Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Alternativer Werkstoff Holz spart Werkzeugkosten für die Blechumformung

04.09.2008
Die Produktkosten für Blechbauteile sind stark von den geplanten Absatzstückzahlen abhängig. Bei kleinen und mittleren Serien wirken sich die Herstellkosten der klassischen Umformwerkzeuge sehr stark auf die Bauteilpreise aus. Die Reduktion der Kosten von Umformwerkzeugen durch die Substitution herkömmlicher Werkzeugwerkstoffe durch alternative Werkstoffe ist ein Forschungsansatz, den die TU in Graz verfolgt.

Um das strategische Ziel – die Erschließung neuer Marktsegmente – verwirklichen zu können, müssen seitens der OEMs und der Zulieferindustrie neue und innovative Fertigungskonzepte entwickelt werden. Speziell für die kleineren und mittleren Stückzahlen wurde in der Vergangenheit eine Vielzahl an alternativen Umformverfahren entwickelt.

Hierbei unterscheidet man zwischen den konventionellen Umformverfahren, wie dem klassischen Tiefziehen, und den wirkmedienbasierten Verfahren, bei denen nur eine formgebende Werkzeughälfte gefertigt werden muss. Bei den konventionellen Verfahren kann zum einen beim konstruktiven Aufbau der Werkzeuge und zum anderen bei den verwendeten Werkzeugwerkstoffen gespart werden.

Speziell im Prototypenbau wurde schon des Öfteren auf nicht alltägliche Werkzeugwerkstoffe zurückgegriffen. Werkstoffe wie beispielsweise Beton, verschiedenste Kunststoffe sowie auch Keramiken wurden auf deren Einsatztauglichkeit als Werkzeugwerkstoff untersucht.

Die Gesamtkostenreduktion von Umformwerkzeugen durch die Substitution der herkömmlichen Werkzeugwerkstoffe durch alternative Werkstoffe ist das Ziel der Forschungsarbeiten am Institut für Werkzeugtechnik & Spanlose Produktion der Technischen Universität Graz. Im Zuge dieses Vorhabens wurde in einer interdisziplinären Zusammenarbeit mit dem Institut für Holzbau und Holztechnologie die Eignung des nachwachsenden und umweltfreundlichen Rohstoffes Holz als Alternative zu den herkömmlichen Werkzeugwerkstoffen untersucht.

Laubhölzer eignen sich sehr gut für die Blechumformung

In Mitteleuropa wird Holz – entgegen der oftmals geäußerten und publizierten Ansicht – nachhaltig genutzt. Das heißt: Es werden nur rund 60% des jährlichen Zuwachses einer wirtschaftlichen Verwertung zugeführt [1]. Dies trifft insbesondere auf Laubhölzer zu, welche sich für den Einsatz im angesprochenen Projekt sehr gut eignen.

So weist zum Beispiel die letzte österreichische Waldinventur einen Zuwachs dieser Holzarten von rund 15% aus. Insofern gilt es auch auf der Seite der Forst- und Holzwirtschaft als Aufgabe, diesen Holzarten neue Anwendungsgebiete zu erschließen.

Holz weist wegen des optimierten Aufbaus in Bezug auf die Anforderungen des Lebewesens Baum anisotrope Eigenschaften auf, das heißt, die mechanisch-technologischen Eigenschaften in den verschiedenen Beanspruchungsrichtungen – längs, radial und tangential zur Stammrichtung – sind unterschiedlich groß. Holz reagiert auf die umgebenden Feuchtebedingungen durch Volumensveränderungen und behält relativ konstante Eigenschaften bis zu einem Temperaturbereich von rund 75 °C. Auf Grund seines strukturellen Aufbaues ist weiterhin von einer unterschiedlichen Härte der einzelnen Holzarten auszugehen.

Einheimische Holzart für Umformwerkzeuge geeignet

Auf Grund des für den Einsatz in Umformverfahren erforderlichen Einsatzprofiles und der genannten generellen Eigenschaften von Holz bietet sich die (einheimische) Holzart Robinie (lat.: Robinia pseudoacacia) besonders für eine Verwendung an. Diese ursprünglich aus Amerika stammende Baum- und Holzart ist mittlerweile in Europa, insbesondere in Ungarn und der Slowakei, aber auch in den östlichen Teilen Österreichs bestandsbildend.

Robinienholz besitzt, bei einem bestmöglichen Verhältnis der Eigenschaften in Faserlängs- beziehungsweise -querrichtung, exzellente Steifigkeits- und Festigkeitskenngrößen, welche für den beabsichtigten Einsatzzweck neben der sehr großen Härte von essenzieller Wichtigkeit sind. Nebenbei sei erwähnt, dass Robinienholz über eine sehr hohe Dauerhaftigkeit verfügt, wodurch auch die Verwendung in besonders feuchtebeanspruchten Bereichen ohne besondere Vorkehrungen möglich ist.

Stahlstempel zum Umformen wird durch Robinienholz ersetzt

Um das Verhalten dieses Werkstoffes unter Lasteinwirkung analysieren zu können, wurde ein Konzept für die ersten Blechumformversuche erarbeitet. Ziel dieser Versuche war es, die möglichen Grenzen in Bezug auf die Ausformbarkeit kleinster Radien zu ermitteln sowie Aussagen über den Oberflächenverschleiß und die Standfestigkeit des Werkzeuges nach einer bestimmten Hubzahl treffen zu können. Dazu wurde eine Geometrie gewählt, die sowohl kleine wie auch große Radien aufweist und des Weiteren eine geeignete Ziehtiefe besitzt.

Als erstes Testwerkzeug wurde ein bereits bestehendes Prototypen- und Versuchswerkzeugs gewählt, bei dem der Stahlstempel durch einen aus Robinie gefertigten Stempel substituiert und die Matrize aus Stahl belassen wurde. Als Halbzeuge für die Fertigung des Stempels kamen Blöcke aus orthogonal zu ihrer Faserrichtung angeordneten 4,5 mm dicken Robinienfurnieren zum Einsatz. Hierdurch wurde eine bestmögliche Homogenisierung der mechanischen Eigenschaften erreicht.

Spezielle Verarbeitung hält Materialspannung gering

Um die Eigenspannungen des Grundmaterials möglichst niedrig zu halten, kamen gedämpfte Robinienfurniere zum Einsatz. Die Verklebung erfolgte mit einem handelsüblichen PU-Klebstoff. Mit einer Bearbeitungszeit von drei Stunden wurde die gesamte Stempelgeometrie auf einer Holzbearbeitungs-CNC-Fräsmaschine aus dem vorbereiteten Robinienblock gefertigt.

Im Vergleich dazu würde man für die Bearbeitung eines solchen Stempels aus Stahl zirka zwei Arbeitstage benötigen. Mittels Epoxydharz wurden auf der Unterseite des Stempels Gewindebuchsen verklebt, um zum einen eine genaue Positionierung im Tiefziehwerkzeug zu ermöglichen und zum anderen ein mögliches Verrutschen oder Abheben des Stempels zu verhindern.

Hohe Oberflächenqualität bei konventionellem Tiefziehstahl

Als umzuformender Werkstoff wurde ein konventioneller Tiefziehstahl mit einer mittleren Festigkeit von etwa 280 MPa gewählt. Durch eine Versuchsreihe mit 200 umgeformten Bauteilen konnte die grundsätzliche Machbarkeit des Verfahrens nachgewiesen werden. Hervorzuheben ist die hohe Oberflächenqualität der Bauteile, so dass dieses Verfahren insbesondere für Außenhautbauteile geeignet erscheint.

Ein erhöhter Verschleiß zeigt sich in Bereichen von kleinen Radien (3 bis 5 mm), da hier die zulässigen Flächenpressungen des Holzwerkstoffs überschritten werden. Ein Lösungsansatz besteht in der Verwendung von Stahleinsätzen in diesen hochbeanspruchten Werkzeugbereichen.

Falten führen zu Abdrücken im Umformwerkzeug

Ein weiterer hoher Belastungsfall ergibt sich durch die Ausbildung von Falten 2-ter Ordnung. Diese Falten führten zu Abdrücken im Holzwerkstoff. Auch dieses könnte durch den Einsatz von Stahlinlets verhindert werden, sofern sich Falten 2-ter Ordnung nicht grundsätzlich durch die Auslegung der Ankonstruktion bei Strukturbauteilen verhindern lassen. In den großflächigen Bereichen konnte ein sehr gutes Ergebnis in Bezug auf Oberflächenqualität erzielt werden.

Speziell im Bereich der kleinen Serien bietet diese Art der Werkzeugtechnik für großflächige Bauteile zahlreiche Vorteile. Daher wird die Zusammenarbeit der beiden Institute auf diesem Gebiet in Zukunft noch stärker forciert, um das beschriebene Verfahren stetig weiterzuentwickeln.

Literatur:

[1] Republik Österreich, Ministerium für Land- und Forstwirtschaft, Umwelt und Wasserwirtschaft: „Nachhaltige Landwirtschaft in Österreich – Österreichischer Waldbericht 2008“. Wien, 2008, S. 29.

Univ.-Prof. Dr.-Ing. Ralf Kolleck ist Leiter des Instituts Tools & Forming, Member of Frank Stronach Institute an der TU Graz; Dipl.-Ing. Christian Koroschetz ist dort wissenschaftlicher Assistent, 8010 Graz (Österreich), Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. techn. Gerhard Schickhofer ist Leiter des Instituts für Holzbau und Holztechnologie an der TU Graz, Dipl.-Ing. Manfred Augustin ist dort wissenschaftlicher Assistent.

Ralf Kolleck und andere | MM MaschinenMarkt
Weitere Informationen:
http://www.maschinenmarkt.vogel.de/index.cfm?pid=1489&pk=142940

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Maschinenbau:

nachricht TU Chemnitz präsentiert weltweit einzigartige Pilotanlage für nachhaltigen Leichtbau
28.04.2017 | Technische Universität Chemnitz

nachricht Induktive Lötprozesse von eldec: Schneller, präziser und sparsamer verlöten
27.04.2017 | EMAG eldec Induction GmbH

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Maschinenbau >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: TU Chemnitz präsentiert weltweit einzigartige Pilotanlage für nachhaltigen Leichtbau

Wickelprinzip umgekehrt: Orbitalwickeltechnologie soll neue Maßstäbe in der großserientauglichen Fertigung komplexer Strukturbauteile setzen

Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter des Bundesexzellenzclusters „Technologiefusion für multifunktionale Leichtbaustrukturen" (MERGE) und des Instituts für...

Im Focus: Smart Wireless Solutions: EU-Großprojekt „DEWI“ liefert Innovationen für eine drahtlose Zukunft

58 europäische Industrie- und Forschungspartner aus 11 Ländern forschten unter der Leitung des VIRTUAL VEHICLE drei Jahre lang, um Europas führende Position im Bereich Embedded Systems und dem Internet of Things zu stärken. Die Ergebnisse von DEWI (Dependable Embedded Wireless Infrastructure) wurden heute in Graz präsentiert. Zu sehen war eine Fülle verschiedenster Anwendungen drahtloser Sensornetzwerke und drahtloser Kommunikation – von einer Forschungsrakete über Demonstratoren zur Gebäude-, Fahrzeug- oder Eisenbahntechnik bis hin zu einem voll vernetzten LKW.

Was vor wenigen Jahren noch nach Science-Fiction geklungen hätte, ist in seinem Ansatz bereits Wirklichkeit und wird in Zukunft selbstverständlicher Teil...

Im Focus: Weltweit einzigartiger Windkanal im Leipziger Wolkenlabor hat Betrieb aufgenommen

Am Leibniz-Institut für Troposphärenforschung (TROPOS) ist am Dienstag eine weltweit einzigartige Anlage in Betrieb genommen worden, mit der die Einflüsse von Turbulenzen auf Wolkenprozesse unter präzise einstellbaren Versuchsbedingungen untersucht werden können. Der neue Windkanal ist Teil des Leipziger Wolkenlabors, in dem seit 2006 verschiedenste Wolkenprozesse simuliert werden. Unter Laborbedingungen wurden z.B. das Entstehen und Gefrieren von Wolken nachgestellt. Wie stark Luftverwirbelungen diese Prozesse beeinflussen, konnte bisher noch nicht untersucht werden. Deshalb entstand in den letzten Jahren eine ergänzende Anlage für rund eine Million Euro.

Die von dieser Anlage zu erwarteten neuen Erkenntnisse sind wichtig für das Verständnis von Wetter und Klima, wie etwa die Bildung von Niederschlag und die...

Im Focus: Nanoskopie auf dem Chip: Mikroskopie in HD-Qualität

Neue Erfindung der Universitäten Bielefeld und Tromsø (Norwegen)

Physiker der Universität Bielefeld und der norwegischen Universität Tromsø haben einen Chip entwickelt, der super-auflösende Lichtmikroskopie, auch...

Im Focus: Löschbare Tinte für den 3-D-Druck

Im 3-D-Druckverfahren durch Direktes Laserschreiben können Mikrometer-große Strukturen mit genau definierten Eigenschaften geschrieben werden. Forscher des Karlsruher Institus für Technologie (KIT) haben ein Verfahren entwickelt, durch das sich die 3-D-Tinte für die Drucker wieder ‚wegwischen‘ lässt. Die bis zu hundert Nanometer kleinen Strukturen lassen sich dadurch wiederholt auflösen und neu schreiben - ein Nanometer entspricht einem millionstel Millimeter. Die Entwicklung eröffnet der 3-D-Fertigungstechnik vielfältige neue Anwendungen, zum Beispiel in der Biologie oder Materialentwicklung.

Beim Direkten Laserschreiben erzeugt ein computergesteuerter, fokussierter Laserstrahl in einem Fotolack wie ein Stift die Struktur. „Eine Tinte zu entwickeln,...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Internationaler Tag der Immunologie - 29. April 2017

28.04.2017 | Veranstaltungen

Kampf gegen multiresistente Tuberkulose – InfectoGnostics trifft MYCO-NET²-Partner in Peru

28.04.2017 | Veranstaltungen

123. Internistenkongress: Traumata, Sprachbarrieren, Infektionen und Bürokratie – Herausforderungen

27.04.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Über zwei Millionen für bessere Bordnetze

28.04.2017 | Förderungen Preise

Symbiose-Bakterien: Vom blinden Passagier zum Leibwächter des Wollkäfers

28.04.2017 | Biowissenschaften Chemie

Wie Pflanzen ihre Zucker leitenden Gewebe bilden

28.04.2017 | Biowissenschaften Chemie