Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Entwicklung neuer Werkzeuglösungen für die roboterbasierte inkrementelle Umformung von Durchzügen

Durchzüge sind wichtige Funktionselemente in der Struktur moderner Blechbauteile. Für die Herstellung von Durchzügen werden in der Serienfertigung formgebundene Werkzeuge (WZ) verwendet, die eine beidseitige Zugänglichkeit erfordern. Neben dem werkzeuggebundenen Kragenziehen können Durchzüge mittels inkrementeller Blechumformung (IBU) hergestellt werden. Die IBU nutzt generische Werkzeuge und bietet hierdurch Vorteile, wie z. B. eine signifikante Reduzierungen des WZ-Einsatzes und der Prozesskräfte sowie Erweiterungen der Grenzformänderung. Die IBU erlaubt die Fertigung von Durchzügen bei einseitiger Zugänglichkeit und ermöglicht höhere Aufweitungsverhältnisse. Ein Nachteil der IBU ist die hohe Prozesszeit, die bislang den Einsatz der IBU auf Kleinserien einschränkt. Im Vorhaben wird die Entwicklung eines inkrementellen Kragenziehprozesses mit schnell rotierenden WZ angestrebt, der kurze Prozesszeiten, die Integration von Fräsoperationen zur Vorlochherstellung und eine flexible Fertigung bei einseitiger Zugänglichkeit ermöglichen soll. Der Antrag beschreibt die Entwicklung neuer WZ-Konzepte sowie entsprechender Prozesse für das roboterbasierte Kragenziehen. Der Einsatz von Industrierobotern (IR) ermöglicht die Flexibilisierung der Fertigung und somit eine wirtschaftliche Bearbeitung komplexer Bauteile bei geringer Stückzahl. Durch die Integration modularer WZ im Endeffektor ist die roboterbasierte Fertigung von Durchzügen bei einseitiger Zugänglichkeit am Bauteil möglich. Die Flexibilität von IR bietet Potenzial beim Einsatz in der Fertigung, sodass dem stetigen Anstieg der Produktvielfalt bis hin zur Losgröße „Eins“ hierdurch begegnet werden kann. Die Vorteile der zu entwickelnden Lösung resultieren aus der Kostenersparnis beim Einsatz günstiger IR im Vergleich zu teuren WZ-Maschinen und der reduzierten Werkzeugbindung und somit erhöhter Flexibilität. Da IR gegenwärtig in vielen KMU bereits eingesetzt werden, ist eine „sofortige“ industrielle Umsetzung möglich.

Ergebniszusammenfassung:

In diesem Projekt wurde die Entwicklung neuer Lösungen für inkrementelle Kragenziehoperationen durch den Einsatz von Industrierobotern (IR) realisiert. Dadurch ist es möglich, komplexe Kragengeometrien an schwer zugänglichen Positionen herzustellen. Zur Erforschung der Möglichkeiten und Grenzen des Verfahrens werden experimentelle Grundlagenversuche und begleitende Simulationsberechnungen durchgeführt. Dabei erhöht der Einsatz von IR im Bereich der Blechumformung die Prozessflexibilität aufgrund der zusätzlichen Freiheitsgrade. Die Kinematik von IR erlaubt eine freie Ausrichtung des Werkzeugs, sodass Werkzeug und Probe in jedem gewünschten Winkel in Kontakt kommen können. In Kombination mit dem großen zur Verfügung stehenden Arbeitsraum können Umformoperationen ermöglicht werden, die mit konventionellen Verfahren und CNC-Maschinen nicht realisiert werden können. Durch die weitgehend formunabhängige Kragenerstellung kann darüber hinaus mit einer deutlichen Senkung der Werkzeugkosten gerechnet werden. Zur Kompensation der elastischen Werkzeugabdrängungen, als Folge der geringen Robotersteifigkeit sowie der wirkenden Prozesskräfte, wurde eine datenbasierte Kompensationsstrategie erarbeitet und untersucht. Die erweiterten Prozessgrenzen konnten an Demonstratoren und einem Anwendungsbeispiel eindrücklich dargestellt werden.

Darüber hinaus wurde ein neuartiges Verfahren zur Umformung mit rotierendem Spaten entwickelt und insbesondere die Wärmeentwicklung durch Reibung in Korrelation mit den Fertigungsparametern Drehzahl und Vorschub untersucht. Das neuartige Verfahren zeigt ein großes Potenzial insbesondere für im Kalten schwer umformbare Werkstoffe. Die Anwendungsmöglichkeiten von inkrementeller Umformung mit IR wurden abschließend durch die Einbringung eines Kragens in eine mögliche Kotflügelverstärkung aufgezeigt.