085-Fließpressen
Die Episode
Transkript
Es ist Zeit für ein wenig Fertigungstechnik.
Heute schauen wir uns ein Verfahren an, das für die Produktion einer Vielzahl von Teilen verantwortlich ist, die wir alltäglich nutzen. Heute geht es um Fließpressen. Dafür werfen wir einen Blick auf ein konkretes Bauteil aus der Automobilindustrie: eine Getriebewelle aus Stahl.
Eine Getriebewelle besitzt verschiedene Durchmesser, Verzahnungen, Aufnahmen für Lager und oftmals auch Hohlräume im Inneren. Während des Einsatzes überträgt sie hohe Drehmomente und muss somit extrem belastbar sein, aber gleichzeitig auch möglichst leicht gebaut werden. Moderne Fahrzeuge, egal ob Verbrenner, Hybrid oder Elektroauto, stellen dabei immer höhere Anforderungen an die Festigkeit, die Toleranzen und die Wirtschaftlichkeit.
Die Herausforderung besteht aber grundsätzlich nicht direkt darin, eine solche Getriebewelle herzustellen, sondern viel mehr diese auch jedes Jahr Millionenfach zu fertigen, ohne riesige Mengen Material während der Fertigung zu verschwenden und auch ohne teure Nachbearbeitungsschritte durchführen zu müssen.
Der Zielkonflikt kurzgefasst: Einerseits soll sie belastbar sein und andererseits sollen wenig Material verschwendet, sowie die Kosten geringgehalten werden. Außerdem werden jedes Jahr mehrere tausend dieser Getriebewellen produziert.
Man könnte die Getriebewelle nun aus einem massiven Stahlblock drehen. Dies wäre technisch problemlos umsetzbar, doch wirtschaftlich ist das ganze alles andere als optimal. Ein großer Teil des Ausgangsmaterials würde als Späne im Container landen. Für jede fertige Welle müsste quasi deutlich mehr Stahl eingekauft werden, als später tatsächlich im Produkt verbleibt. Hinzu kommt, dass beim spanenden Bearbeiten die Faserstruktur des Werkstoffs durchschnitten wird. Dadurch gehen die Vorteile eines durchgehenden Faserverlaufs verloren, was die Belastbarkeit der Welle beeinträchtigen kann.
Da eine Getriebewelle, wie wir bereits festgestellt haben, hohen Kräften standhalten muss, sind eine hohe Festigkeit und Dauerfestigkeit besonders wichtig. Die Industrie braucht daher also ein Verfahren, welches den Werkstoff nicht entfernt, sondern vielmehr gezielt umformt. Genau hier kommt das Fließpressen ins Spiel.
Fließpressen gehört zu den Druckumformverfahren. Dabei wird ein metallischer Rohling unter sehr hohen Kräften in eine Matrize gepresst.
Das Material wird dabei weder geschmolzen, noch zerspant. Stattdessen beginnt der Stahl unter Druck zu fließen - ähnlich wie Knetmasse, allerdings bei Kräften, die mehreren hundert Tonnen entsprechen.
Besonders verbreitet ist das Kaltfließpressen. Hier erfolgt die Umformung bei Raumtemperatur oder nur leicht erhöhten Temperaturen. Das Ergebnis sind hochpräzise Bauteile mit hervorragender Oberflächenqualität und sehr guten mechanischen Eigenschaften.
Deshalb wird das Verfahren auch seit Jahren in der Automobilindustrie, aber auch in zahlreichen anderen Bereichen eingesetzt.
Doch wie läuft dieser Prozess nun konkret ab? Zu Anfang liegt ein einfacher Rohling vor, oft ein zylindrischer Abschnitt aus Draht oder Stangenmaterial. Dieser Rohling wird in das Werkzeug eingelegt. Anschließend bewegt sich ein Pressstempel mit enormer Kraft auf das Material zu. Die auftretenden Spannungen liegen deutlich oberhalb der Fließgrenze des Stahls.
Ab diesem Punkt beginnt der Werkstoff plastisch zu fließen. Er folgt dabei den Konturen des Werkzeugs und nimmt die gewünschte Geometrie an. Das Entscheidende dabei ist, dass der Werkstoff nicht entfernt wird, sondern lediglich umverteilt.
Gleichzeitig verdichtet sich das Material. Die Kornstruktur wird entlang der Bauteilgeometrie ausgerichtet, wodurch eine Art Faserverlauf entsteht. Genau dieser Faserverlauf sorgt später für eine hohe Dauerfestigkeit und Belastbarkeit. Nach dem Pressvorgang sind oft nur noch wenige Nachbearbeitungsschritte notwendig, da das Bauteil bereits eine Form besitzt, die sehr nahe an der endgültigen Geometrie liegt.
Man spricht dabei entweder von „Near Net Shape“, was bedeutet, dass das Teil fast fertig aus der Presse kommt aber noch kleine Kalibrier- oder Feinschlichtvorgänge benötigt. Oder aber auch von „Net Shape“, was bedeutet, dass das Bauteil zu 100 % einbaufertig aus dem Werkzeug kommt.
Grundsätzlich unterscheidet man Fließpressen hinsichtlich der Richtung und der Form in jeweils drei Hauptverfahren.
Hinsichtlich der Richtung gibt es…
Das Vorwärtsfließpressen. Hier fließt das Material in dieselbe Richtung wie die Bewegung des Stempels. Damit lassen sich beispielsweise massive Wellen oder Stifte herstellen.
Das Rückwärtsfließpressen. Hier bewegt sich das Material entgegen der Stempelrichtung zurück. Dieses Verfahren eignet sich hervorragend für hohle Bauteile wie Hülsen oder Gehäuse.
Das Querfließpressen. Dabei fließt das Material seitlich zur Pressrichtung. So können beispielsweise Flansche, Zahnräder oder komplexe Funktionsbereiche erzeugt werden.
Und hinsichtlich der Form gibt es…
Das Vollfließpressen. Dabei wird ein massiver Rohling zu einem ebenfalls massiven Bauteil umgeformt. Dieses Verfahren wird vor allem zur Herstellung von Bolzen, Achsen oder Wellen eingesetzt.
Das Hohlfließpressen. Hier entstehen Bauteile mit einem durchgehenden Hohlraum. Es eignet sich besonders für die Fertigung von Hülsen, Buchsen oder rohrförmigen Werkstücken.
Das Napffließpressen. Dabei wird ein napfförmiges, einseitig offenes Hohlteil hergestellt. Typische Anwendungen sind Dosen, Becher oder Gehäuse.
In der Praxis werden diese Verfahren oft kombiniert, um besonders anspruchsvolle Bauteilgeometrien in wenigen Umformschritten herzustellen. Am wohl häufigsten kommen aber Voll-Vorwärts und Hohl-Rückwärtsfließpressen zum Einsatz.
Ein großer Vorteil beim Fließpressen ist die Materialausnutzung. Da während des Verfahrens keine Späne entstehen, wird nahezu das gesamte eingesetzte Material im Bauteil genutzt.
Ein weiterer Vorteil sind zudem die mechanischen Eigenschaften. Durch die Kaltverfestigung und den gerichteten Faserverlauf entstehen Bauteile mit hoher Festigkeit und ausgezeichneter Dauerfestigkeit.
Außerdem überzeugt die hohe Präzision dieses Verfahrens. Viele Maße werden bereits direkt im Werkzeug mit geringen Toleranzen erzeugt. Dadurch sinkt der Aufwand für nachfolgende Bearbeitungsschritte erheblich.
Und schließlich ist da noch die Produktivität. Moderne Pressen fertigen große Stückzahlen in sehr kurzer Zeit. Für die Automobilindustrie mit ihren Millionenstückzahlen pro Jahr ist dies ein entscheidender Faktor.
Doch letztlich ist auch das Fließpressen kein perfektes Verfahren. Mit eine der größten Herausforderung sind die Werkzeugkosten. Die Werkzeuge müssen enormen Belastungen standhalten und werden mit höchster Präzision gefertigt, wodurch dementsprechend die Entwicklung und Herstellung teuer sind.
Auch die Presskräfte sind enorm hoch. Je nach Bauteil kommen mehrere hundert oder sogar tausend Tonnen Umformkraft zum Einsatz. Die dafür benötigten Maschinen sind groß, schwer und kostenintensiv.
Hinzu kommt, dass nicht jede Geometrie fließpressgerecht konstruiert werden kann. Sehr komplexe Formen, Hinterschneidungen oder extrem große Bauteile stoßen an die Grenzen des Verfahrens.
Kehren wir nun zu unserer Getriebewelle zurück. Die Anschaffung der Werkzeuge und Pressanlagen kostet zunächst viel Geld. Sobald jedoch Hunderttausende oder Millionen Bauteile produziert werden, verteilen sich diese Kosten auf eine enorme Stückzahl. Dadurch sinken die Kosten pro Bauteil erheblich.
Genau deshalb findet man fließgepresste Komponenten überall im Fahrzeug: Getriebewellen, Naben, Achskomponenten, Einspritzteile, Lagergehäuse, Zahnräder, Schrauben oder Verbindungselemente.
Viele dieser Bauteile wären mit spanenden Fertigungsverfahren entweder deutlich teurer oder mechanisch schlechter. Das Fließpressen verbindet also Wirtschaftlichkeit und Leistungsfähigkeit auf eine Weise, die für die moderne Automobilindustrie, aber natürlich auch für verschiedenste weitere Industrien, nahezu unverzichtbar geworden ist.
Vielen Dank fürs Zuhören und bis zur nächsten Folge aus der Welt der Fertigungstechnik…
geschrieben von Finn-Luca Gehrke
gesprochen von Benjamin Remmers
