Einleitung
Die Umformtechnik ist ein zentraler Bestandteil der modernen Fertigungstechnik und spielt in nahezu allen Bereichen der industriellen Produktion eine bedeutende Rolle. Ob in der Automobilindustrie, im Maschinenbau, in der Luft- und Raumfahrttechnik oder in der Elektroindustrie – überall werden Bauteile benötigt, die durch gezielte Formänderung von Werkstoffen entstehen.
Im Gegensatz zu anderen Fertigungsverfahren wie Spanen oder Gießen zeichnet sich die Umformtechnik dadurch aus, dass der Werkstoff nicht abgetragen oder geschmolzen, sondern durch plastische Verformung in die gewünschte Form gebracht wird. Dadurch bleibt die Materialstruktur weitgehend erhalten, was zu einer hohen Festigkeit und guten Materialausnutzung führt.
In diesem Artikel werden die Grundlagen, Verfahren, Maschinen, Werkstoffe, Vor- und Nachteile sowie die Zukunftstrends der Umformtechnik ausführlich dargestellt.
1. Grundlagen der Umformtechnik
1.1 Definition
Unter Umformtechnik versteht man alle Fertigungsverfahren, bei denen die Form eines festen Körpers gezielt verändert wird, ohne dass dabei Material abgetragen oder hinzugefügt wird. Der Werkstoff erfährt eine plastische Verformung, das heißt, er behält nach der Entlastung die neue Form bei.
Die Umformtechnik gehört zur Hauptgruppe „Urformen, Umformen, Trennen, Fügen, Beschichten und Stoffeigenschaften ändern“ nach der DIN 8580-Norm.
1.2 Prinzip der Umformung
Die plastische Verformung eines Werkstoffes wird durch das Einwirken äußerer Kräfte erreicht. Diese Kräfte müssen so groß sein, dass sie die Elastizitätsgrenze des Materials überschreiten.
Dabei kommt es im Werkstoff zu einer bleibenden Formänderung, während die Masse und das Volumen des Werkstücks konstant bleiben.
Wichtige Größen sind:
- Spannung (σ): Maß für die wirkende Kraft pro Fläche
- Dehnung (ε): Maß für die relative Längenänderung
- Fließgrenze: Grenze, ab der der Werkstoff plastisch zu fließen beginnt
2. Einteilung der Umformverfahren
Nach DIN 8582 werden Umformverfahren nach der Art der Beanspruchung eingeteilt:
2.1 Druckumformen
Hierbei wirkt überwiegend Druck auf das Werkstück. Typische Verfahren sind:
- Walzen
- Gesenkformen
- Fließpressen
- Schmieden
2.2 Zugdruckumformen
Kombination aus Zug- und Druckbeanspruchung:
- Tiefziehen
- Drücken
- Streckziehen
2.3 Zugumformen
Hierbei wirkt hauptsächlich Zug:
- Drahtziehen
- Rohrausziehen
2.4 Biegeumformen
Das Werkstück wird durch Biegemomente verformt:
- Abkanten
- Rundbiegen
- Profilbiegen
2.5 Schubumformen
Hierbei wird das Material durch Schubspannungen verformt:
- Torsionsumformen
- Verdrillen
3. Wichtige Verfahren der Umformtechnik im Detail
3.1 Schmieden
Beim Schmieden wird Metall durch gezieltes Hämmern oder Pressen in Form gebracht. Es unterscheidet sich in:
- Freiformschmieden: Formänderung zwischen flachen Werkzeugen
- Gesenkformen: Werkstück wird in eine Matrize gepresst
Vorteile:
- Hohe Festigkeit durch Faserverlauf
- Gute Werkstoffausnutzung
Anwendungsgebiete:
- Kurbelwellen, Achsen, Zahnräder, Werkzeuge
3.2 Walzen
Beim Walzen wird das Material zwischen rotierenden Walzen hindurchgeführt, wodurch es in der Dicke verringert und in der Länge vergrößert wird.
Arten:
- Längswalzen
- Querwalzen
- Schrägwalzen
Anwendung:
- Herstellung von Blechen, Drähten, Profilen und Rohren
3.3 Tiefziehen
Ein flaches Blech wird in eine Vertiefung gezogen, wodurch Hohlkörper entstehen.
Wichtige Parameter:
- Ziehverhältnis
- Ziehradius
- Reibung zwischen Blech und Werkzeug
Typische Produkte:
- Getränkedosen, Karosserieteile, Waschmaschinentrommeln
3.4 Biegen
Beim Biegen wird das Werkstück durch Biegemomente verformt, meist an Pressen oder Abkantmaschinen.
Beispiele:
- Rohrbiegen
- Profilbiegen
- Falzen
Vorteile:
- Keine Spanbildung
- Geringer Materialverlust
3.5 Fließpressen
Beim Fließpressen wird ein Rohling durch eine Matrize gedrückt, wobei Material in Form fließt.
Unterschieden wird:
- Vorwärtsfließpressen
- Rückwärtsfließpressen
- Querfließpressen
Anwendungen:
- Zahnräder, Bolzen, Hohlkörper
4. Werkstoffe in der Umformtechnik
Die Wahl des richtigen Werkstoffes ist entscheidend für die Qualität des Umformprozesses.
Wichtige Werkstoffe sind:
4.1 Metalle
- Stähle: Besonders gut umformbar im warmen Zustand
- Aluminium: Leicht, korrosionsbeständig, sehr gut tiefziehbar
- Kupfer: Hervorragend umformbar, hohe Leitfähigkeit
- Titan: Fest, aber schwer zu umformen, besonders in der Luftfahrt genutzt
4.2 Kunststoffe
Thermoplaste können bei erhöhter Temperatur umgeformt werden.
Beispiele: PVC, ABS, Polycarbonat
4.3 Verbundwerkstoffe
Werden zunehmend in der Automobil- und Luftfahrtindustrie eingesetzt, erfordern jedoch spezielle Umformtechniken.
5. Maschinen und Werkzeuge der Umformtechnik
5.1 Pressen
Pressen sind die wichtigsten Maschinen der Umformtechnik.
Arten:
- Mechanische Pressen
- Hydraulische Pressen
- Servo-Pressen
5.2 Walzwerke
Zum kontinuierlichen Formen von Blechen und Profilen.
5.3 Ziehmaschinen
Für Draht-, Rohr- und Tiefziehvorgänge.
5.4 Biegemaschinen
Zur Herstellung von Profilen, Rohren oder Karosserieteilen.
5.5 Werkzeuge
Werkzeuge müssen hohen Kräften standhalten. Typische Materialien sind Werkzeugstähle oder Hartmetalle.
6. Vorteile der Umformtechnik
- Hohe Materialausnutzung: Kaum Abfall oder Späne
- Hohe Festigkeit: Durch Kaltverfestigung und Faserverlauf
- Gute Maßhaltigkeit: Präzise und wiederholgenaue Produktion
- Vielfältige Formen: Geeignet für komplexe Geometrien
- Wirtschaftlich: Besonders bei großen Stückzahlen
7. Herausforderungen und Grenzen
- Hohe Werkzeugkosten bei kleinen Serien
- Komplexe Prozesssteuerung erforderlich
- Verschleiß an Werkzeugen durch hohe Belastung
- Materialabhängigkeit: Nicht alle Werkstoffe sind gut umformbar
- Temperaturabhängigkeit: Warmumformen erfordert hohe Energie
8. Qualitätskontrolle und Messtechnik
In der modernen Fertigung spielt die Qualitätssicherung eine zentrale Rolle.
Typische Prüfmethoden:
- Oberflächenprüfung
- Wanddickenmessung
- Form- und Maßprüfung
- Röntgen- und Ultraschallprüfungen
Digitale Systeme ermöglichen eine inline-Kontrolle direkt während des Produktionsprozesses.
9. Digitalisierung und Industrie 4.0 in der Umformtechnik
Mit der Industrie 4.0 hat die Umformtechnik eine neue Entwicklungsstufe erreicht.
Digitale Technologien wie:
- Sensorik
- KI-basierte Prozesssteuerung
- Virtuelle Simulationen
- Digital Twins (digitale Zwillinge)
ermöglichen eine vorausschauende Wartung, optimierte Energieeffizienz und höhere Produktqualität.
Simulationstools wie Finite-Elemente-Analyse (FEA) werden eingesetzt, um Verformungsprozesse
