Innenhochdruckumformen

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Außenhochdruckumformung

Innenhochdruckumformung (kurz IHU) ist dem Hydroforming (meist synonym verwandt) zuzurechnen und bedeutet das Umformen metallischer Rohre oder Hohlkörper im geschlossenen Formwerkzeug mittels Innendruck. Es ähnelt dem Tiefziehen mit Wirkmedien.

Von anderen wirkmedienbasierten Verfahren zur Umformung von metallischen Blechen, z. B. der Außenhochdruckumformung (siehe Bild rechts, englisch Sheet-Hydroforming), dem Hydraulischen Tiefziehen oder dem Hydromechanischen Tiefziehen, unterscheidet sich das Verfahren dadurch, dass das Werkstück selbst weitestgehend die Dichthülle des Druckes bildet.

Der Druck wird z. B. durch eine Wasser-Öl-Emulsion in den Hohlkörper eingebracht. Die Öffnungen werden während des Umformprozesses durch Dichtstempel, die durch Hydraulikzylinder angetrieben werden, abgedichtet. Wesentliche Prozessparameter sind dabei der Innendruck, der bis zu 3.000 bar betragen kann, sowie im Falle von Rohren das Nachschieben von Material bzw. Stauchen von den Bauteilenden her mit Hilfe der Dichtstempel. Es gibt eine Vielzahl von Verfahrensvariationen (zum Beispiel Vorform-Operationen) und –ergänzungen (zum Beispiel integrierte Lochoperationen). Die Prozesse laufen bei Raumtemperatur ab.

Geschichte[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Das Verfahrensprinzip des Innenhochdruckumformens war bereits im 19. Jahrhundert bekannt. Das Verfahren basierte auf der Tatsache, dass sich beim Nachschieben des Materials von den Bauteilenden her eine Volumenänderung bzw. -reduktion im Innern ergibt, wodurch der Umformdruck aufgebaut wurde. Der Prozess konnte also nicht geregelt werden und war daher nur schwer zu beherrschen. Er gewann erst in der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts wieder an Bedeutung, als die hohen Drücke im Wirkmedium erzeugt werden konnten.

Das klassische Bauteil, das mittels Innenhochdruckumformung gefertigt wurde und auch heute noch wird, ist das Kupfer-T-Stück, das z. B. in Wasserleitungen eingesetzt wird.

Im Laufe der 1990er Jahre gewann das Verfahren zunehmend an Bedeutung, als vermehrt IHU-geformte Bauteile in der Automobilindustrie eingesetzt wurden. Das erste Großserienfahrzeug, das größere IHU-Teile in der Karosserie verbaut hatte, war der Audi A8 (seit 1994).[1]

Die Innenhochdruckumformung nimmt heute als Spezialverfahren einen wichtigen Platz im Bereich der Metallumformung ein.

Verfahrenstechnik[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Anlagentechnik[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die Formwerkzeuge zur Fertigung von IHU-Bauteilen werden typischerweise in hydraulischen Pressen betrieben, die um ein entsprechendes Wasserhydraulikaggregat und die zugehörige Steuerung ergänzt werden. Die hydraulische Presse dient dabei als Zuhaltevorrichtung für das Werkzeug. Aufgrund der variablen Druckverläufe im Werkzeug, die die Werkzeughälften auseinanderdrücken wollen, ist eine geregelte Zuhaltevorrichtung in den meisten Fällen unabdingbar.

Aufgrund der hohen Drücke im Werkzeug sind in der Regel Pressen mit großen Zuhaltekräften erforderlich. Auch die Werkzeugkonstruktion muss die hohen Drücke berücksichtigen, um entsprechende Standzeiten zu gewährleisten.

Verfahrensauslegung und Machbarkeitsgrenzen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Da es sich bei der Innenhochdruckumformung um ein komplexes Verfahren mit vielen verstellbaren Parametern handelt, ist oft ein hoher Aufwand zur Verfahrensauslegung erforderlich. In vielen Fällen können Machbarkeitsuntersuchungen und Verfahrensvorauslegungen mittels FEM-Simulationen durchgeführt werden. Dennoch ist oft ein Prototyping zur Bestätigung der Machbarkeit anzuraten beziehungsweise ein aufwändiger Inbetriebnahmeprozess zu erwarten.

Die Realisierbarkeit hängt im Wesentlichen von der zur Herstellung eines konkreten Bauteils erforderlichen maximalen Aufweitung/Dehnung ab. Diese darf im Normalfall nicht die Gleichmaßdehnung des eingesetzten Werkstoffs übersteigen. Lediglich im sogenannten Nachschiebebereich (Bereich in dem mit Hilfe der Dichtstempel Material nachgeschoben werden kann) kann diese partiell überschritten werden. Ist dies nicht ausreichend, so wird eventuell ein Zwischenglühprozess erforderlich.
Werkstoffe mit hohem Dehnvermögen (zum Beispiel Edelstähle, Kupfer) sind insofern besser für das IHU-Verfahren geeignet als solche mit geringem Dehnvermögen (zum Beispiel hochfeste Stähle, Aluminium). Durch Weiterentwicklungen des IHU-Verfahrens wurde aber auch die sichere Verarbeitung von Werkstoffen mit geringem Dehnvermögen möglich. Verformungs-Grenzkurven (siehe Forming Limit Curve) des eingesetzten Werkstoffs sind für Machbarkeitsuntersuchungen, FEM-Simulationen und Verfahrensauslegungen unumgänglich.

Eine weitere Machbarkeitsgrenze ist der maximal verfügbare Innendruck und die dadurch mögliche maximale Ausformung des Bauteils (insbesondere in Kofferecken und bei kleinen Radien). Der maximale Innendruck ist wiederum durch die wirtschaftlich realisierbare Anlagentechnik begrenzt.

Vor- und Nachteile[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Wesentliche Nachteile des IHU-Verfahrens sind die verhältnismäßig langen Taktzeiten (verglichen zum Beispiel mit konventionellem Tiefziehen) und die hohen Investitionskosten (bei IHU/Rohrumformwerkzeugen).

Als Vorteile stehen dagegen weitgehende Gestaltungsfreiheiten, Einsparung von Einzelteilen (durch Kombination einzelner Bauteile, zum Beispiel bei bisher verwendeter Halbschalenbauweise), dadurch Entfall von Montage- und/oder Schweißoperationen, Kaltverfestigung des Werkstoffs beim Umformprozeß und Gewichtsersparnis als Resultat der vorgenannten Punkte. Auch die hohe Präzision und Wiederholgenauigkeit der Bauteile sprechen für das Verfahren.

Einsatzgebiete[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Eingesetzt wird IHU bevorzugt für Rohre mit einer variablen Dicke und für T-Stücke wie Fittings oder auch Wasserhähne. Auch in der Fahrradfertigung werden Rohrsätze mit komplexeren Formen per Hydroforming hergestellt. Durch dieses Verfahren kann man die Wandstärke bedarfsgerecht anpassen und ausformen; dies kann Gewicht und auch Kosten sparen.

Im Karosseriebau werden hohle Blechteile hergestellt, indem 2 Bleche zunächst miteinander in bestimmten Nahtformen verschweißt werden und nachfolgend dazwischen Druck aufgebaut wird. Steppnähte, teilweise mit Durchbrüchen, sorgen z. B. für die Einhaltung spezifischer Belastungsanforderungen. Im Fahrwerksbau wird die Teilefertigung teils drastisch vereinfacht[2].

Literatur[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. Peter Freytag: Verfahrensbilanz. Technische Fortschritte verbessern IHU-Potenzial. In: BLECH inForm. 05/2006, Carl Hanser Verlag, München
  2. https://www.schulergroup.com/technologien/produkte/grundlagen_innenhochdruckumformung_bauteile_fahrwerk/index.html IHU Fertigung von einem Fahrwerksteil aus einem Rohr

Weblinks[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]