Laser meets Hydroforming – ein Trend gewinnt Kontur

Laser meets Hydroforming – ein Trend gewinnt Kontur

Nicht zur Verwendung in Intranet- und Internet-Angeboten sowie elektronischen Verteilern.
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Pressentechnik
Laser meets Hydroforming –
ein Trend gewinnt Kontur
ALFONS BÖHM, THOMAS SCHIRMER UND RALF JASTER
Für den Automobilbau bedeutet die Forderung nach steigender Sicherheit und mehr Komfort
bei sinkendem Kraftstoffverbrauch, Karosserieteile leichter und gleichzeitig fester zu machen.
Eine Lösung für diesen scheinbaren Widerspruch ist das Innenhochdruck-Umformen (IHU). Für
die Serienfertigung des Stirnwand-Querträgers im neuen 5er-Modell nutzt BMW eine IHU-Fertigungslinie von Schuler, bei deren Konzeption das Know-how des Pressenbauers beim Umformen und in der Lasertechnik gebündelt wurde. Die Flexibilität und Genauigkeit der Laserbearbeitung erwies sich als ideale Ergänzung zur IHU-Technologie.
KOMBI-ANLAGE IN PRAXI: 360°-Laserschnitt
kosten weltweit in Karosserie- und Fahrwerkstrukturen bewährt haben.
Auch BMW hat sich bei der Fertigung
des neuen 5er-Modells für diese Technologie entschieden, mit dem Ziel, im vorderen Teil der Karosserie überproportional Gewicht einzusparen. Der Querträger für die Stirnwand wird deshalb im
IHU-Verfahren aus Aluminium in
Leichtbauweise gefertigt. Ausgangsteil ist
ein geschweißtes Aluminiumrohr mit
95 mm Durchmesser, einer Wanddicke
von 1,4 mm und einer Länge von rund
1800 mm. Dieses Ausgangsrohr ist bereits beim Transport sehr sorgfältig zu
behandeln und nur durch entsprechend
gefühlvolles Handling beschädigungsfrei
durch die Linie zu schleusen.
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um das
Endstück eines fest stehenden IHU-Bauteils
B
eim
Innenhochdruck-Umformen
werden hohle Ausgangswerkstücke,
zumeist Rohre, in Formwerkzeugen
mit hohem Emulsionsdruck (Wasser und
Additive) umgeformt, bis der Hohlkörper
an seiner Außenwand an den Formwerkzeugen vollständig anliegt. Das Ergebnis
sind formgenaue Leichtbauteile, die sich
wegen ihres guten Gewichts-/FestigkeitsVerhältnisses sowie der niedrigen Herstell-
Steuerung erkennt die Enden
des nur 1,4 mm dicken Rohrs
Das aus dem Magazin den Biegemaschinen
zugeführte Rohr wird zunächst fünffach
vorgebogen. Nach dem Auftragen einer
Schmierstoffschicht beginnt der zweistufige IHU-Prozess. Dabei laufen beide Prozessschritte parallel in einer Presse ab, in
der zwei Werkzeuge eingebaut sind (Bild 1).
Im ersten Werkzeug wird das Bauteil mit
niedrigem Innendruck zunächst zu rund
70 Prozent der Gesamtumformung des Fertigteils umgeformt. Eine weitere Umformung lässt der Rohrwerkstoff nicht zu.
Deswegen ist eine Wärmebehandlung
(Glühen) erforderlich, durch die das Teil
seinen metallurgischen Ausgangszustand
wieder zurück erhält. Erst danach gelangt
HERSTELLER
Schuler Hydroforming GmbH & Co. KG
57234 Wilnsdorf
Tel. 0 27 39/8 08-0
Fax 0 27 39/8 08-1 10
www.schulergroup.com
Schuler Held Lasertechnik GmbH
& Co. KG
63150 Heusenstamm
Tel. 0 61 04/96 33-0
Fax 0 61 04/96 33-46
www.schulergroup.com
ANWENDER
BMW AG/Werk Dingolfing
Dingolfing
Tel. 0 87 31/76-0
Fax 0 87 31/76-2 51 86
www.bmw.de
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simultane Laserbearbeitung der beiden Enden eines IHU-gefertigten Trägers
BILD 2. SELBSTTÄTIG:
BILD 1. KERNSTÜCK: Hydroforming-Presse
mit automatischer Teilezuführung
das Bauteil nach einem erneuten Schmierstoffauftrag in das zweite Werkzeug der
Presse, um seine endgültige Form zu erhalten. Bei Erreichen des Enddrucks von ungefähr 1400 bar wird das Bauteil gleichzeitig
an mehreren Positionen gelocht.
Als besonders anspruchsvolle Aufgabe erwies sich das Abdichten des sehr knickempfindlichen Rohrs. Hier konnte zum einen
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ein schnelles Dichten des Rohrs erreicht
werden, zum anderen hat die Prozesssteuerung die notwendige ›Feinfühligkeit‹, um
die zwei Rohrenden bei dem nur 1,4 mm
dicken Aluminiumrohr zu erkennen.
Nach der Entnahme des fertig umgeformten Bauteils wird der Querträger der dreidimensionalen Laserbearbeitung zugeführt.
Für das Erzeugen der komplexen Endenge-
ometrie bei hoher Bauteilgenauigkeit und
Reproduzierbarkeit kann der Laser seine
Vorzüge als flexibles Werkzeug voll ausspielen. Um den hohen Taktzeitansprüchen zu
genügen, müssen die Verfahrwege der Linearachsen, die Arbeitsköpfe mit den Drehund Schwenkachsen, die Laserstrahlquellen, die Spanntechnik und nicht zuletzt die
CNC-Programmierung genauestens aufeinander abgestimmt sein.
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Die Laserzelle besteht aus zwei auf Präzisionsführungen verfahrbaren Maschinentürmen, die zu den Bauteilenden ausgerichtet sind und je einen höhenverstellbaren
Seitenarm tragen (Bild 2).
An diesem Seitenarm ist der Arbeitskopf
mit einer +/- 250° beweglichen Drehachse
sowie einer Schwenkachse mit +/- 110° angebracht. Ein schlanker, flexibler Arbeits-
Wichtig ist auch die Auswahl der für den
Prozess und den Werkstoff geeigneten Laserstrahlquelle. Weil Aluminiumlegierungen eine sehr hohe Strahlreflexion und
Wärmeleitfähigkeit haben, war im Fall des
hier vorliegenden Werkstoffes AlMg 3.5 Mn
eine Strahlquelle vorzusehen, die eine sehr
gute Strahlqualität von K > 0,9 erzeugt. Der
Laserstrahl muss sehr konzentriert auf die
Werkstückoberfläche einwirken, um eine
wird, ist eine komplexe Bauteilendengeometrie mit umgebogenen Laschenkonturen
erforderlich. Die Fertigung der Laschen erfolgt in zwei Schritten: Zunächst werden die
Laschen vorsichtig umgestellt und anschließend in der Endenbearbeitungsstation nachgeschlagen, das heißt auf die Endposition eingestellt. Hier gilt es nochmals,
die Rückfederung des Aluminiumwerkstoffes zu kontrollieren.
Strahlqualität von K > 0,9
ist für Aluminium notwendig
Die Laschenqualität (Endposition) hängt
von der Beschichtung der Biegestempel sowie von dem aufgetragenen Schmierstoff
und dem Schmierstoffbild ab. Mit einer in
die Werkzeuge integrierten Mikrodosierung kann über die Anlagensteuerung die
Schmierstoffaufbringung, also die Menge
und die Verteilung, beeinflusst werden. Die
Ausgangsgeometrie, besonders sehr kleine
Radien des Endkonturbeschnittes der Laserstation, beeinflusst die Laschenendposition maßgeblich. Die sehr gute Schnittqualität des verwendeten Lasersystems ist eine
Voraussetzung, um Toleranzvorgaben von
+/- 0,5 mm zu erreichen. Zu große Bahnabweichungen oder gar ›Zacken‹ im
Schnittverlauf führen zum Reißen der Bauteilenden während der weiteren Endenumformung.
In Bild 3 sind noch einmal die einzelnen
Schritte zur Herstellung des Bauteils ›Querträger Stirnwand‹ zusammengefasst und
schematisch dargestellt. Deutlich wird der
räumlich und funktionell enge Kontakt
zwischen den üblicherweise unabhängig
voneinander realisierten Verfahren IHU
und Laserbearbeitung. Bild 4 zeigt die
Querträger in Transportgestellen nach dem
Glühen, bevor sie in der zweiten Stufe des
IHU-Fertigungsprozesses ihre endgültige
Form erhalten.
BILD 3. IHU PLUS LASER:
Fertigungsfolge des Bauteils ›Querträger
Stirnwand‹ am neuen BMW 5er
kopf ist die Grundvoraussetzung für die
Ausführung
eines
qualitätsgerechten
Radiallaserschnitts um ein fest stehendes
Bauteilende. Für die parallele Be- und Entladung wurden eigens zwei übereinander
liegende Aufnahmeeinrichtungen mit
pneumatischer Spann- und Fixiertechnik
entwickelt und gefertigt. Während ein Bauteil in der Schneidzelle bearbeitet wird, belädt und entlädt der Industrieroboter die
jeweils andere Ebene.
hohe Schneidgeschwindigkeit zu erzielen.
Zudem erreicht man sehr schmale Schnittfugen mit reduziertem Fugenaustrieb, was
sich letztendlich positiv auf die anschließende Reinigung der Bauteilinnenflächen
auswirkt.
Die abschließende mechanische Endenbearbeitung erwies sich als technologisch
äußerst anspruchsvoll. Weil das Bauteil an
die benachbarten Baugruppen genietet
Um eine hohe Produktionssicherheit zu erreichen, wurde größtes Augenmerk auf
Notfallstrategien gelegt, die die Produktion
selbst dann sicherstellen, wenn einzelne
Anlagenbestandteile ausfallen. Dazu wurden nach Durchführung einer Risikobewertung der Ausfallwahrscheinlichkeit der
Einzelkomponenten an wichtigen Punkten
Einschleuse- und Ausschleuse-Einheiten
installiert, die einen automatischen Weiterbetrieb der Anlage ermöglichen, ausgehend
von bereits vorgebogenen Werkstücken. Alternativ können auch Bauteile vor der Fertigstellung ausgeschleust werden. Beim
Endenbeschnitt wurden Laserstrahlweichen integriert. So ist beim Ausfall einer Laserstrahlquelle ein Bauteil dennoch vollBlech InForm 3/2003
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BILD 4. BEREIT ZUM 2. IHU: Querträger
sten können ihre Kompetenz erweitern und
sich als Systempartner auf dem Markt präsentieren, wenn sie ihrem Know-how das
der jeweils anderen Technologie hinzufügen. Die von Schuler bei BMW installierte
Lösung zeigt deutlich, dass sich die 3D-Laserbearbeitung in der Automobilindustrie
nicht auf Applikationen in der Prototypenfertigung abseits von Fertigungslinien beschränkt, sondern durch zugeschnittene
Maschinenkonzepte gerade in automatischen Linien ihre Vorzüge unter Beweis
stellt. Die Verbindung von Laser und IHU
ist nichts weniger als zukunftsweisend für
den automobilen Leichtbau.
❙❙
in Transport-
gestellen nach dem Glühen
ständig bearbeitbar, indem der Laserstrahl
der intakten Strahlquelle nach Bearbeitung
einer Bauteilseite per Umschaltung zur anderen Maschinenseite geführt wird.
Notfallstrategie
verhindert Produktionsstopp
Die Fertigungslinie lässt sich von einer Vielzahl von Orten aus der Fertigung heraus
anhalten und wieder anfahren. Um die Bedienung zu vereinfachen, werden dabei die
entsprechenden Einheiten grafisch visualisiert. Ein ›Leerfahren‹ oder gar manuelles
›Ausräumen‹ der Linie zum Wiederanlauf
ist nicht erforderlich oder geschieht automatisch. Grundsätzlich können von jedem
Terminal die Parameter der Einzelsysteme
überwacht und eingesehen werden. Das
Steuerungssystem ist modular und übersichtlich aufgebaut, um Wartung und
Pflege, aber auch eine Erweiterung zu ermöglichen. Die Dokumentation innerhalb
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Dr.-Ing. Alfons Böhm
ist Technischer Leiter bei Schuler
Hydroforming in Wilnsdorf;
[email protected]
des Systems erfolgt quasi selbsttätig online.
Wichtige Fehlermeldungen werden im Dialog abgearbeitet.
Eine Anlage wie die beschriebene ist ein
typisches Beispiel für den Zukunftstrend
Verfahrensintegration. Sowohl Anbieter
von IHU-Technik als auch Laserspeziali-
Dipl.-Ing. Thomas Schirmer
arbeitet als Leiter Produktmanagement
Anlagen bei Schuler Hydroforming;
[email protected]
Dipl.-Ing. Ralf Jaster
ist Projektleiter/Vertrieb bei Schuler Held
Lasertechnik in Heusenstamm;
[email protected]