Methode zur Gestaltung segmentierter Werkzeuge für die Flexibilisierung von Biegeprozessen

Die Megatrends der Neo-Ökologie, Konnektivität und Individualisierung transformieren die Fertigungstechnik grundlegend. Für Blech- und Profilumformverfahren resultiert hieraus unter anderem die Anforderung nach ressourceneffizienten und flexiblen Prozessen. Die industriell weit verbreiteten formgebundenen Biegeverfahren wie das Rotationszugbiegen oder das Abrollbiegen besitzen eine eingeschränkte Flexibilität, da die Endkontur des Bauteils durch die Werkzeuggeometrie vorgegeben ist. Ansätze zur Flexibilisierung bestehen in der Segmentierung der geschlossenen Werkzeugoberflächen, wodurch eine Einstellbarkeit der Werkzeugkontur ermöglicht wird. Bisherige Verfahrensentwicklungen erfolgten nur für großflächige Blechbauteile oder für Profilbiegebauteile mit großen Biegeradien im Bereich der Mehrpunktumformung. Die vorliegende Arbeit entwickelt eine systematische Vorgehensweise zur Gestaltung segmentierter Werkzeuge am Prozessbeispiel des Abrollbiegens. Kern der Vorgehensweise ist die Erforschung der Wirkzusammenhänge zwischen der Oberflächentopologie des Werkzeugs, den mechanischen und geometrischen Eigenschaften des Halbzeugs sowie den resultierenden Umformphänomenen und -mechanismen. Die segmentierten Werkzeuge beeinflussen nahezu alle geometrischen Eigenschaften der Biegebauteile. Verantwortlich hierfür sind insbesondere eine Kombination aus Querschnittsovalisierungen und freien Biegungen über dem Segmentspalt, die sich der Grundbiegung überlagern. Trotz dieser unausweichlich vorhandenen Mechanismen sind bei geeigneter Wahl der Stellgrößen Bauteile in Gutteilqualität herstellbar. Zur Festlegung der Spaltmaße, Segmentgeometrien und Prozessparameter liefert die entwickelte Gestaltungsmethode eine fundierte Wissensbasis sowie Arbeitskennfelder. Darüber hinaus zeigt sich ein erweitertes Anwendungsspektrum der Werkzeuge durch in-Prozess-Verstellungen der Segmente. Hierdurch lassen sich die Umformmechanismen, die bei statisch segmentierten Werkzeugen wirksam sind, gezielt unterbinden. Perspektivisch erfordern derartige adaptive Werkzeuge lasttragende Strukturen, die einerseits die Prozesskräfte aufnehmen und andererseits die geforderten Segmentbewegungen induzieren. Als ersten Schritt stellt diese Arbeit abschließend einen im Feld der Umformtechnik neuartigen Ansatz zur Topologieoptimierung von Werkzeugstrukturen vor, der auf der mathematischen Optimierung von Stabwerken mittels gemischt-ganzzahliger Programmierung basiert.