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Biegen

Prozessauslegung des Freiformbiegens          en

Dipl.-Ing. Sebastian Kersten

Einleitung

Gebogene Profile dienen zur Leitung von Fluiden und Gasen und ermöglichen die Konstruktion von Strukturen mit niedrigem Eigengewicht und geringem Füge- und Zerspanungsaufwand. Sie finden zunehmend Anwendung im Flugzeug-, Schienenfahrzeug- und Automobilbau, aber auch in der Möbel- und Bauindustrie. Neben der Funktionalität spielt auch das Design eine immer größere Rolle. Mit dem Ziel neue Trends zu schaffen, werden die Teilegeometrien immer komplexer. Wo früher Biegegeometrien – bestehend aus mehreren konstanten Radien – eingesetzt wurden, besteht heute die Forderung auch kontinuierliche Radienverläufe zu realisieren. Solche Biegekonturen können mit dem so genannten Freiformbiegen hergestellt werden.

Das Freiformbiegen ist ein Verfahren der kinematischen Gestaltgebung beim Profilbiegen. Die Formgebung des Werkstückes erfolgt hierbei werkzeugungebunden. Vielfältige Biegeverläufe können mit einem Werkzeugsatz durch Zustellen der Biegerolle und anschließendem oder auch gleichzeitigem Profilvorschub realisiert werden (vgl. Bild 1).

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Bild 1: Bild eines Drei-Rollen-Schubbiegeprozesses

Am Lehrstuhl wird das Freiformbiegen mittels Drei-Rollen-Schubbiegen (DRSB) realisiert. Bild 1 zeigt die Prinzipskizze eines DRSB Prozesses auf einer CNC-Biegemaschine. Bei diesem Verfahren wird das Profil zwischen Biegerolle und Stützrolle axial geführt. Zur besseren Führung können mehrere Stützrollen verwendet werden. Über die Zustellung der Umformrolle kann der gewünschte Biegeradius eingestellt werden. Eine weitere Stellgröße ist der Vorschub des Profils mit Hilfe der Vorschubeinrichtung. Der Vorschubweg ist dabei abhängig vom geforderten Biegewinkel. Über die Rotation der Vorschubeinrichtung um die Längsachse des Profils ist es bei Rohrprofilen zusätzlich möglich, die Biegeebene zu variieren. Um einen Spline (Biegelinie / Funktion n-ten Grades) bzw. einen variablen Radienverlauf mit stetigen Übergängen zwischen den Radien herzustellen zu können, muss die Zustellung der Umformrolle (und damit der Biegeradius) während des Biegevorganges bei gleichzeitigem Profilvorschub kontinuierlich gemäß der Krümmung der Biegelinie variiert werden.

Forschungsschwerpunkte beim Freiformbiegen 

1) Grundlagenforschung und Berechnungsmodelle

Eine Sensitivitätsanalyse beim Freiformbiegen von Rohrprofilen hat ergeben, dass die Materialschwankungen der Halbzeuge, die Maschinennachgiebigkeit und -einstellgenauigkeit aber auch unzureichend bekannte Werkstoffeigenschaften, die Rückfederung des Materials, sowie die Werkzeugkinematik Einfluss auf das Biegeergebnis haben. Aufgrund dieser Einflüsse resultieren Abweichungen zwischen dem eingestellten Biegeradius unter Last und dem Biegeradius nach der Entlastung.

Für die Biegemaschine des Lehrstuhls konnte zudem ein Arbeitsdiagramm beim DRSB von Rohrprofilen ermittelt werden (siehe Bild 2). Der verfügbare Arbeitsbereich wird dabei beschränkt durch:

  • die Abmessungen und maximalen Zustellwerte der Maschine
  • die Werkzeuggeometrie
  • eine unzureichende Einstellgenauigkeit und die Auffederung der Maschinenachsen
  • den Werkstoff und den Profilquerschnitt
  • Bauteilversagen wie der Rohreinfall, die Ovalisierung und die Faltenbildung, sowie Knicken bei zu großer Werkzeugzustellung quer zur Profilvorschubrichtung

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Bild 2: Arbeitsdiagramm beim DRSB

Um die systematischen Prozesseinflüsse (Maschinennachgiebigkeit, Werkzeugkinematik, Rückfederung) bei der Prozessauslegung kompensieren zu können, wurden analytische Berechnungsmodelle entwickelt. So können die Maschinenparameter berechnet werden, um konstante Biegeradien endkonturnah herzustellen. Nicht-systematische Prozesseinflüsse (Materialschwankungen, Maschineneinstellgenauigkeit) aber auch die unzureichende Materialcharakterisierung für die Biegeumformung äußern sich in Restabweichungen. Um auch diese Restabweichungen zu kompensieren, wurden verschiedene Korrekturalgorithmen entwickelt. Erste Ergebnisse zeigen, dass i.d.R. weniger als drei Biegeversuche benötigt werden, um den Soll-Biegeradius herzustellen.

2) Freiformbiegen von Spline-Geometrien

Um mittels Freiformbiegen eine definierte Biegekontur herstellen zu können, müssen die Einstellparameter berechnet und an die Maschine übergeben werden. Mit Hilfe der am Lehrstuhl entwickelten Berechnungsmodelle können die Einstellparameter für einfache Biegegeometrien mit konstanten Radien sehr schnell generiert werden.

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Bild 3: Beispiele für Spline-Biegegeometrien

Eine besondere Herausforderung stellt dagegen die Herstellung von Radienverläufen mit kontinuierlichen Übergängen (z.B. Spline-Geometrien) dar (vgl. Bild 3). Solche Freiformgeometrien sind oftmals Design- aber auch Funktionselemente in der Fahrzeug-, Möbel- und Bauindustrie. Die Schwierigkeit besteht zunächst in der mathematischen Beschreibung der Spline-Geometrie, welche oftmals in Form von CAD-Daten vorliegt. Hierzu werden Polynom- sowie Splineinterpolationsverfahren verwendet. Eine Methode zur Bestimmung der benötigten Maschinenparameter ist die Einteilung des Splines in eine Vielzahl an Stützpunkten, für die die entsprechenden Soll-Biegeradien und die zugehörigen Maschinenparameter mit Hilfe der Berechnungsmodelle ermittelt werden können.

3) Erstellung eines CAD-CAM-Moduls

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Bild 4: CAD-CAM-Modul zum DRSB

Die Ergebnisse aus den Forschungsschwerpunkten 1) und 2) werden am Lehrstuhl kombiniert und in ein CAD-CAM-Modul (siehe Bild 4) integriert, das dem Anwender der Biegemaschine als Benutzeroberfläche zum DRSB zur Verfügung gestellt werden soll. Dieses Modul soll zudem mit der Maschinensteuerung verknüpft werden. Anhand der Eingabe der Daten für den Profilquerschnitt, das Material und die Biegekontur (Biegelinie), ermittelt das Modul zunächst die Soll-Biegeradien und berechnet mit Hilfe der Berechnungsmodelle die erforderlichen Einstellparameter für die Biegemaschine. Zudem wird das für die Biegemaschine spezifische Arbeitsdiagramm im Programm hinterlegt, um schon im Vorhinein die Machbarkeit der Biegung abschätzen zu können.

4) Freiformgebogene Profile für den automobilen Leichtbau

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Bild 5: Simulation zur Herstellung von freiformgebogenen Karosserie-Strukturbauteilen

Besonders im Automobilbereich kann das Freiformbiegen vorteilhaft eingesetzt werden. Überall dort, wo leichte und kostengünstige Biegeteile gefordert sind, ist das Freiformbiegen ein Verfahren mit Zukunft. Karosserie-Strukturbauteile (vgl. Bild 5), Schweller oder Stoßfänger sind potentielle Biegebauteile. Auch als Voroperation (z.B. vor einem IHU-Prozess) ist das Freiformbiegen sehr gut geeignet, da die im Vergleich zu anderen Biegeverfahren eingebrachten Dehnungen relativ gering sind. Mehrere Fügebauteile können dank Freiformbiegen durch einzelne Spline-Konturen ersetzt werden, was das Verfahren einerseits wirtschaftlich aber auch in energetischer Hinsicht interessant macht.

Nicht nur Rundrohre sondern auch symmetrische und asymmetrische Profile können gebogen werden (siehe Bild 6). Eine beliebte Anwendung ist deshalb auch die Integration eines Freiformbiegeprozesses in Anschluss an einen Inline-Profilierprozess.

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Bild 6: Beispiele für freiformgebogene Profile  links: Vierkant Voll-Profil; rechts: Freiformbiegen eines U-Profils mit innenliegendem Dorn