Feine Sensorik für ein archaisches Umformverfahren

Im Projekt „Sensitives Gesenkspannsystem“ wollen Fraunhofer-Forschende ein uraltes Schmiedeverfahren – das Gesenkschmieden – fit machen für die Zukunft.

Das Gesenkschmieden ist ein traditionsreiches Fertigungsverfahren zur Herstellung von Metallteilen mit komplexen Formen. Dabei wird ein erwärmtes Metallstück zwischen zwei Werkzeugen, den sogenannten Gesenken, gepresst. Durch den hohen Druck beim Pressen fließt das Metall in die Gravur der Gesenke und nimmt so die gewünschte Form an.

Sollen große Metallteile hergestellt werden, sind entsprechend robuste und schwere Gesenke (Schmiedehämmer, Ober- und Untergesenk) erforderlich. Der Gesenkwechsel dauert oft mehrere Stunden und ist fehleranfällig. Deshalb dachten sich Forschende am Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU: Zeit für ein Update!

Gesenkschmieden: alt, aber modern

Die Grundidee des Gesenkschmiedens ist alt. Aber sie wird bis heute in der Industrie reichlich genutzt – etwa bei der Herstellung von Kurbelwellen, Fahrwerken von Flugzeugen, Baggerzähnen oder Kranhaken. Das Rüsten der Schmiedewerkzeuge ist allerdings eine echte Herausforderung: Die tonnenschweren Schmiedewerkzeuge müssen sicher, robust und wiederholgenau positioniert werden – und zwar im Zehntelmillimeterbereich.

Moderne Automatisierungslösungen oder Spannsysteme, die aus einer Vielzahl von Einzelteilen aufgebaut sind, können für große Schmiedehämmer kaum eingesetzt werden – das Risiko eines Ausfalls dieser Systeme durch Beschädigungen beim Spannen oder im Schmiedeprozess wäre zu groß. Es gilt, Beschädigungen an den Schmiedehämmern, dem Schmiedeteil oder dem Spannsystem zu vermeiden. Oftmals bleibt der Einsatz von Schlagkeilsystemen mit Beilagen die einzige Alternative, um große Gesenke sicher in den Aufnahmen – Ober- und Unterbär genannt – zu fixieren.

Spannprozess ist kaum reproduzierbar

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Keimzelle für die Produktionstechnik der Zukunft

Entsprechend erfolgt der Spannprozess mit äußerst robusten und teilweise simplen Werkzeugen: Die Schlagkeile werden durch den Einsatz von mechanischen, hydraulischen oder pneumatischen Keilrammen positioniert. Eine exakte Beaufschlagung der Gesenke mit Spannkraft ist damit kaum möglich, was zur Folge hat, dass die Qualität des Spannprozesses stark schwankt und letztlich von der Erfahrung der Mitarbeitenden abhängt. Mangelnde Reproduzierbarkeit und Spannprozesse, bei denen die Spannmittel oder sogar das Gesenk beschädigt werden, sind keine Seltenheit. Anwenderbefragungen ergaben, dass die Rüstzeiten oft bis zu drei Stunden betragen. Wünschenswert wäre ein Spannsystem, das die Arbeitssicherheit verbessert, reproduzierbare Ergebnisse garantiert und materialschonender funktioniert.

Im Projekt „Sensitives Gesenkspannsystem“ entwickelte das Fraunhofer IWU nun ein Messsystem, das die Spannschnittstelle zwischen Gesenk und Bär exakt analysieren kann. Ein vergleichbares System gab es für dieses Umformverfahren bislang nicht; damit konnte erstmals die Spannsituation während des Spannprozesses und anschließend während der Produktion mit Messgrößen beschrieben werden. Aufbauend auf diesen Erkenntnissen entwickelten die Forscher ein neues Konzept für eine automatisierte und exakt reproduzierbare Spannmethode. Kern dieses Konzepts ist die Überwachung der Parameter Kraft und Weg während des Spannvorgangs. So kann durch Grenzwerte der Spannprozess wiederholgenau, sicher und automatisiert durchgeführt werden. Das Fraunhofer IWU plant, diese Erkenntnisse in einem Prototypen für ein neuartiges Spannsystem umzusetzen.