zweite Prozessintegration entwickelt. Ziel ist die wirtschaftlichere Herstellung von Metall-Kunststoff-Hybridbauteilen. Solche Bauteile sind weit verbreitet: in Cockpitquerträgern und Frontendträgern in der Automobilindustrie, aber auch in Möbelfüßen oder Konsumgütern.
Bisher basiert die Herstellung dieser Hybride oft auf einer Kombination aus Innenhochdruckumformen (IHU) und Spritzgießen. Diese Kombination erfordert hohe Investitionen in Anlagentechnik und Werkzeuge. Kleine und mittlere Unternehmen können diese Investitionen häufig nicht stemmen.
Weniger Anlagentechnik, gleiche Geometriefreiheit
Das IWU hat gemeinsam mit der TU Chemnitz, dem Spritzgießer Schicktanz GmbH, dem Pressenhersteller IWC Engineering GmbH und dem Industriedesigner Felix Monza einen alternativen Weg entwickelt. Das neue Verfahren kombiniert Hydroforming von Rohren mit gleichzeitigem Fließpressen von Kunststoffkomponenten.
Der Unterschied zur bisherigen IHU-Spritzguss-Kombination: Der Kunststoff wird nicht im Prozess eingespritzt, sondern als vorgeformtes Halbzeug ins Werkzeug eingelegt. Damit entfällt das Spritzgussaggregat vollständig. Auch die aufwändige Kopplung zweier Anlagen ist nicht mehr notwendig.
Im Prozess werden Metallrohr und Kunststoffkomponenten gemeinsam erwärmt und in ein temperiertes Werkzeug eingelegt. Beim Umformen des Metallrohrs durch Innendruck wird gleichzeitig das Kunststoffelement in die Form gepresst. Für komplexe Geometrien lassen sich Werkzeugschieber zur Steuerung des Materialflusses einsetzen. Gewindeinserts und weitere Anbauteile können integriert werden. Die Prozessführung entspricht im Wesentlichen einem klassischen IHU-Prozess, erfordert aber deutlich weniger Anlagentechnik.
Einordnung
Die passive HBU versiebenfacht die erreichbare Taktrate gegenüber bisherigen Hochdruckverfahren. Die Hydroforming-Fließpress-Kombination öffnet die Hybridbauteilfertigung für Betriebe, die bisher nicht die Mittel für eine vollständige IHU-Spritzguss-Anlage aufbringen konnten. Beide Verfahren weiten den wirtschaftlichen Einsatzbereich der Hochdruckumformung in der Automobil- und Elektronikindustrie sowie im Maschinenbau aus.
