Metallumformung: Verfahren, Maschinen und Anwendungen der modernen Umformtechnik

Definition und Grundlagen der Umformtechnik

Das Umformen (auch bildsame Formgebung) ist nach DIN 8580 eine der sechs Hauptgruppen von Fertigungsverfahren. Es umfasst das gezielte Verändern der Form von festen Körpern aus plastischen Werkstoffen wie Metallen und thermoplastischen Kunststoffen, ohne Material zu entfernen oder hinzuzufügen. Der Werkstoff behält dabei seine Masse und seinen Zusammenhalt bei, was das Verfahren vom Trennen oder Fügen unterscheidet.

Im Gegensatz zum ungezielten Verformen (z. B. bei Unfällen) wird beim Umformen die Formänderung bewusst und kontrolliert eingebracht. Voraussetzung ist die Plastizität der Werkstoffe, die durch das Gleiten von Versetzungen in der Kristallstruktur ermöglicht wird. Ein fundamentales Gesetz ist das Gesetz der Volumenkonstanz: Da metallische Werkstoffe als inkompressibel gelten, bleibt das Volumen des Rohteils während der Formgebung erhalten. Wird beispielsweise beim Walzen die Dicke eines Blechs halbiert, verdoppelt sich bei konstanter Breite die Länge.

Einteilung der Umformverfahren

Unterscheidung nach Temperatur

• Warmumformung: Das Werkstück wird oberhalb der Rekristallisationstemperatur erwärmt. Dadurch entgegenwirkt die Rekristallisation während des Prozesses der Verfestigung, was größere Formänderungen bei geringeren Kräften ermöglicht.
• Kaltumformung: Findet unterhalb der Rekristallisationstemperatur statt (z. B. bei Stahl unterhalb von 450 °C). Die Festigkeit des Werkstoffs nimmt während der Bearbeitung zu.
• Halbwarmumformung: Bei Temperaturen zwischen 500 °C und 900 °C (bei Stahl) werden die Vorteile von Warm- und Kaltumformung kombiniert – verbesserte Umformbarkeit bei gleichzeitig höherer Genauigkeit.

Unterscheidung nach Werkstückdimensionen

• Blechumformung: Ausgangsmaterial sind ebene Bleche. Wichtige Verfahren sind Biegen, Tiefziehen und Drücken. Diese wird meist als Kaltumformung durchgeführt und hat durch die Automobilindustrie stark an Bedeutung gewonnen.
• Massivumformung: Hier werden dreidimensionale Rohteile mit ähnlichen Abmessungen in allen Richtungen verarbeitet. Wichtige Verfahren sind Walzen, Schmieden und Strangpressen.

Einteilung nach Beanspruchungsart (DIN 8582)

Die Norm DIN 8582 unterteilt die Verfahren nach den vorherrschenden mechanischen Spannungen:

• Druckumformen (DIN 8583): Walzen, Freiformen, Gesenkformen, Strangpressen, Fließpressen
• Zugdruckumformen (DIN 8584): Tiefziehen, Durchziehen, Drücken, Innenhochdruckumformen
• Zugumformen (DIN 8585): Längen, Weiten, Tiefen
• Biegeumformen (DIN 8586): Biegen von Blechen, Stangen und Rohren
• Schubumformen (DIN 8587): Verdrehen, Verschieben

Wichtige Umformverfahren im Detail

Blechumformung

Bei der Blechumformung werden flache Werkstücke in komplexe dreidimensionale Formen überführt. Das Abkanten (eine Form des Biegens) erzeugt präzise Winkel und wird häufig auf NC-gesteuerten Abkantpressen mit Presskräften bis zu 250 Tonnen durchgeführt, wie bei spezialisierten Fertigungsbetrieben üblich. Das Runden von Blechen ermöglicht die Herstellung zylindrischer und konischer Bauteile für Luftkanäle oder Behälter.

Das Tiefziehen zählt zu den bedeutendsten Verfahren: Flache Bleche werden in Hohlformen gezogen, um Getränkedosen, Karosserieteile oder Helme herzustellen. Beim Metalldrücken (Drücken) entstehen rotationssymmetrische Hohlkörper wie Kochtöpfe durch gesteuerte Werkzeugbewegung, wobei das Verfahren flexibler aber unproduktiver als Tiefziehen ist. Weitere Spezialverfahren sind das Hydroforming, bei dem hydraulische Flüssigkeit unter hohem Druck das Material in eine Matrize presst, sowie das Streckziehen für glatte, faltenfreie Konturen.

Massivumformung

Die Massivumformung eignet sich für Werkstücke mit geringem Oberfläche-zu-Volumen-Verhältnis. Das Walzen reduziert die Dicke von Platten und erzeugt Folien oder Schrauben zwischen rotierenden Werkzeugen. Beim Freiformschmieden werden Werkzeuge ohne fertige Formnegativ eingesetzt, was große Flexibilität für Einzelstücke und Großbauteile bietet.

Das Gesenkschmieden nutzt Werkzeuge mit Formnegativ für hohe Produktivität in der Serienfertigung, beispielsweise für Antriebskomponenten. Strangpressen und Fließpressen dienen der Herstellung von Profilen und komplexen Serienteilen. Beim Drahtziehen wird Material durch eine Düse gezogen, um den Querschnitt zu reduzieren.

Werkstoffe und Umformbarkeit

Grundsätzlich können alle plastisch verformbaren Werkstoffe umgeformt werden. Der am häufigsten genutzte Werkstoff ist Stahl, gefolgt von Aluminium, Kupfer und deren Legierungen. Legierungen, die speziell für das Umformen geeignet sind, werden als Knetlegierungen bezeichnet.

Die Umformbarkeit wird durch zwei Hauptkriterien bestimmt:

• Niedrige Festigkeit für geringe Bearbeitungskräfte
• Hohe Bruchdehnung für große Formänderungen ohne Rissbildung

Kupfer bietet hervorragende elektrische Leitfähigkeit und Korrosionsbeständigkeit, während Aluminium durch geringes Gewicht und natürliche Oxidschicht überzeugt. Messing zeichnet sich durch hervorragende Verformbarkeit und Festigkeit aus. Spezialisierte Umformungsdienstleister nutzen diese Eigenschaften für Präzisionsbauteile in Elektronik und Medizintechnik.

Maschinen und moderne Steuerungstechnik

Wichtige Umformmaschinen sind Pressen, Biegemaschinen, Fallhämmer und Walzmaschinen. Diese werden nach Funktionsprinzipien eingeteilt:

• Energiegebunden: Konstante Energiemenge pro Hub (z. B. Fallhammer, Spindelpressen)
• Weggebunden: Konstanter Weg pro Hub (z. B. Exzenterpressen, Kurbelpressen)
• Kraftgebunden: Kraftgesteuerte Bearbeitung bis zu definierter Grenze (z. B. hydraulische Pressen)

Moderne Entwicklungen wie die Leifeld SC Baureihe für das Metalldrücken integrieren intelligente Steuerungen mit künstlicher Intelligenz. Diese optimieren Taktzeiten automatisch, kompensieren Werkzeugauslenkungen und reduzieren Ausschussraten durch automatische Kraftkontrolle. Die Ölumlaufschmierung anstelle von Fettschmierung ermöglicht Lebensdauern von über 40 Jahren.

Für das Rohrbiegen stehen verschiedene Maschinentypen zur Verfügung: Handrohrbieger (Kompressionstyp), Tischbieger (Rotary-Draw-Verfahren) und elektrische Biegemaschinen. Fortgeschrittene Techniken umfassen Mandrel-Biegen, Rotationsziehbiegen und Induktionsbiegen für komplexe Geometrien, wie bei spezialisierten Rohrtechnik-Dienstleistern angewendet.

Berechnungsgrundlagen und Qualitätssicherung

In der Umformtechnik werden anstelle klassischer Spannungs-Dehnungs-Diagramme Fließkurven verwendet. Diese stellen den Zusammenhang zwischen Umformgrad und Fließspannung dar. Daraus lassen sich Umformkraft und Umformarbeit berechnen. Die erreichbaren Genauigkeiten liegen typischerweise bei ISO-Toleranzen IT16 bis IT12, mit Präzisionsvarianten bis IT8 beim Präzisionsschmieden oder IT6 beim Kaltfließpressen.

Für die Qualitätssicherung kommen moderne Inline-Prüfsysteme zum Einsatz, beispielsweise basierend auf Terahertz-Technologie. Diese ermöglichen die Echtzeit-Messung von Durchmesser, Wanddicke, Schichtaufbau und Ovalität direkt im Produktionsprozess, um Materialeinsparungen von bis zu einem Prozent zu realisieren.

Vorteile und Anwendungsfelder

Umformverfahren bieten gegenüber spanenden Verfahren entscheidende Vorteile:

• Hohe Materialausnutzung ohne Spanabfall
• Beanspruchungsgerechter Faserverlauf und verbesserte mechanische Eigenschaften
• Hohe Prozesseffizienz und geringer spezifischer Energieverbrauch
• Eignung für Massenproduktion bei guter Wirtschaftlichkeit

Typische Anwendungen finden sich in der Automobilindustrie (Karosserieteile, Antriebskomponenten), im Schienenfahrzeugbau (Fahrerkabinen, Türmodule, Luftkanäle), in der Luft- und Raumfahrt sowie in der Elektronik und Medizintechnik. Die Verfahren ermöglichen die Herstellung von Bauteilen mit Wanddicken von wenigen Zehntelmillimetern bis zu mehreren Millimetern. Weitere technische Details zu spezialisierten Verfahren wie dem Kalt-Biegen von Rohren finden sich in Fachliteratur.