Zu den traditionellen Fertigungstechniken gehören unter anderem Umformen, Urformen (z. B. Gießen), Fügen und Trennen (z. B. Zerspanen).

Die Blechumformung ist heutzutage das kostengünstigste Umformverfahren, um Teile in großer Stückzahl zu fertigen. Sie kann stark automatisiert in Fabriken ablaufen, oder aber für die Kleinserienfertigung von Hand in Metallwerkstätten stattfinden. Es handelt sich um ein vielseitiges Verfahren mit gleichmäßigen und hochwertigen Ergebnissen. So können präzise Metallteile mit wenig Ausschuss gefertigt werden.

Beim Umformen von Metallen werden Kräfte aufgebracht, um das Material plastisch so zu verformen, dass es die gewünschte Form einnimmt, wodurch eine sehr feste und komplexe Struktur mit minimalem Materialverbrauch ermöglicht wird. Zu den Umformverfahren für Blech gehören Biegen, Drücken, Tief- und Streckziehen, was mit Form- oder Stanzwerkzeugen durchgeführt wird.

Das Blechumformverfahren ist recht einfach aufgebaut:

1. Aus einem Rohblech werden einzelne Blechzuschnitte angefertigt.
2. Der Blechzuschnitt wird zwischen zwei Formwerkzeuge in das Gerät gelegt.
3. Unter der hohen Krafteinwirkung im Gerät drückt das Oberwerkzeug das Blech in das Unterwerkzeug und biegt es so in die gewünschte Form.

Die Blechumformung ist ein ausrüstungsintensives Verfahren und erfordert Geräte und spezielle Werkzeuge, die vom gewünschten Teil abhängen. Wie oben gezeigt, ist das Formwerkzeug Teil des Geräts, welches das Blech biegt. Hersteller erhalten ihre Formwerkzeuge typischerweise, indem sie sie entweder betriebsintern durch CNC-Bearbeitung fertigen oder dies an Dienstleister auslagern. Diese anfängliche Werkzeugbestückung ist kostspielig und führt zu längeren Durchlaufzeiten.

Innovationsorientierte Branchen, die Metallkomponenten verwenden, benötigen immer detailliertere Teile und zunehmende Flexibilität bei der Herstellung. Hier bietet es sich an, die Techniken zur Werkzeugbestückung zu überdenken.

Während großformatige Teile, wie Karosserieteile, mit schwerem Gerät verbunden sind, stellen die meisten Metallwerkstätten auch zahlreiche kleinere Teile her, die geringere Biegekräfte erfordern. Wenn diese Metallwerkzeuge für die Prototypenfertigung und Produktion in geringen Stückzahlen durch betriebsintern gedruckte Kunststoffteile ersetzt werden, kann dies die Entwicklungszeit verkürzen und Produktionskosten senken. Mit betriebsinternem 3D-Druck können Ingenieure Prototypen von Metallteilen und Iterationen von Werkzeugdesigns innerhalb von Stunden anfertigen und dabei komplexe Geometrien erzielen, ohne abhängig von externen Dienstleistern zu sein. Anders als noch vor zehn Jahren sind professionelle Desktop-Drucker heute erschwinglich, einfach einzurichten und bei steigender Nachfrage gut skalierbar.

Hersteller nutzen in ihren Werken bereits SLA-Polymerkunstharze, um Halterungen, Vorrichtungen und Ersatzteile zu ersetzen. Bei Verfahren wie dem Spritzguss oder Thermoformen sind Testformen aus Kunststoff ein effektives Mittel, um Designs zu validieren und DFM-Probleme zu lösen, bevor Kosten für teure Metallformen anfallen. Kunststoff bietet gegenüber Metall eine deutliche Ersparnis bei den Materialkosten.

SLA-3D-Drucktechnologie bietet interessante Eigenschaften für die Blechumformung. Dank hoher Präzision und glatter Oberflächenbeschaffenheit können SLA-Drucker Werkzeuge mit ausgezeichneten Registermerkmalen herstellen, die wiederholbarere Ergebnisse gewährleisten. Dank einer vielseitigen Materialbibliothek mit unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften können Sie das Ergebnis der Umformung durch die Auswahl eines für den speziellen Anwendungsfall geeigneten Kunstharzes optimieren. SLA-Kunstharze sind isotrop und im Vergleich zu anderen 3D-Druckmaterialien relativ stabil unter Belastung. Durch die Werkzeugbestückung mit Kunststoff kann außerdem das Polieren als Arbeitsschritt entfallen, da Formwerkzeuge aus Kunststoff, im Gegensatz zu denen aus Metall, keine Spuren auf dem Blech hinterlassen.

In dieser Studie wird die Tauglichkeit mit SLA-3D-Druck hergestellter Formwerkzeuge zum Blechumformen untersucht und gezeigt. Wie folglich erkennbar ist, ähnelt der Mechanismus dem allgemeinen Arbeitsablauf zur Blechumformung, während der Unterschied im Design und Druck des zweiteiligen Werkzeugs aus Ober- und Unterwerkzeug liegt. Der Blechzuschnitt wird zwischen den beiden Formwerkzeugen aus Kunststoff platziert und mit einer Hydraulikpresse oder ähnlichem Gerät gepresst.

In diesem Abschnitt geben wir Empfehlungen ab, wie Sie ein Werkzeug für die Blechumformung gestalten und verwenden können, und beschreiben die verschiedenen Schritte dieser Methode. Wir behandeln den 3D-Druck von Werkzeugen, die zur Fertigung eines Ersatz-Sägeblattschutzes einer elektrischen Säge verwendet werden.

1. SLA-3D-Drucker von Formlabs mit Rigid Resin (andere Formlabs-Kunstharze können eingesetzt werden)
2. Stahl mit einer Dicke zwischen 0,65 und 1 mm (18–22 Gauge)
3. CNC-Plasmaschneider (tragbare Fräs- oder andere Schneidgeräte können ebenfalls verwendet werden)
4. Hydraulische 20-Tonnen-Werkstattpresse (eine Presse mit geringerer Kraft kann ebenfalls verwendet werden)

Shane Wighton vom Formlabs-Ingenieurteam hat zur Konzeptvalidierung mit 3D-gedruckten Werkzeugen ein Blechteil geformt. Bei diesem Test wurde ein Ersatz-Sägeblattschutz einer elektrischen Säge hergestellt. Dies ist eine experimentelle Herangehensweise, um einen Arbeitsprozess vorzuschlagen und Designbedenken zu untersuchen.

Die Geometrie des Werkzeugs ist ausschlaggebend für den Erfolg des Umformprozesses. Shane hat mehrere Iterationen für dieses Experiment hergestellt und dazu nach jedem Test die CAD-Dateien untersucht, um die Ergebnisse zu verbessern. Durch die Nutzung von Rapid Prototyping mit 3D-Druck konnte er an einem Tag sechs verschiedene Iterationen herstellen, bevor er das endgültige Design auswählte. Sehen Sie sich unser Webinar an, um von Shane mehr über das Designverfahren und den Umformungsvorgang zu erfahren.

Beim Betrachten der CAD-Datei des endgültigen Teils ist zunächst zu bestimmen, wie es gebogen und geformt werden soll. Der obere Teil des Sägeblattschutzes weist zwei komplexe Merkmale auf, die geformt werden müssen. Der Kantebereich wird in einem 90°-Winkel in direkter Nähe eines Lochs gebogen, was zum Verzug des Lochs durch den Biegevorgang führen kann. Das Loch selbst wird mit einem Radius um die Kante geformt; solche innenliegenden Merkmale können mit einer herkömmlichen Biegemaschine nicht durchgeführt werden. Die Herangehensweise besteht darin, das Verfahren in zwei Umformungsschritte aufzuteilen, einen für jedes Merkmal.

Nachfolgend einige wichtige Designüberlegungen, die bei den Formen zu beachten sind.

Shane hat die Formwerkzeuge entworfen und dann die Dateien in PreForm, die Druckvorbereitungssoftware für Formlabs-3D-Drucker, importiert. Die Teile wurden so ausgerichtet, dass an wichtigen Oberflächen keine Stützspuren vorhanden waren. Abhängig von der Geometrie können verschiedene Formen gleichzeitig auf einer Konstruktionsplattform gedruckt werden, um die Druckeffizienz zu erhöhen.

Biegen der Flansche

Um die Kantenbiegungen zu erzeugen, wurde die untere Form mit einer Registrierungseigenschaft auf der Oberseite entworfen, um das Loch anzubringen, während das Blech gehalten wird, sowie mit einem geeigneten Kantenradius, damit das Blech im gewünschten Winkel gebogen werden kann. Das Oberwerkzeug ist U-förmig ausgeführt, um die Blechkanten beim Absenken um das Unterwerkzeug zu pressen. Wenn die Presse nicht ganz genau ist, empfehlen wir die Herstellung einer kleinen Vorrichtung, um das Werkzeug zu führen und das Ober- und Unterwerkzeug miteinander auszurichten. Shane hat einen unteren Rahmen mit zwei Präzisionsstäben verwendet, um die Werkzeuge korrekt auszurichten. Diese Vorrichtung kann 3D-gedruckt oder spanend hergestellt und für verschiedene Formwerkzeuge wiederverwendet werden.

Nach wenigen Iterationen ist das endgültige Design ein Rotationswerkzeug, das eine Rampe erzeugt und das Material nach und nach darüber rollt. Das Teil liegt auf einer Form mit einem Hohlraum für Abstand auf und wird durch seine Flansche in Position gehalten. Einer der Vorteile von 3D-Druck gegenüber der Zerspanung ist die einfachere Herstellung von beweglichen Werkzeugen dank der Geometriefreiheit des Verfahrens. Die glatte Oberflächenbeschaffenheit von SLA-3D-Druckteilen ist ein weiterer Vorteil, besonders beim Einsatz von Materialien wie Rigid Resin.

Das endgültige Design löst drei Probleme, die bei den Tests beobachtet wurden:

• Die Rampenfunktion ermöglicht das Biegen der Flansche um über 90°.

• Der Verzug auf der Oberseite wird vermieden, da das bewegliche Formwerkzeug das Blech komprimiert.

• Genug Abstand zwischen den beiden Formwerkzeugen wurde vorgesehen, damit es nicht zum Brechen der Werkzeuge kommt.

Formen des Innenradius

Das innere Merkmal wird im nachfolgenden Schritt mit einem zweiten gedruckten Werkzeugsatz geformt. Das Unterwerkzeug verfügt über eine Öffnung in der Mitte, wo das Loch im Blech eingepresst wird. Das Teil liegt auf der Form mit einem Hohlraum für Abstand auf und wird durch seine Flansche in Position gehalten.

In nur wenigen Stunden wurden die dargestellten Teile mit Rigid Resin von Formlabs auf dem Drucker Form 3 mit einer Schichthöhe von 100 Mikrometern gedruckt. Wir haben festgestellt, dass der Druck mit einer geringeren Schichthöhe die Bedienung des Teils nicht verbesserte. Die Drucke wurden zweimal je 15 Minuten lang in IPA gewaschen und bei einer Temperatur von 80 °C 15 Minuten lang nachgehärtet.

Formlabs bietet eine umfassende Bibliothek an technischen Kunstharzen mit verschiedenen Materialeigenschaften, die verwendet werden können, um den Prozess für verschiedene Anwendungen zu optimieren. Shane hat den Prozess mit einigen dieser Kunstharze getestet:

• Rigid Resin wurde für diesen Anwendungsfall ausgewählt, da es eine hohe Zugfestigkeit (75 MPa) und einen hohen Zugmodul bietet, was für gute Steifigkeit sorgt. So halten die Werkzeuge hohen Belastungen stand, ohne sich zu verformen. Bei harten Werkzeugen, bei denen hohe Presskräfte erforderlich sind, könnte Rigid Resin den Unterschied zwischen Erfolg und Misserfolg ausmachen. Jedoch würde es Verschleiß durch Schlagbelastung bei Prägeteilen nicht standhalten, da es eine geringere Schlagfestigkeit aufweist. Wenn Schlagfestigkeit bei Ihrer Anwendung wichtig ist, empfehlen wir unsere Materialfamilie der Kunstharze Tough und Durable.
• Tough 2000 Resin, Tough 1500 Resin und Durable Resin sind alle hervorragende Optionen, wenn geringere Kräfte und dynamische Belastungen auftreten. Dank ihrer hohen Schlagfestigkeit absorbieren diese Kunstharze die Schlagenergie, ohne zu brechen, und halten Verschleiß, Hammer- und Prägebearbeitung besser als Rigid Resin stand.
• Fast Model Resin weist eine weniger glatte Oberflächenbeschaffenheit auf, kann jedoch eine gute Alternative darstellen, wenn ein schneller Druck zum Testen der Formwerkzeuggeometrie erforderlich ist.

Weitere Informationen über diese Kunstharze finden Sie hier.

Bei Folgeverbundwerkzeugen wird häufig das Material mit einer Stanze geschnitten, während der Umformvorgang stattfindet. Jedoch kann für gewöhnlich mit 3D-gedruckten Formwerkzeugen keine Stanze zum Ausschneiden der Form hergestellt werden, da das Material nicht fest genug ist. Abhängig von der erforderlichen Form können verschiedene Schneidmethoden vor dem Formen eingesetzt werden, so etwa eine Tafelschere, eine Handschere, Bohren, Wasserstrahlschneiden, Plasmaschneiden oder Laserschneiden. Bei diesen Tests hat Shane einen Plasmaschneider eingesetzt.

Unter der hohen Krafteinwirkung im Gerät drückt das Oberwerkzeug das Blech in das passende Unterwerkzeug und biegt es so in die gewünschte Form. Wir sollten hier beachten, dass die 3D-gedruckten Formwerkzeuge beim Umformen deutlich höheren Kräften ausgesetzt sind als beim einfachen Biegen, und die Gefahr, dass das Kunststoffwerkzeug bricht, ist höher. Da SLA-Teile isotrop sind, stellen sie eine bessere Wahl als Teile dar, die mit FDM-3D-Druckern hergestellt werden. Wir empfehlen den Einsatz von Schmierung, um zu verhindern, dass Verschleiß an den Werkzeugen auftritt, und um die zum Pressen erforderlichen Kräfte zu reduzieren. Im Allgemeinen ist das Testen eines dünneren Blechs eine gute Möglichkeit, um das Werkzeug mit einem geringeren Bruchrisiko zu validieren. In dieser Fallstudie wurde nur ein Pressvorgang pro Werkzeug durchgeführt. Es könnten jedoch mehrere hundert Teile gefertigt werden, bevor ein deutlicher Verschleiß an den Werkzeugen auftritt.

Den Pressvorgang können Sie in diesem Video ansehen.

Betriebsinterner 3D-Druck von Werkzeugen zur Blechumformung kann Designern und Ingenieuren Flexibilität gewähren, da die Durchlaufzeit von Wochen auf einen Tag reduziert wird. Für die Produktion großer Mengen ermöglicht ein Prototyp des Werkzeugs aus Kunststoff zudem die Validierung des Designs, bevor Kosten für ein teures Metallwerkzeug anfallen. Für die Kleinserienfertigung sparen gedruckte Formwerkzeuge Hunderte Euro im Vergleich zur Auslagerung des Teils.

Ein neuer Ansatz bei der Werkzeugfertigung ist ein gutes Mittel, die Kosten der Metallfertigung zu senken. Zusätzlich zur Flexibilität, die durch Prototypen teurer Werkzeuge möglich wird, können mit 3D-Druck hergestellte Kunststoffwerkzeuge effiziente und kostengünstige Alternativen zu teuren Metallwerkzeugen darstellen. Mit 3D-Druck hergestellte Werkzeuge bieten in der Blechumformung mehrere Anwendungsmöglichkeiten, von gebogenen Halterungen über geprägte Teile bis hin zu Jalousien, Kühlergrillen und problemlos verfügbaren Werkzeugen für Abkantpressen.

In unserer Fallstudie haben wir gezeigt, wie einer unserer Ingenieure mit Hilfe 3D-gedruckter Formwerkzeuge aus Kunststoff erfolgreich einen Sägeblattschutz aus Metall gefertigt hat. Wir könnten mit denselben Werkzeugen Dutzende dieser Teile fertigen, um so die Kleinserienfertigung betriebsintern möglich zu machen.

Haben Sie noch Fragen zum Einsatz von SLA-Druckern für das Blechumformen oder für andere Anwendungen im Maschinenbau oder der Fertigung? Kontaktieren Sie unsere Fachleute für Lösungen in diesem Bereich, um einen kostenlose Beratungstermin zu buchen, bei dem Ihre Fragen beantwortet werden.

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