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Biegen

Effizienzkriterien zur Bewertung unterschiedlicher Biegeverfahren

Univ.-Prof. Dr.-Ing. Bernd Engel, Dipl.-Wirt.-Ing. Christopher Kuhnhen, BSc. Dennis Koch

Das Biegeumformen gehört zu den industriell am häufigsten angewendeten Fertigungsverfahren. Mit vorhandenen Biegeverfahren lassen sich unterschiedliche Geometrien effektiv produzieren. Trotz des breiten Anwendungsspektrums ist dieses Umformverfahren noch nicht komplett erforscht – die Prozesseinstellung der Maschinen erfolgt in der Praxis oft anhand von Erfahrungswerten. [1, S. 16f; 2, S. 24] Im Rahmen der Bachelorarbeit „Bewertung von unterschiedlichen Biegeverfahren zum Erstellen von Biegebauteilen mit kreisrundem Querschnitt“ wurde eine aktuelle Verfahrensübersicht für Rohrprofil-Biegeverfahren erstellt. Anhand verschiedener Kriterien, wie beispielsweise der Anzahl der erzeugbaren Biegekonturen pro Werkzeugsatz, lassen sich die Biegeverfahren in Gruppen einteilen und bewerten. Die Arbeitsergebnisse und insbesondere die hieraus entwickelten Effizienzkriterien fließen als Bestandteile in das vom BMWi geförderten Forschungsverbundprojekts „Entwicklung eines Industriestandards für die Profil- und Rohrbiegetechnik“.

Aktuelle Einsatzgebiete von Biegebauteilen

Biegebauteile, insbesondere Rohre, werden in der heutigen Zeit in den verschiedensten Anwendungsgebieten benötigt. Neben der industriellen Anwendung werden sie auch häufig für Alltagszwecke verwendet. Sie erfüllen neben konstruktiven Aufgaben auch Förder- und Durchleitungsaufgaben für Flüssigkeiten oder feste Stoffe. Die Verwendung von Rohren hat unabhängig vom Einsatzgebiet in den letzten Jahren stetig zugenommen. Zudem werden komplexere Geometrien durch beispielsweise kleinere Biegeradien gefordert. Dadurch ist die Bedeutung der Verfahren zur Bearbeitung von Rohren stark gestiegen. [1, S. 17; 2, S. 24] Trotzdem existiert keine umfangreiche gebündelte Verfahrensübersicht über die aktuellen Biegeverfahren. Die Verfahrenseinteilung nach DIN 8586 ist aus heutigen Gesichtspunkten unzureichend. [3]

Biegeverfahren können anhand der Definition der Biegekontur in kinematische und formgebundene Biegeverfahren eingeteilt werden. Bei Biegeverfahren mit kinematischer Formgebung erfolgt die Definition der Biegekontur durch die relative Bewegung der Biegewerkzeuge zum Werkstück, bei formgebunden Verfahren durch die Form der verwendeten Biegewerkzeuge, korrigiert um die Rückfederung. Eine weitere Einteilung erfolgt anhand der Werkzeugbewegung. Es wird zwischen drehender und geradliniger Werkzeugbewegung sowie Wirkmedien unterschieden. Innerhalb dieser Einteilung wurden Verfahrungsbeschreibungen der ermittelten 26 Biegeverfahren durchgeführt und Verfahrensparameter, Anwendungsbereiche und Verfahrensgrenzen dargelegt. [3; 4, S. 6ff.; 5, S. 17]

Bewertung der Leistungsfähigkeit

Um die Verfahren differenziert bewerten zu können, wurde ein Katalog mit Bewertungskriterien entwickelt (siehe Tabelle 1). Dieser besteht aus den acht Bewertungskriterien Definition der Biegekontur, Anzahl der Vorzugs-Biegeebenen, Reifegrad, Effizienzkriterium A, Effizienzkriterium B, Biegefaktor (Verhältnis von Biegeradius zu Profilhöhe / Rohraußendurchmesser H) [6], Bauteilabmessungen und Wanddickenfaktor (Verhältnis von Außendurchmesser H zu Wanddicke s) [6]. Es handelt sich hierbei um einen analytischen Ansatz, damit eine Bewertung und Vergleichbarkeit der oftmals sehr unterschiedlichen Biegeverfahren anhand einfacher und übersichtlicher Kriterien ermöglicht wird.

Bewertungskriterium

Ausprägung

Definition der Biegekontur

-       kinematisch

-       formgebunden

Anzahl der

Vorzugs-Biegeebenen

-       zwei

-       drei

Reifegrad

-       keine differenzierte Einschätzung

-       aktuelle Anwendung

-       Potenzial

Effizienzkriterium A

[BK pro WKZ]

-       eine

-       mehrere

-       viele

Effizienzkriterium B

[H pro WKZ]

-       einer

-       mehrere

-       viele

Biegefaktor

[B=R/H]

-       R>5H

-       5H>R>2H

-       2H>R>0,5H

Bauteilabmessungen

-       H

Wanddickenfaktor

[W=H/s]

-       0-10

-       10-40

-       40-100

-       100-∞

Tabelle 1:         Bewertungskriterien, nach[10, S. 24ff]

Die Ergebnisse dieses Bewertungsprozesses sind in einer ausführlichen Matrix dargestellt worden. Hervorzuheben sind die Effizienzkriterien A und B. Das Effizienzkriterium A indiziert die Anzahl der pro Werkzeugsatz herstellbaren Biegekonturen. Im Gegensatz dazu beschreibt das Effizienkriterium B die Anzahl an Rohrdurchmessern, die mit einem Werkzeugsatz bearbeitet werden können. Es wird jeweils zwischen den Ausprägungen „eins; mehrere; viele“ unterschieden. Die Ausprägung „viele“ zeigt, dass mit dem entsprechenden Biegeverfahren theoretisch eine indefinite Anzahl von Biegekonturen beziehungsweise Rohrdurchmessern pro Werkzeugsatz profiliert werden kann. Die Ausprägung „mehrere“ hingegeben beschreibt eine definite Anzahl. Die Effizienzkriterien ermöglichen eine Beurteiung der Effizienz im Hinblick auf Flexibilität der Biegeverfahren.

Die Bewertungskriterien Biegefaktor und Wanddickenfaktor wurden entsprechend den Kenntnissen aus dem Drei-Rollen-Schubbiegen und dem Rotationszugbiegen eingeteilt. [7]

Um die Biegeverfahren anhand der Ausprägung verschiedener Bewertungskriterien miteinander vergleichen zu können, wurden die Kriterien in eine Portfolio-Analyse überführt. Eine kombinierte Betrachtung von vier Bewertungskriterien Definition der Biegekontur, Anzahl der Vorzugs-Biegeeben, Effizienzkriterium A (Biegekonturen pro Werkzeugsatz), Reifegrad ermöglicht dabei eine Clusterung der Biegeverfahren, woraus eine aussagekräftige und übersichtliche Darstellung resultiert. (siehe Abbildung 1). Die Clusterung ermöglicht den Vergleich von Biegeverfahren, die anhand des Effizienzkriteriums A und des Reifegrads als ähnlich charakterisiert worden sind. [8, S. 88ff.; 9, S. 328ff.; 10, S. 84ff.]

effizienz1

Abbildung 1:     Portfolioanalyse Biegeverfahren [10, S. 85]

Ausblick

Für die Zukunft wurden Trends und Potenziale aufgezeigt. Es wird deutlich, dass die Automatisierbarkeit weiter erhöht wird. Dies wird durch Vorgänge wie automatisches Be- und Entladen erreicht. Für diesen Zweck können beispielsweise Industrieroboter eingesetzt werden, die zudem Funktionen der Biegewerkzeuge oder Fixierungsaufgaben übernehmen können. Zudem werden oftmals verschiedene Verfahren auf einer Anlage kombiniert werden, um deren individuelle Potentiale zu nutzen. Dabei werden oft formgebundene mit kinematischen Verfahren gekoppelt. [11, S. 5]

Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass eine fehlende Standardisierung bei den bereits industriell angewendeten Biegeverfahren vorliegt. Die zugrundeliegenden Informationen aus Literatur und Herstellerangeboten erlauben nahezu keine differenzierte Betrachtung der funktionalen Zusammenhänge zwischen herstellbaren Biegeradien, Bauteildurchmessern und Wanddicken. Wichtig ist, dass im Hinblick auf die Entwicklung eines Industriestandards der Biegeverfahren weitere Arbeit geleistet werden muss. Anders wird es nicht möglich werden, eine aussagekräftige, objektive und zur praktischen Anwendung geeignete Übersicht über Biegeverfahren zu ermitteln. Eine solche Übersicht könnte anhand der zu erzeugenden Geometrie (Rohrdurchmesser, Biegeradien, Wanddicke, Toleranzen) und Materialeigenschaften zur Auswahl geeigneter Biegeverfahren dienen. [10, S. 97ff.]

Literaturangaben

[1]

Albrecht, Volker: Was geht beim Rohrbiegen?

In: Blech Rohre Profile 56 (2009) 04 , S.16-17

[2]

Engel, Bernd; Gerlach, Christian: Maschinenbiegemoment beim Rohrbiegen sicher kalkulieren. In: Blech Rohre Profile 10-2008

[3]

DIN8586:2003-09. Deutsches Institut für Normung e. V., Beuth Verlag, Berlin 2003

[4]

Franz, Wolf-Dietrich: Maschinelles Rohrbiegen - Verfahren und Maschinen. VDI-Verlag, Düsseldorf 1988

[5]

Sprenger, Axel: Adaptives Streckbiegen von Aluminium-Strangpreßprofilen. Dissertation. Meisenbach Verlag Bamberg, 1998

[6]

VDI Richtlinie 3430 - Rotationszugbiegen von Profilen. Beuth-Verlag.

[7]

Engel, Bernd; Kuhnhen, Christopher; Mathes, Christian, et. al.: Standards machen Anwendern und Biegeexperten das Leben leichter. Maschinenmarkt (11), Vogel Verlag, S. 24-28, 2013

[8]

Wöhe, Günter; Döring, Ulrich: Einführung in die Allgemeine Betriebswirtschaftslehre. 24., überarbeitete und aktualisierte Auflage. 2010, Verlag Franz Valhlen GmbH, München

[9]

Welge, Martin K.; Al-Laham, Andreas: Strategisches Management -Grundlagen - Prozess - Implementierung, 4., aktualisierte Auflage. Gabler, Wiesbaden 2005

[10]

Koch, Dennis: Bewertung von unterschiedlichen Biegeverfahren zum Erstellen von Biegebauteilen mit kreisrundem Querschnitt. Bachelorarbeit. Siegen, 2013

[11]

Engel, Bernd; Selter, Oliver: Potentiale und Fertigungsstrategien zur geometrischen Gestaltung von Profilbauteilen. UTF science, (2011) III, S. 1-30