Effizienter Tiefziehen mit Ultraschall
Fraunhofer-Forschende versetzen Stempel, Matrize und/oder Niederhalter in Schwingung. Dadurch wird die Reibung reduziert, die Zahl der Umformschritte minimiert und die Standzeit erhöht.
Foto: Fraunhofer IWU
Sie finden sich in vielen Haushaltsgeräten, in der Gebäudetechnik, in zahllosen Rohr- und Hydraulikleitungen: kleine, zylindrische Teile, die in Tiefziehprozessen gefertigt werden. Bei der Umformung wird das Material stark belastet, was zu ungewollter Ausdünnung, Oberflächenschäden und sogar zu Rissen führen kann. Abhilfe schaffen Ultraschallschwingungen, die die Reibung im Material und im Kontakt mit den Werkzeugen erheblich reduzieren.
Im Verfahren „Vibrodraw“ ist es dem Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU gemeinsam mit der Mark Metallwarenfabrik GmbH und der Devad GmbH gelungen, Ultraschallschwingungen bei industrierelevanten Tiefziehprozessen mit Taktzahlen von bis zu 500 Hüben pro Minute wirksam einzukoppeln.
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Dass Ultraschall beim Tiefziehen Reibung reduzieren und damit sowohl Werkzeuge als auch Material schonen kann, ist schon seit Längerem bekannt. Auch das Energiesparpotenzial, das sich aus den geringeren Kräften ergibt, würden die Hersteller von Leitungen und Fittings (Verbindungsmaterial) gern nutzen. Doch erst dem Team um IWU-Forscher Martin Mädlow ist es gelungen, die typischen schlagartigen Belastungen in industriellen Umformprozessen zu beherrschen. Bisher gelang die effektive Nutzung von Ultraschall nur in nahezu statischen Laboraufbauten.
Mindestens 20 % weniger Reibung beim Umformen von Blech
Für die Schwingungsanregung kommen die aktiven Werkzeugteile Stempel und Matrize ebenso infrage wie der Niederhalter, der das Blech während des Umformens in der gewünschten Position hält. Die Forschenden haben sich für die Matrize entschieden; sie hat den größten Anteil an der Relativbewegung beim Umformen. „In der Matrize ist am meisten zu holen. 20 % Reibungsreduzierung haben wir bereits geschafft, sehen aber durchaus noch weiteres Potenzial“, betont Mädlow.
Reglementiert durch die vom Werkstück übertragbare Prozesskraft erfolgt das Umformen meist in einer Abfolge mehrerer Stufen. Bei reduzierter Reibung kann in einer einzelnen Stufe deutlich weiter tiefgezogen werden, ohne dass das Material geschädigt wird. So genügen beispielsweise zwei anstelle von drei konventionellen Umformschritten. Reduzierte Reibung bedeutet auch weniger Wärmeeintrag, wodurch höhere Hubzahlen möglich und Werkzeugstandzeiten verlängert werden. Außerdem wird das Verkoken der eingesetzten Schmierstoffe verhindert.
Erstes Einsatzgebiet: Batterien für Elektrofahrzeuge
Für einen zügigen Transfer in die unternehmerische Praxis treibt das Fraunhofer IWU seine Aktivitäten nun weiter voran. Aktuell liegt der Fokus auf dem Ultraschall-Tiefziehen von Zellgehäusen, die in Hochvoltspeichern batterieelektrischer Fahrzeuge benötigt werden. Das Ziel sind größere Zellformate, die den Bauraum besser ausnutzen und dank einer gesteigerten Energiedichte für höhere Reichweiten sorgen. „Vibrodraw“ ist bereits zum Patent angemeldet (EPA WO2025/012830 A1).
Erfolgreiches Vorbild: Vibrocut
Vorbild für die Übertragung der Schwingungsanregung auf Tiefziehprozesse ist eine Ausgründung aus dem Fraunhofer IWU: Vibrocut setzt auf Schwingungen in Zerspanungsprozessen, um die Bearbeitungskräfte und den Werkzeugverschleiß zu reduzieren. –
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