Flexibles Walzprofilieren

Herstellen von Profilen mit veränderlichem Querschnitt durch „Flexibles Walzprofilieren“

 

Problemstellung

Mittels Walzprofilieren hergestellte Kaltprofile werden in nahezu allen Bereichen der Technik eingesetzt. Insbesondere im Fahrzeug- und Anlagenbau sowie in der Bauindustrie kommen stabförmige, offene und geschlossene Stahlprofile mit unterschiedlichsten Querschnittsformen zur Anwendung. Der Bauteilquerschnitt ist hierbei über der Längsachse meist konstant, da wirtschaftliche Herstellverfahren für Bauteile mit variierenden Querschnitten zumeist fehlen. Derartige Bauteile sind eingeschränkt nur mit sehr hohem Aufwand herstellbar. Sie werden heute entweder durch mehrstufige Fertigungsprozesse oder mehrteilig gefertigt.

Trotz fehlender wirtschaftlicher Fertigungsmöglichkeiten findet sich für stabförmige Bauteile mit variierenden Querschnitten ein sehr breites Anwendungsspektrum. Durch eine Erweiterung des konventionellen Profilierens könnte das Portfolio der herstellbaren Bauteile erheblich erweitert werden. Hauptanwendungsgebiete für solche profilartigen Komponenten sind:

  • der Fahrzeugbau
  • der Maschinen- und Anlagenbau
  • die Bauindustrie
  • die Möbelindustrie

Neben dem Automobilbau werden insbesondere im Schienen-, Omnibus- und Nutzfahrzeugbau längsorientierte Strukturbauteile benötigt, die derzeit meist über separate Anschluss- oder Knotenelemente gefügt werden müssen. Durch variable Querschnitte lassen sich belastungsangepasste Strukturbauteile realisieren, die Gewicht einsparen und Anschlussbauelemente durch Funktionsintegration substituieren. Neben Strukturelementen im Sinne der Stahl Space-Frame-Bauweise finden sich eine Reihe weiterer Bauteile, die derzeit durch andere, mehrstufige Fertigungsprozesse, wie z.B. das Tiefziehen oder mehrfache Biegeoperationen, hergestellt werden. Analog hierzu gibt es auch im Maschinen- und Anlagenbau sowie in der Bau- und Möbelindustrie ein großes Bauteilspektrum, das sich für das Walzprofilieren veränderlicher Querschnitte besonders eignet.

Stand der Forschung am PtU

Im Rahmen eines EFB-Projekts sowie nachfolgender Forschungsaktivitäten ist es gelungen, das sogenannte „Flexible Walzprofilieren“ zu entwickeln. Das Verfahren stellt eine Weiterentwicklung des konventionellen Walzprofilierens dar und ermöglicht die Herstellung von Profilen mit veränderlichem Querschnitt.

Der Vorteil dieses Verfahrens im Vergleich zu abbildenden Techniken wie dem Tiefziehen ist die hohe Flexibilität bei gleichzeitig vergleichsweise niedrigem Investitionsumfang. So ist es möglich, ganze Profilfamilien mit einer Anlage herzustellen, da es sich hierbei um einen „NC-Umformprozess“ handelt.

Sowohl in FE-Simulationen als auch realen Versuchen konnte die Machbarkeit des Verfahrens nachgewiesen werden. Die Wahl eines ersten Zielbauteils für die analytischen und experimentellen Untersuchungen fiel auf ein U-Profil mit veränderlichem Querschnitt [Abbildung 1].

Abbildung 1: U-Profil mit veränderlichem Querschnitt
Abbildung 1: U-Profil mit veränderlichem Querschnitt

Entscheidend für die Realisierung des Verfahrens ist die Werkzeugkinematik zur Einformung des veränderlichen Querschnitts. Im Vergleich zum konventionellen Profilieren kommt hier ein Werkzeugaufbau mit getrennten Gerüsthälften zum Einsatz [Abbildung 2].

Abbildung 2: Werkzeugsystem zum flexiblen Walzprofilieren
Abbildung 2: Werkzeugsystem zum flexiblen Walzprofilieren

Beide Gerüsthälften verfügen über je einen translatorischen und rotatorischen Freiheitsgrad. So dass die Verbindungslinie der Rollenachsen immer eine senkrechte Stellung der Rollen bezogen auf den Linienzug des Profils ermöglicht [Abbildung 3]. Die Ansteuerung bzw. der Antrieb der Gerüsthälften erfolgt durch eine PC-basierte Steuerung und Elektromotoren. Diese Kombination sorgt dabei für die Synchronisierung der seitlichen Verfahrbewegung und der Schwenkbewegung um den Winkel alpha.

Abbildung 3: Stellung der Umformrollen im Umformprozess
Abbildung 3: Stellung der Umformrollen im Umformprozess

Durch den Einsatz des in [Abbildung 2] gezeigten Werkzeugsystems konnten erste Prototypen im Reversierbetrieb hergestellt werden. Dabei kamen lasergeschnittene Platinen zum Einsatz, die der Abwicklung des späteren Profils entsprach. U-Profile mit veränderlichem Querschnitt ([Abbildung 4], links) lassen sich durch weitere Biegeoperationen auch zu geschlossenen Profilen weiterverarbeiten ([Abbildung4], rechts).

Abbildung 4: Profilprototypen
Abbildung 4: Profilprototypen

Ergebnisse von FE-Simulationen zeigen, dass sich im fertigen Bauteil eine charakteristische Verteilung bleibender Dehnungen in Profillängsrichtung ausbildet [Abbildung 5]. Es entsteht sowohl eine Zug- als auch eine Druckzone im Bereich des Querschnittsübergangs. Die auf Grund der Biegung entstehenden Dehnungen an der Biegekante sind dabei von geringerem Interesse.

Abbildung 5: Ergebnis einer FE-Berechnung der plastischen Längsdehnungen
Abbildung 5: Ergebnis einer FE-Berechnung der plastischen Längsdehnungen

Die Grenzen des Verfahrens sind, soweit bisher bekannt, hauptsächlich von geometrischen Faktoren abhängig. So spielt die Profilgeometrie wie auch die Blechstärke eine entscheidende Rolle auf das Profilierergebnis. Abweichungen von der Sollgeometrie in Form von Falten im Profilflansch zählen zu den resultierenden Fehlern.

Die Herstellung verschiedener weiterer Profilprototypen ist im Rahmen von Industrieprojekten gelungen. Eine Veröffentlichung dieser Geometrien ist jedoch aus Gründen der Geheimhaltung nicht möglich.

Neben einfachen Tiefziehstählen (DC01) konnten auch hochfeste Stähle bis hin zu Güten wie dem MSW-1200 flexibel profiliert werden. Auch Aluminium- und Magnesiumlegierungen eignen sich prinzipiell zur Verarbeitung mit diesem neuen Verfahren.

Zielsetzung

Ziel aktueller Forschungstätigkeiten ist es, Auslegungsmethoden für den Herstellprozess des flexiblen Profilierens zu erarbeiten, die ohne aufwendige FE-Simulationen und Versuche Aussagen hinsichtlich der Machbarkeit einzelner Geometrien erlauben. Weitere Zielsetzungen sind es, den Einfluss verschiedener Materialgüten vorzugsweise im Stahlbereich und Geometrievarianten zu untersuchen. Zur Bestimmung der Verfahrensgrenzen sollen analytische Berechnungsmodelle entwickelt, gestestet und mit Simulations- und Versuchsergebnissen abgeglichen werden. Nach Abschluss der Untersuchungen an möglichen Einflussgrößen wird ein Prozessfenster das Zusammenspiel der Parameter verdeutlichen.

Danksagung

Das Forschungsprojekt wird gefördert durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG).