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Additiv gefertigte Umformwerkzeuge im Prototypenbau

April 2019 — Kunststoffbasierte additive Fertigung von Umformwerkzeugen könnte den Aufwand für die Entwicklung und Industrialisierung von Fahrzeugen senken. Das PEM der RWTH Aachen University untersucht dies unter anderem an Karosserieblechen und Zellverbindern in Batteriemodulen von E-Mobilen.

Additively manufactured
forming tools in prototype construction

Synthetic material-based additive manufacturing of forming tools could reduce the effort for the development and industrialisation of vehicles. The RWTH Aachen University is researching this on car body panels and cell connectors in battery modules of e-mobiles, among other things.

Kürzere Anlaufphasen, kleinere Serien und eine steigende Variantenvielfalt erfordern Lösungen für eine kürzere und kostengünstigere Entwicklung und Industrialisierung von Fahrzeugen. Dies gilt insbesondere für Elektrofahrzeuge, deren Erfolg nicht zuletzt von einer wirtschaftlichen Produktion abhängig ist. Dabei steht unter anderem die Komplexität von Werkzeugen für die Blechumformung sowie hohe Investitionskosten in Anlagentechnik im Widerspruch zum hohen Änderungsrisiko im Produktionsanlauf. Konventionelle Umformwerkzeuge für Bleche aus kaltumgeformten Stählen werden in der Regel aus Werkzeugstahl und Halbzeugen zerspanend bearbeitet. Die spanende Bearbeitung ist jedoch neben der hohen Bauteilqualität und Bandbreite an zerspanbaren Werkstoffen mit einem hohen Kosten- und Zeitaufwand verbunden, welcher erst ab einer bestimmten Stückzahl an produzierten Bauteilen profitabel ist. Insbesondere in der Entwicklungs- und Produktionsanlaufphase kann es zu Bauteiländerungen kommen, was in der Regel mit einer Anpassung der Werkzeuggeomtrie verbunden ist und somit die Aufwände der Werkzeugbereitstellung erhöht.

Die kunstoffbasierte additive Fertigung von Umformwerkzeugen ist hierbei ein Lösungsansatz für die schnelle und kosteneffeziente Entwicklung und Industrialisierung von Elektrofahrzeugen. Zum einen können damit beispielsweise Karosseriebleche zur Anwendung bei Prototypen- und Vorserienfahrzeugen hergestellt werden und bieten eine Alternative zum konventionellen Prägen und Tiefziehen. Zum anderen können Komponenten in einem Batteriespeicher wie beispielsweise die Zellverbinder, Spannungsabnehmer, Modulverbinder und Gehäuseteile hergestellt werden. Für eine schnelle und kostengünstige Herstellung von additiv gefertigten Umformwerkzeugen kommt primär das Fused Filament Fabrication (FFF)-Verfahren zum Einsatz. Dabei wird ein dünner Kunststoffdraht mit Hilfe eines in allen drei Raumrichtungen verfahrbaren Extrusionskopf aufgeschmolzen und Schicht für Schicht in der X-Y-Ebene abgelegt, bis das Bauteil komplett aufgebaut ist. Mit aktuellen Verfahren ist eine ausreichende Genauigkeit für das Umformen von Blechbauteilen und den daran gestellten Anforderungen möglich. Die Umformwerkzeuge werden aus dem Kunststoff ABS gefertigt, der sich aufgrund der guten mechanischen Eigenschaften und den geringen Material- und Verarbeitungskosten für die Anwendungsfälle eignet.

Im Rahmen der aktuellen Forschung ist eine entsprechende Prozesskette sowie additiv gefertigte Umformwerkzeuge für den Aufbau von Prototypen entwickelt worden und wird zur Bauteilherstellung eingesetzt. Nach dem Laserschneiden der Platinen aus Blechtafeln als Eingangsgröße für den nachgelagerten Umformprozess folgt der Biegeprozess mit einer konventionellen hydraulischen CNC-Biegemaschine. Dafür wurden universale Werkzeugaufnahmen aus 42CrMo4 Stahl entwickelt, die etwa 90 % eines ursprünglichen Biegewerkzeuges abbilden. Die restlichen rund 10 % werden zur Formgebung des avisierten Bauteiles geometriespezifisch mittels additiver Fertigung hergestellt. Dieselben additiv hergestellten Werkzeuge beziehungsweise Werkzeugeinsätze lassen sich ebenfalls auf hydraulischen C-Bügel-Pressen oder händischen Kniehebel- und Zahnstangenpressen anwenden. Die für den Prototypenbau eingesetzten Umformwerkzeuge sind als Prägewerkzeuge konzipiert. Abbildung 1 zeigt exemplarische Anwendungen der additiv gefertigten Umformwerkzeuge sowie die Eigenschaften des Umformwerkzeugs und der umgeformten Bauteile. Für die Umformung wird eine „Tru Bend 5085“-Biegemaschine verwendet.

Alternative zum Prägen und Tiefziehen

In ersten Versuchen sind mit den additiv gefertigten Prägewerkzeugen jeweils rund 20 Bauteile hergestellt worden, was den in der Prototypenphase üblichen Stückzahlen entspricht. Die produzierten Bauteile können in einer den Anforderungen entsprechenden Bauteilqualität hergestellt werden und es ist kein erkennbarer Werkzeugverschleiß festgestellt worden. Im Zuge des Protytypenbaus wurden die internen Herstellkosten der kunststoffbasierten additiven Fertigung gegenüber Online-Portalen für die additive Lohnfertigung, regionalen Lohnzerspanern und Online-Portalen für die Lohnzerspanung verglichen. Abbildung 2 zeigt die Produktionskosten und -zeit der verschiedenen Anbieter im Vergleich mit den Umformwerkzeugen, wobei die Zerspanung Umformwerkzeuge aus 42CrMo4 Stahl beinhaltet. Für die regionalen Lohnzerspanung wurden fünf Anbieter angefragt, wobei drei Angebote unterbreitet wurden. 

Gemittelt über die vier betrachteten Umformwerzeuge fallen die höchsten Produktionskosten im Online-Portal für Lohnzerspanung von 42CrMo4 an. Im Vergleich dazu betragen die Produktionskosten bei den regionalen Lohnzerspanern etwa  95 %, im Online-Portal für additive Lohnfertigung 63 % und bei der internen additiven Fertigung rund 56 %. Da die Produktionskosten der additiv gefertigten Prägewerkzeuge (mit 56 % und 63 %) deutlich unter denen der konventionellen (100 % und rund 95 %) liegen und damit niedrigere initiale Anschaffungskosten aufweisen, können die Werkzeuge bei sich ändernden Bauteilgeometrien einfach neu „ausgedruckt“ werden. Gleiches gilt für den Fall, dass die maximale Standzeit erreicht wird und weitere Bauteile benötigt werden. In diesem Fall ist es immer noch günstiger, sich das Werkzeug erneut „auszudrucken“. Zusätzlich ist eine deutlich reduzierte Produktionszeit bei den additiv gefertigten Umformwerkzeugen zu erkennen, wobei vor allem bei der internen additven Fertigung aufgrund der vorhandenen Infrastruktur eine Produktionszeit von rund einem Tag realisiert werden kann. 

In weiteren Schritten sind umfangreiche Standzeituntersuchungen mit den additiv gefertigten Prägewerkzeugen geplant. Dabei soll die Prozessstabilität anhand von Bauteilmessungen quantifiziert werden sowie Verschleißerscheinungen am Werkzeug mit Hilfe von optischen Messverfahren untersucht werden. Für die weitere Charakterisierung von additiv gefertigten Umformwerkzeugen sollen unter anderem der minimal mögliche Biegeradius sowie der maximal mögliche Umformgrad analysiert werden.

Georg Bergweiler, Falko Fiedler, Achim Kampker und Kolja Lichtenthäler, Chair of Production Engineering of E-Mobility 

RWTH Aachen University
Chair of Production Engineering of E-Mobility Components (PEM)
Campus-Boulevard 30
52074 Aachen
Ansprechpartner ist Kolja Lichtenthäler
Tel.: +49 151 65682043
k.lichtenthaeler@pem.rwth-aachen.de
www.pem.rwth-aachen.de

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