Blechumformung mit Holz#

Holz als alternativer Werkzeugwerkstoff für Tiefziehwerkzeuge#


von


Christian Koroschetz, Manfred Augustin

Institut Tools & Forming
Kompetenzzentrum für Holzbau und Holztechnologie)


Christian Koroschetz
Christian Koroschetz

Manfred Augustin
Manfred Augustin


Christian Koroschetz ist wissenschaftlicher Assistent am Institut Tools & Forming, Member of Frank Stronach Institute an der TU Graz. Forschungsgebiete: u.a. Blechumformverfahren für kleine Serien und Untersuchungen zur Superplastizität verschiedener Blechwerkstoffe.

Manfred Augustin ist wissenschaftlicher Mitarbeiter an der holz.bau forschungs gmbh (Kompetenzzentrum für Holzbau und Holztechnologie). Forschungsgebiete: Entwurf und Konstruktion von Ingenieurholzbauten, Innovative und intelligente Verbindungsmittelsysteme.


© Forschungsjournal 2008/12


Die Produktkosten für Blechbauteile jeglicher Art sind stark von den geplanten Absatzstückzahlen abhängig. Bei den so genannten kleinen und mittleren Serien wirken sich die Herstellkosten der klassischen Umformwerkzeuge sehr stark auf die Bauteilpreise aus. Um jedoch das strategische Ziel der Erschließung neuer Marktsegmente verwirklichen zu können, müssen seitens der Originalgerätehersteller und der Zulieferindustrie neue und innovative Fertigungskonzepteentwickelt werden.


Ziel der Forschungsarbeiten am Institut für Werkzeugtechnik & Spanlose Produktion ist, die Gesamtkosten von Umformwerkzeugen zu reduzieren. Erreicht werden soll das durch die Ersetzung der herkömmlichen Werkzeugwerkstoffedurch alternative Werkstoffe.

Stahlstempel und Substitutionswerkstoff Holz
Abb. 1: Im Vergleich: Ein herkömmlicher Stahlstempel und der Substitutionswerkstoff Holz
© Forschungsjournal 2008/12 / © TU Graz / Tools & Forming
In einer interdisziplinären Zusammenarbeit mit dem Institut für Holzbau und Holztechnologie wurde deshalb die Eignung des nachwachsenden und umweltfreundlichen Rohstoffes Holz als Alternative zu den herkömmlichen Werkzeugwerkstoffen untersucht.

Der Aufbau von Holz orientiert sich an den Anforderungen des Lebewesens Baum. Deshalb weist Holz anisotrope Eigenschaften auf, d.h. die mechanisch -technologischen Eigenschaften in den verschiedenen Beanspruchungsrichtungen – längs, radial und tangential zur Stammrichtung – sind unterschiedlich groß. Holz reagiert auf die umgebenden Feuchtebedingungen durch Volumsveränderungen und behält relativ konstante Eigenschaften bis zu einem Temperaturbereich von rund 75 °C. Wegen seines strukturellen Aufbaus ist weiterhin von einer unterschiedlichen Härte der einzelnen Holzarten auszugehen. Die (einheimische) Holzart "Robinie" (lat.: Robinia pseudoacacia) bietet sich für eine Verwendung besonders an. Diese ursprünglich aus Amerika stammende Baum- und Holzart ist mittlerweile in Europa, insbesondere in Ungarn und der Slowakei, aber auch in den östlichen Teilen Österreichs bestandsbildend.


Bei einem bestmöglichen Verhältnis der Eigenschaften in Faserlängs bzw. –querrichtung besitzt Robinienholz exzellente Steifigkeits- und Festigkeitskenngrößen, welche für den beabsichtigten Einsatzzweck neben der sehr großen Härte von essentieller Wichtigkeit sind. Nebenbei sei erwähnt, dass Robinienholz über eine sehr hohe Dauerhaftigkeit verfügt, wodurch auch die Verwendung in besonders feuchtebeanspruchten Bereichen ohne besondere Vorkehrungen möglich ist.


Halbzeug für die Fertigung des Stempels
Abb. 2: Als Halbzeug für die Fertigung des Stempels kamen Blöcke aus orthogonal zu ihrer Faserrichtung angeordneten 4,5 mm dicken Robinienfurnieren zum Einsatz
© Forschungsjournal 2008/12 / © TU Graz / Tools & Forming

Um das Verhalten dieses Werkstoffes unter Lasteinwirkung analysieren zu können, wurde ein Konzept für die ersten Blechumformversuche erarbeitet. Ziel dieser Versuche war es, die möglichen Grenzen in Bezug auf die Ausformbarkeit kleinster Radien zu ermitteln, sowie Aussagen über den Oberflächenverschleiß und die Standfestigkeit des Werkzeuges nach einer bestimmten Hubzahl treffen zu können. Dazu wurde eine Geometrie gewählt, die sowohl kleine wie auch große Radien aufweist und des Weiteren eine geeignete Ziehtiefe besitzt.


Als erstes Testwerkzeug diente ein bereits bestehendes Prototypen und Versuchswerkzeug, bei dem der Stahlstempel durch einen aus Robinie gefertigten Stempel ersetzt und die Matrize aus Stahl belassen wurde. Als Halbzeuge für die Fertigung des Stempels kamen Blöcke aus orthogonal zu ihrer Faserrichtung angeordneten 4,5 mm dicken Robinienfurnieren zum Einsatz. Hierdurch wurde eine bestmögliche Homogenisierung der mechanischen Eigenschaften erreicht. Um die Eigenspannungen des Grundmaterials möglichst niedrig zu halten, wurden gedämpfte Robinienfurniere verwendet. Die Verklebung erfolgte mit einem handelsüblichen PU-Klebstoff.


Halbzeug für die Fertigung des Stempels
Abb. 3: In einer Versuchsreihe mit 200 umgeformten Bauteilen wurde die Machbarkeit des Verfahrens nachgewiesen
© Forschungsjournal 2008/12 / © TU Graz / Tools & Forming


Mit einer Bearbeitungszeit von drei Stunden wurde die gesamte Stempelgeometrie auf einer Holzbearbeitungs-CNC-Fräsmaschine aus dem vorbereiteten Robinienblock gefertigt. Im Vergleich dazu würde man für die Bearbeitung eines solchen Stempels aus Stahl circa zwei Arbeitstage benötigen.

Durch eine Versuchsreihe mit 200 umgeformten Bauteilen aus konventionellem Tiefziehstahl konnte die grundsätzliche Machbarkeit des Verfahrens nachgewiesen werden. Hervorzuheben ist die hohe Oberflächenqualität der Bauteile, so dass dieses Verfahren insbesondere für Außenhautbauteile geeignet erscheint. Ein erhöhter Verschleiß zeigt sich in Bereichen von kleinen Radien (3-5mm), da hier die zulässigen Flächenpressungen des Holzwerkstoffs überschritten werden.

Ein Lösungsansatz ist die Verwendung von Stahleinsätzen in diesen hochbeanspruchten Werkzeugbereichen. Speziell im Bereich der kleinen Serien bietet diese Art der Werkzeugtechnik für großflächige Bauteile große Vorteile. Daher wird die Zusammenarbeit der beiden Institute auf diesem Gebiet in Zukunft noch stärker forciert, um dieses Verfahren stetig weiterzuentwickeln.