FV_HydroFrame

Fluidbasiertes, flexibles Fügen hohlförmiger Rahmenstrukturen – HydroFrame

 

Problemstellung

Hohlförmige Rahmenstrukturen, die aus mehreren umgeformten Bauteilen bestehen, sind weit verbreitete Baugruppen in den Bereichen Freizeit (Fahrradrahmen, Heimtrainer), Möbel (Stuhllehnen, Tischrahmen), PKW (Achsträger, Chassis, Space Frames), Luftfahrt (Hubschrauberkufen) oder Bauwesen (Geländer).

Abb.1: Beispiele für Rahmenstrukturen mit Knoten
Abb.1: Beispiele für Rahmenstrukturen mit Knoten

Charakteristisch für den Aufbau dieser Rahmenstrukturen sind Knotenpunkte (Abbildung 1). Diese unterliegen komplexen, teilweise unvorhersehbaren Beanspruchungssituationen und müssen wie die restlichen Bauteilbereiche eine hohe spezifische Festigkeit sowie ein ausreichendes Maß an Energieabsorptionsvermögen für den Missbrauchsfall aufweisen. Hochwertige Rahmen im Sichtbereich und Bauteile mit einem anspruchsvollen Design müssen zudem ästhetischen Gesichtspunkten in Form von organischen Übergängen und Freiformflächen, sowie sehr eng tolerierten Fügestellen genügen.

Die Strukturen werden in aufwändigen Prozessen, meist durch Schweißen hergestellt. Die lange Prozesskette ist dabei ein Kostenfaktor.

Zielsetzung

Ziel des Projektes ist es, die Vorteile einer fluidbasierten Formgebung in einer intelligenten Art und Weise zu nutzen, um hohlförmigen Bauteilen eine Form zu verleihen und sie simultan zu einer Rahmensstruktur miteinander zu verbinden. Am Ende des Projektes sollen funktionsfähige Prototypen von vorher ausgewählten Bauteildemonstratoren aus den Produktsparten Fahrrad und Objektmöbel vorliegen. Für deren Fertigung wird ein Prototyp einer KMU-gerechten Anlage für die Warmformgebung entwickelt und aufgebaut, sowie entsprechende Lot-/Klebstoff-/Schmierstoffsysteme adaptiert. Im Mittelpunkt einer späteren Verfahrensanwendung steht die Bedienung von Individualisierungstrends in Form von flexiblen Formen, Geometrien, Werkstoffkombinationen und Festigkeit.

Der Neuheitsgrad und der funktionelle Vorteil des Verfahrens liegen in der Prozessintegration bei deutlicher Verringerung personalintensiver Handarbeiten im Vergleich zu herkömmlichen Fertigungsmethoden hochwertiger Rahmenstrukturen. Sowohl der Formgebungs- als auch der Fügeprozess (ohne Schweißen) erfolgt aufwandsneutral innerhalb eines Werkzeuges, in einem Prozessschritt. Dabei gelingt es Fügestellen zu realisieren, die sowohl ästhetischen Gesichtspunkten genügen als auch die Festigkeitsanforderungen im Gebrauchsfall erfüllen.

Entwicklungsstand

Das Institut für Produktionstechnik und Umformmaschinen (PtU) blickt auf eine 4 jährige Entwicklungsarbeit zum Innenhochdruck-Fügen winklig zueinander angeordneter Hohlprofile zurück. Abbildung 2 zeigt hergestellte IHU-gefügte Knotenverbindungen aus unterschiedlichen Materialien.

Abb. 2: Formenschatz gefügter Knoten
Abb. 2: Formenschatz gefügter Knoten

Die Verbindungsfestigkeit beruht auf einem Kraftschluss. Durch geeignete Variation von Prozess- und Geometriegrößen lassen sich prozessintegriert auch formschlüssige Verbindungen einstellen.

Das Fügen erfolgt prozessintegriert (Abbildung 3). Es werden dazu zwei rohrförmige Hohlprofile (1) in ein IHU Werkzeug (2) gelegt, ausgeformt und gefügt (3), und dann im gefügten Zustand aus dem Werkzeug entnommen (4).

Abb. 3: Prozesschritte winkliges IHU-Fügen (Werkstoff: 1.2343)
Abb. 3: Prozesschritte winkliges IHU-Fügen (Werkstoff: 1.2343)

Die Flexibilität dieses Verfahrens in Bezug auf Einstellung unterschiedlicher Geometrien zeigt sich anhand weiterer Vorarbeiten. Die in Abbildung 4 dargestellte Stuhllehne des Projektpartners Kusch & Co. wird derzeit im Aluminiumdruckgussverfahren in einteiliger Bauweise hergestellt. Bei den gefügten Geometrien handelt es sich um Stahlrohre mit einem Außendurchmesser von 20 mm und Wandstärken zwischen 0,8 mm und 2,0 mm, die in einem Winkel von 100° zueinander angeordnet sind. Anhand dieses Beispiels zeigen sich deutlich die Flexibilität und der funktionelle Vorteil dieses Fügeverfahrens. Es sind unterschiedliche Längen, Winkel und Wandstärken bei simultaner Formgebung realisierbar. Die Einstellung einer gewünschten Festigkeit erfolgt prozessintegriert über die geeignete Wahl von Prozess-, System- und Geometrieparametern.

Abb. 4: Knotenverbindung für ein Stuhlseitenteil
Abb. 4: Knotenverbindung für ein Stuhlseitenteil

Im Rahmen dieses Projektes soll der Schritt von der prinzipiellen Machbarkeit unter Laborbedingungen zu einer industriellen Serienfertigung vorbereitet werden.

Projektpartner