Erfolgreiche Forschung bei Hydro-Druckblechumformung

Die Hydro-Umformung ist ein Verfahren, bei dem hoher Flüssigkeitsdruck genutzt wird, um Bleche oder Rohre in die gewünschte Form zu bringen. Statt eines zweiten starren Werkzeugs übernimmt eine Flüssigkeit die Kraftübertragung. Chemnitzer Forschenden ist es nun gelungen, bei der Hochdruckblechumformung (HBU) die Fertigungszeiten durch geschickte Prozessintegration erheblich zu verkürzen – statt bislang höchstens 8 sind nun 60 Takte pro Minute »drin«. Ein weiterer Coup des IWU-Teams: Durch die Kombination von Hydro-Umformung und Fließpressen lassen sich hybride Metall-Kunststoff-Verbundbauteile wesentlich einfacher herstellen als bisher.

Die Taktzeiten sind bei der konventionellen Hochdruckblechumformung üblicherweise länger als bei klassischen Blechumformprozessen wie dem Tiefziehen. Auch bei der Verarbeitung von Endlosblechen vom Coil sind meist nur 6 bis 8 Takte pro Minute möglich. Dies liegt vor allem daran, dass die Prozessschritte »Presse öffnen und schließen«, »Schließkraftaufbau« und »Umformen« nacheinander ablaufen. Das Fraunhofer IWU hat mit der passiven Hochdruckblechumformung den Prozessablauf und den Werkzeugaufbau komplett neugestaltet, um die Prozessschritte parallel ablaufen zu lassen.

Bei der passiven HBU wird der Umformdruck direkt im Werkzeug erzeugt, dazu ist ein Hydraulikzylinder in das Werkzeug integriert. Beim Schließen der Presse baut die Pressenschließkraft automatisch den erforderlichen Fluiddruck auf. Dabei können Standardpressen eingesetzt werden, es ist keine separate Hochdruck-Wasserhydraulik erforderlich. In Kombination mit einer Fertigung vom Coil gelangen so erstmals 60 Fertigungstakte pro Minute bei der Fertigung von Bipolarplatten.

Am Fraunhofer IWU wird die passive HBU für die Herstellung von Bipolarplatten in Brennstoffzellen und Elektrolyseuren erforscht. Das nun weiterentwickelte Verfahren ist jedoch auch für die Herstellung von Smartphone-Gehäusen denkbar, als Ersatz für oder in Kombination mit Tiefziehverfahren. Preiswerte Werkzeuge ermöglichen die wirtschaftliche Serienproduktion auch für kleinere Blechbauteile, die heute durch Stanzen hergestellt werden. Für die passive HBU sprechen außerdem eine höhere Formfreiheit, die bessere Oberflächenqualität (das Blech wird durch das Fluid gleichmäßig an die Werkzeugkontur gedrückt), eine konstante Materialdickenverteilung und nun auch besonders kurze Taktzeiten.

Zusammen unschlagbar wirtschaftlich: Hydro-Umformung und Fließpressen

Metall-Kunststoff-Hybridbauteile werden in vielen Produkten eingesetzt. In der Automobilindustrie enthalten beispielsweise die tragenden Strukturen der Instrumententafel (Cockpitquerträger) und Baugruppen im Vorderwagen (Frontendträger) Bauteile mit fest verbundenen Kunststoff- und Metallelementen. Auch bei Möbelfüßen sind häufig Metall- und Kunststoffteile miteinander verpresst.

Die Herstellung basiert heute vielfach auf einer Verfahrenskombination aus Hydroforming und Spritzgießen. Dafür müssen allerdings zwei sehr unterschiedliche Prozesse mit hohen Anforderungen an Anlagentechnik, Prozessführung und Know-how auf einer Anlage zusammengeführt werden – verbunden mit hohen Investitionen in die Anlagentechnik und die Werkzeuge. Kleine und mittlere Unternehmen können diese oftmals nicht aufbringen.

Daher hat das Fraunhofer IWU gemeinsam mit der TU Chemnitz, dem Spritzgießer Schicktanz GmbH, dem Hersteller von Leichtbau-Hydroforming-Pressen IWC Engineering GmbH und dem Industriedesigner Felix Monza eine neue Verfahrenskombination aus Hydroforming von Rohren und gleichzeitigem Fließpressen von Kunststoffkomponenten entwickelt.

Der wesentliche Unterschied zur Kombinationstechnologie aus Innenhochdruckumformen (IHU) und Kunststoff-Spritzgießen ist, dass der Kunststoff bereits als extrudiertes oder spritzgegossenes Halbzeug ins Werkzeug eingelegt und im Prozess nur umgeformt wird. Dadurch kann auf ein Spritzgussaggregat und auf eine aufwändige Anlagenkopplung verzichtet werden.

Im neu entwickelten Prozess werden das Metallrohr und die thermoplastische(n) Kunststoffkomponente(n) gemeinsam erwärmt und in ein ebenfalls temperiertes Werkzeug eingelegt. Bei der Umformung des Metallrohres mittels Innendruck wird gleichzeitig auch das Kunststoffelement in die Form gepresst.

Sind bei dem Polymer komplexe Geometrien gefragt, können Werkzeugschieber zur Steuerung des Materialflusses sowie entsprechend vorgeformte Spritzgussbauteile eingesetzt werden. Auch die Integration zusätzlicher Bauteile (z. B. Gewindeinserts) ist möglich. Nach dem Abkühlen können diese aus dem Werkzeug entnommen werden. Die Prozessführung entspricht dabei im Wesentlichen einem klassischen IHU-Prozess. Als Wirkmedium für die Umformung kommt aufgrund der Werkzeug- und Bauteiltemperaturen gasförmiger Stickstoff zum Einsatz.

Fachforum für Rohr-, Profil- und Hydroformtechnologien in Chemnitz

Bei beiden neu entwickelten Verfahren ist es gelungen, die bisherigen Umformprozesse zu vereinfachen, zu beschleunigen und somit kostengünstiger zu gestalten. Diese und weitere Innovationen in der Rohrfertigung, der Weiterverarbeitung und dem Hydroforming sind auf dem Fachforum für Rohr-, Profil- und Hydroformtechnologien am 30. September und 1. Oktober 2026 live zu sehen.

(Quelle: Fraunhofer IWU)