UMFORMtechnik (Blech)

 
 
   

TECHNIK / PROFILBIEGEN

Biegen mit Nachdruck

Eine 3D-Freiformbiegeeinrichtung für Profile mit nicht kreisförmigem Querschnitt hat das IUL der TU Dortmund entwickelt. In dem Verfahren wird das Profil durch drei gegenüberliegende Rollenpaare geführt und reibschlüssig über die Längsachse durch den Prozess transportiert. Eine davor montierte Biegeachse definiert kinematisch die Biegekontur. Die Versuchsmaschine ist auf der Hannover Messe zu sehen.

Im Bereich des Freiformbiegens von Rohren und Profilen ist in den letzten Jahren ein Trend zu flexiblen Verfahren zu sehen, welche die Biegekontur werkzeugungebunden erzeugen. Oftmals arbeiten diese Verfahren mit „pusherbasierten“ Vorschüben speziell für Rohrquerschnitte. Dabei kommen häufig Ziehbiegemaschinen zum Einsatz, die ein Rollensystem anstelle des Ziehbiegewerkzeugs am Biegekopf montiert haben. Die speziellen Eigenschaften nichtkreisförmiger Profilquerschnitte, die unter Umständen zum Tordieren neigen, werden bei diesen Verfahren selten berücksichtigt. Zudem verstärken die durch den Pusherantrieb erzeugten axialen Kräfte die Gefahr des Ausknickens der Profile und die verarbeitbare Profillänge ist wegen der formschlüssigen Antriebsform des Pushers auf die jeweilige Maschinenlänge beschränkt.
Am Institut für Umformtechnik und Leichtbau an der TU Dortmund wurde mit dem TSS-Bieger ein System speziell für das Freiformbiegen von Profilen mit nichtkreisförmigen Querschnitten entwickelt. Dabei wird der Querschnitt des Profils durch drei gegenüberliegende Rollenpaare geführt und reibschlüssig über die Längsachse durch den Prozess transportiert (c-Achse). Eine davor montierte Biegeachse definiert dann kinematisch die entsprechende Biegekontur (x-Achse).

Die Konstruktion

Durch die rollenbasierte reibschlüssige Vorschubeinheit eignet sich die NC-gesteuerte Maschine gut zur Verarbeitung extrem langer Halbzeuge, denkbar ist hierbei z. B. ein fliegendes Abtrennen der Werkstücke innerhalb einer integrierten Fertigung. Außerdem ist die Vorschubeinheit schwenkbar aufgehängt und kann um die Längsachse des Werkstücks gedreht werden. Um Fehler in der Biegekontur bedingt durch eine Verformung der Maschine auszugleichen, wurde eine steife Rahmenkonstruktion mit integrierter hydrostatischer Lagerung realisiert.
Der Biegeprozess kann durch eine Schwenkbewegung um den Schwerpunkt des Profilquerschnitts mit einem Torsionsmoment überlagert werden, so dass räumlich gekrümmte Freiformbiegeteile herzustellen sind. Daraus leitet sich auch die Verfahrenbezeichnung „TSS“: Torque suberposed Spatial profile bending (Torsionsmoment überlagertes räumliches Profilbiegen) ab.
Auf der Biegeachse x ist der Biegekopf montiert, der das Profil umschließt, führt und das Biegemoment einleitet. Der auswechselbare Biegekopf weist die Ausgleichsachsen f2 und t auf um ein tangentiales Einstellen an der jeweiligen Biegekontur und ein Mitdrehen bei der jeweiligen Definition der Biegeebene zu ermöglichen.
Der Biegekopf ist mit einer integrierten Einstellmechanik flexibel zur Aufnahme verschiedener Profilgeometrien. Die übrigen Werkzeugelemente sind Rollen, welche als einfache Drehteile kostengünstig herzustellen und an andere Profilgeometrien angepasst werden. Bei Aluminiumprofilen ist der Einsatz von Polymerrollen denkbar.
Zurzeit erlaubt das System mit der Profilposition, die durch einen entsprechenden Sensor definiert ist, das Biegen eines großen Spektrums an Geometrien durch die drei geregelten Achsen f2, x, c.

Spezifikationen des Systems

Das realisierte System wurde für eine Leistung von 60 x 60 x 3 mm Baustahl (St 37) ausgelegt, und ist mit einer Rollenbiegemaschine der mittleren Leistungsklasse vergleichbar. Der minimal erreichbare Radius hängt vom Profil ab und ist Gegenstand aktueller Untersuchungen. Zurzeit werden bei einem 40 x 40 x 4 Stahlrechteckprofil Radienwerte von der Größe des Rollenradius erreicht. Dies entspricht einem Mindestbiegeradius von ca. 4 x D. Zurzeit werden umfassende Untersuchungen durchgeführt und das Verfahren und die Maschine werden kontinuierlich weiterentwickelt. Das Verfahren steht aber bereits jetzt für eine industrielle Anwendung zur Verfügung.
Mit einer entsprechenden FEM-Simulation während der Entwicklungsphase wurde die Maschine soweit optimiert, dass im Hinblick auf die Umformung sich das letzte Vorschubrollenpaar durch eine sehr gute Stützwirkung für den Querschnitt auszeichnet.
Bei dünnwandigen Profilen arbeitet das System mit einem Gliederdorn, der durch rollenbasierte Stützleisten eine reibungsarme Innenstützung des Querschnitts gewährleistet.
Die Torsionsachsen f1 und f2 ermöglichen es, nicht nur die Biegeebene zu wechseln, sondern durch eine günstige Wahl der Biegeebene im Querschnitt kann das typische Verdrehen des Querschnittes unsymmetrischer Profile kompensiert werden.
Ein überlagertes Torsionsmoment hat die gleiche Wirkung. Das Torsionsmoment wird durch eine Differenz zwischen dem Achsenwinkel der Vorschubeinheit f1 und des Biegekopfes f2 dem Biegeprozess überlagert. Diese Zusatzfunktion des kontinuierlichen spannungsüberlagerten Biegens kann zusätzlich zur Minderung der Rückfederung beim Biegeprozess eingesetzt werden. Die eingebrachte Schubspannung vermindert dabei die elastischen Restspannungen im Biegequerschnitt. Dies führt ähnlich wie die Zugspannung beim Streckbiegen zu einem verminderten Zurückfedern des Radius.

Aktuelle Forschungsarbeiten

Die Untersuchungen an der fertig gestellten Biegemaschine werden sich in Zukunft vor allem mit der Thematik der Prozessplanung und der Erzeugung des entsprechenden NC-Codes zum Erreichen von maßhaltigen Biegeteilen beschäftigen.
Ziel dieser Arbeiten ist es mit einem entsprechenden Berechnungsmodell schon beim ersten Biegeversuch ein nahezu maßhaltiges Teil zu fertigen.
Der Einsatzbereich der 3D-Biegmaschine für Profile liegt überall dort, wo hohe Flexibilität in Kombination mit hoher Konturgüte und Verarbeitungsqualität gefordert ist. Eine Anwendung wird beispielsweise im allgemeinen Maschinen- und Anlagenbau, im Luftfahrtbereich und in der Automobilindustrie als Alternative zum Streckbiegen gesehen. In Frage kommen weiterhin die Möbelfertigung und Architekturanwendungen.
Mit dem TSS-Profilbieger wird ein Lösungsansatz für räumlich gebogene Profilstrukturen geschaffen, der in weiteren Untersuchungen für den Einsatz in der Praxis optimiert wird. Das Verfahren steht aber bereits jetzt für eine industrielle Anwendung zur Verfügung.
Die Entwicklung wird als Teil des Gemeinschaftsstandes tech transfer – Gateway2Innovation auf der Hannover Messe 2009 präsentiert.
Matthias Hermes, Uwe Dirksen, A. Erman Tekkaya

>> Tech transfer – Gateway2Innovation

tech transfer – Gateway2Innovation ist eine Initiative der Deutschen Messe AG und des Ausstellerbeirates der Hannover Messe. Ihr Ziel ist, erfolgreiches Innovationsmanagement anschaulich und erlebbar zu machen. Im Rahmen des Innovationsmarktes Research & Technology auf der Hannover Messe schafft tech transfer an einem Gemeinschaftsstand Raum und Gelegenheit, Partner für eigene Projekte zu finden und gemeinsame Schritte zu planen. Das ganztägige Forumsprogramm liefert darüber hinaus wichtige Impulse für einen erfolgreichen Technologietransfer.
>> http://www.tech-transfer.info

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