Elastoforming 101

Elastoforming, auch bekannt als Gummikissenumformung, ist ein Herstellungsverfahren für Bleche, bei dem ein Elastomerkissen für eine Seite des Umformwerkzeugs und eine massive Matrize oder ein Stempel auf der gegenüberliegenden Seite verwendet werden.

Was ist Elastoforming?

Elastoforming, auch bekannt als Gummikissenumformung, ist ein Herstellungsverfahren für Bleche, bei dem ein Elastomerkissen für eine Seite des Umformwerkzeugs und eine massive Matrize oder ein Stempel auf der gegenüberliegenden Seite verwendet werden. Die Gummipolsterformung wurde ursprünglich in den späten 1930er Jahren von Henry Guerin entwickelt, um strukturelle Flugzeugkomponenten herzustellen und ist seitdem eine Voraussetzung für viele Luft- und Raumfahrtanwendungen geworden. Es wird geschätzt, dass über 60 % aller Blechteile für die Luftfahrt mit flexiblen Werkzeugen geformt werden, in der Regel unter Verwendung von Polyurethan-Elastomeren, um Produkte mit hervorragender Oberflächenqualität mit weniger prozessbedingten Fehlern herzustellen.

Elastoforming ist eine effektive Methode zur Minimierung der anfänglichen Werkzeugkosten und zur Vereinfachung des Umformprozesses, indem Metallwerkzeuge durch flexible Pads ersetzt werden. Eine große Variation von Teilegrößen und mehrere Teilekonfigurationen sind leicht erreichbar. Hochwertige Teile können in einem einzigen Presszyklus hergestellt werden, die kein zusätzliches Finishing oder Polieren erfordern. Die Einfachheit in Prozessdesign und Anwendung macht Elastoforming zu einer großartigen Option sowohl für die Prototypenentwicklung als auch für die Produktion kleiner bis mittlerer Stückzahlen. Anwendungen finden sich in den Bereichen Luft- und Raumfahrt, Automobil und Konsumgüter. Abbildung 1 unten ist ein Beispiel für eine hydraulische Presse, die für Elastoforming ausgelegt ist.

Macrodyne Elasto Forming Press
Feige. 1: Eine 7700 Tonnen Mehrrahmen-Elastoformpresse.

Materialüberlegungen

Durch Elastoforming lassen sich alle duktilen Bleche umformen, jedoch gibt es aufgrund der begrenzten Festigkeit des Elastomers Einschränkungen bei den bearbeitbaren Blechdicken. Einige gängige Materialien und typische maximale Dicken sind in Tabelle 1 unten aufgeführt.

Plattenmaterial Note- Zustand Dicke, max typisch
Austenitischem Edelstahl 304-geglüht 1,3 mm / 0,05”
Austenitischem Edelstahl 316 – 1/4 Hart 0,8 mm / 0,03”
Aluminiumlegierung 2024-O 4,7 mm / 0,19”
Aluminiumlegierung 7075-W 4,7 mm / 0,19”
Aluminiumlegierung 2024-T4 1,6 mm / 0,64”
Titanlegierung, beheizt Ti-6Al-4V 1,0 mm / 0,04”

Tabelle 1: Beispiele für Blechwerkstoffe für die Elastoformung.

Die Verwendung von Elastomeren in Umformwerkzeugen kann vorteilhaft sein aufgrund; ausgezeichnete Abriebfestigkeit, schnelle Erholung von Verformungen und ein hoher Prozentsatz an Bruchdehnung. Naturkautschuk (NR), Silikonkautschuk (SR) und Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR) sind gängige Elastomere, die traditionell beim Formen von Gummipolstern verwendet wurden überlegene Haltbarkeit, Abriebfestigkeit und die Fähigkeit, im Vergleich zu anderen Elastomer-Alternativen höheren Umformdrücken standzuhalten.

Die Härte oder der Durometerwert des Polyurethans und der Formfaktor haben einen direkten Einfluss auf die Druckbelastung, die zum Formen eines Teils erforderlich ist. Formfaktor[SF] ist das Verhältnis der belasteten Fläche zur Gesamtfläche der unbelasteten Flächen. Abbildung 2 unten zeigt ein Beispiel für ein Polyurethanpolster mit unterschiedlichen Formfaktoren in Bezug auf die Spannungs-Dehnungs-Beziehung des Elastomermaterials während einer Druckbelastung.

Feige. 2: Spannungs-Dehnungs-Beziehung verschiedener Formfaktoren von Polyurethan mit Shore-A-Härte 70

Vorteile des Elastoforming

Einige Vorteile des Elastoforming gegenüber herkömmlichen Umformverfahren sind:

  1. Zur Umformung wird nur eine einzige starre Werkzeughälfte benötigt.
  2. Ein flexibles Pad ersetzt jede Form.
  3. Vor allem durch die gleichmäßig aufgebrachten Kräfte können Werkzeuge aus kostengünstigen, leicht zu bearbeitenden Materialien hergestellt werden.
  4. Die Umformradien nehmen während des Hubs progressiv ab, im Gegensatz zu den festen Radien bei herkömmlichen Werkzeugen.
  5. Die Ausdünnung des Arbeitsmetalls wird erheblich reduziert.
  6. Im gleichen Werkzeug können unterschiedliche Metalle und Materialstärken umgeformt werden.
  7. Teile mit hervorragender Oberflächengüte können geformt werden, da keine Werkzeugspuren erzeugt werden.
  8. Die Rüstzeit verkürzt sich erheblich, da kein Anstellen von Werkzeugen notwendig ist.

Einige Einschränkungen sind:

  1. Das flexible Pad hat eine begrenzte Lebensdauer, die von der Schwere der Umformung und dem Druckniveau abhängt.
  2. Ein Mangel an ausreichendem Umformdruck kann zu Teilen mit geringerer Schärfe oder zu Falten führen, die eine nachträgliche Handarbeit erfordern können.
  3. Die Produktionsgeschwindigkeit ist vergleichsweise langsam, was das Verfahren für kleinere Teilemengen geeigneter macht .
  4. Erhöhte Umformtemperaturen sind auf den Temperaturbereich des Elastomers beschränkt.

Wann sollte Elastoforming verwendet werden?

Hydraulische Elastoforming-Pressen bieten die Möglichkeit, schnell und kostengünstig hochpräzise Blechkomponenten für die Luft- und Raumfahrt, die Automobilindustrie und Haushaltsgeräte herzustellen. Das Verfahren ist ideal geeignet für kleine bis mittlere Produktionsmengen.

Teile aus Aluminiumlegierungen, Edelstahl und Titanlegierungen werden am häufigsten beim Elastoformen umgeformt. Elastoforming ist ein Herstellungsverfahren, das verwendet werden kann, wenn ein komplexes Teil, das möglicherweise mehrere Schritte und Prozesse des Schneidens, Biegens und Formens von Verbindungen erfordert, in einer einzigen Presse zu einem einzigen Blechteil geformt werden kann.

Die Luft- und Raumfahrtindustrie verwendet weit verbreitet Elastoforming zur Herstellung von Teilen, da technische Vorschriften und Sicherheitsstandards eine Umformung der Blechteile mit herkömmlichen Metallwerkzeugen nicht zulassen. Ausdünnung, Beschädigung und Spannungskonzentrationen können durch den Einsatz von Elastomerwerkzeugen verringert werden, während die für die Flugzeugsicherheit erforderliche Qualität und strukturelle Integrität erhalten bleibt.

Prozessüberlegungen

Die Entscheidung, ob Elastoforming das bevorzugte Verfahren zur Teileherstellung ist, ist eine komplexe Herausforderung. Dabei müssen Produktionsmengen, Produktionsraten, Teilekosten, Teilefunktion und Fertigungstoleranzen berücksichtigt werden. Neben der Metallumformung kann sowohl Stanzen als auch Lochen mit Elastoforming realisiert werden, wie in Bild 3 in der nächsten Spalte dargestellt.

Feige. 3: Verschiedene Elastoforming-Operationen

Alternative Verfahren

Zu den Verfahren, die ähnliche Ergebnisse erzielen können, gehören:

Metallstanzen: Kann verwendet werden, wenn das umzuformende Material bei Raumtemperatur duktil ist und die erforderliche Teilequalität einen geschlossenen Gesenkformprozess verträgt. Herkömmlichere Konstruktionsmethoden für Teile und Formen zur Handhabung der Rückfederung sind in der Regel erforderlich, um genaue Teile herzustellen.

Warmprägen: Wird normalerweise für Nichteisenlegierungen verwendet, die bei Raumtemperatur schwer umformbar sind. Nach der Umformung ist häufig ein kontrollierter Abkühl- und Alterungsprozess erforderlich, um lösungsgehärtete Mikrostrukturen wiederherzustellen, die vorhanden sind, bevor das Blech durch Erhitzen geglüht wird.

Hydroforming: Ein fortschrittliches Verfahren zum Umformen von Blechen und Rohren, das hydraulischen Druck anstelle eines festen Stempels verwendet, um Geometrien herzustellen, die nicht zum Stanzen geeignet sind, einschließlich hinterschnittener oder ausgebeulter Formen.

 

Elastoforming-Prozess

Überblick

Der grundlegende Aufbau für das Elastoformen umfasst typischerweise ein Gummikissen, das in einem Kissenhalter enthalten ist und am oberen Stößel einer hydraulischen Presse befestigt ist, und einen Formblock, der auf einer im Bett der Presse angeordneten Platte enthalten ist. Auf den Formblock wird ein Zuschnitt gelegt, der mit Stiften und/oder Nestern gehalten werden kann. Beim Absenken des Stößels bewegt sich das Elastomer und nimmt Form um den Formblock an, wodurch das Werkstück entsteht. Der Belaghalter ist ein Rahmen, der sich eng um die Walze anschmiegt, um das Elastomer zu umschließen und ein seitliches Fließen bei Druckbeaufschlagung zu verhindern.

Feige. 4: Ausschnitt von Werkzeugen und Einrichtung für Elastoforming.

Die Elastomerauflage wirkt wie eine Flüssigkeit und übt beim Anpressen und Umströmen des Formblocks nahezu den gleichen Druck auf alle Werkstückoberflächen aus. Die Gummikissenformung ist für die Verwendung bei mäßig flachen, vertieften Teilen mit einfachen Flanschen und relativ einfachen Konfigurationen ausgelegt. Die Formblockhöhe beträgt normalerweise weniger als 100 mm oder 4 Zoll.

Erfolgsfaktoren

Eine umfassende Betrachtung aller Parameter, die die Elastoformung beeinflussen, würde den Rahmen dieser Arbeit sprengen. Stattdessen werden wir uns einige Schlüsselfaktoren ansehen, die sich gut für eine akzeptable Prozessökonomie eignen: Komplexität und Teilegröße, Überlegungen zu Werkzeugen, Produktionsraten und Fehlerreduzierung.

Komplexität und Teilegröße:

Das Elastoforming-Verfahren wird häufig verwendet, um kleine bis mittlere Serien von Leichtmetallteilen herzustellen. Aufgrund der geringen Kompressibilität von Elastomeren kann normalerweise kein ausreichend hoher Druck erreicht werden, um Faltenbildung in tiefgezogenen Teilen zu verhindern. Elastoforming ist ideal geeignet, um mäßig flache, vertiefte Teile zu formen, bei denen ein gleichmäßiger Druck über das Teil erreicht werden kann. Elastoforming ist in den meisten Fällen geeignet, um Teile mit einer Blechdicke von 4 mm oder weniger herzustellen.

Überlegungen zu Werkzeugen:

Niedrige Werkzeugkosten sind einer der Hauptvorteile der Gummikissenumformung und deshalb oft die Wahl beim Prototyping und in der Entwicklung. Da die obere Elastomermatrize mit separaten und unterschiedlichen unteren Metallformblöcken verwendet werden kann, ist das Verfahren im Vergleich zu herkömmlichen Metallumformverfahren relativ kostengünstig und viel flexibler. Die Metallhälfte des Werkzeugs wird nicht so schnell abgenutzt, jedoch können die Elastomerpads des Werkzeugs schneller verschleißen als metallische Gegenstücke. Eine Verlängerung der Lebensdauer der Beläge kann erreicht werden, indem Formblöcke mit niedrigerem Profil verwendet werden und möglichst großzügige Eckenradien berücksichtigt werden. Diese Techniken ermöglichen das Fließen des Elastomers bei niedrigeren Spannungsniveaus während des Umformprozesses.

Die Elastomerkissen können entweder aus einem massiven Gussteil oder aus extrudierten und laminierten Schichten hergestellt werden, die miteinander verbunden werden können. Laminierte Schichten sind vorteilhaft, da die Arbeitsfläche durch bloßes Ersetzen der Deckschicht effizient wiederhergestellt werden kann. Außerdem können unterschiedliche Härtegrade in verschiedenen Schichten verwendet werden, was eine erhöhte Produktionsflexibilität ermöglicht. Generell gilt: Je härter das Elastomermaterial, desto höher ist seine Tragfähigkeit.

Produktionsraten:

Die Produktion von Elastoformteilen ist im Vergleich zu anderen Umformverfahren oft langsamer. Obwohl die Ersteinrichtung sehr schnell, flexibel und kostengünstig sein kann, sind sie nicht für viele Läufe über lange Zeiträume ausgelegt. Daher müssen Menge und Leistung der Teile als entscheidende Faktoren bei der Erwägung des Einsatzes von Elastoforming abgewogen werden.

Fehlerreduzierung:

Der Einsatz von Elastomerpads ist im Vergleich zu alternativen Verfahren eine effektive Methode zur Fehlerreduzierung. Da das Werkstück zwischen einem Elastomer und einem metallischen Formblock eingebettet ist, wird die Oberflächengüte deutlich verbessert, wodurch sowohl sichtbare Fehler als auch die nachfolgenden Polierkosten reduziert werden. Fehlerfreie und qualitativ hochwertige Teile sind einer der großen Vorteile des Elastoforming-Verfahrens, da polierte und/oder geschärfte Oberflächen unverändert bleiben. Dieses Verfahren ermöglicht auch die Verwendung von vorlackierten und vorgefertigten Metallen.

Eine einheitliche Dicke von Metallformteilen ist wünschenswert und oft notwendig, um Sicherheits- und Regulierungsstandards zu erfüllen. Der Druck wird gleichmäßig über den Rohling verteilt, was zu einer deutlich geringeren Ausdünnung des Werkstücks im Vergleich zu anderen Umformverfahren führt.

Die Verwendung von Zubehörteilen wie Ziehklammern, Abdeckplatten, Abstreifplatten, Formringe und -stangen, Dämme und Keilblöcke können während des Formprozesses an bestimmten Stellen platziert werden, um den Druck anzupassen, um komplexere Formen und Merkmale zu formen. Zubehör kann auch verwendet werden, um Faltenbildung und Verformungen zu vermeiden, jedoch ist ein effektives Teile- und Werkzeugdesign oft die erste Verteidigungslinie, um Fehler in Teilen zu begrenzen.

Teile- und Werkzeugkonstruktion zur Vermeidung von Defekten

Die wichtigsten kontrollierten Prozessparameter für die Gummikissenumformung, die zu einem verbesserten Teile- und Werkzeugdesign führen können, sind die Härte und die Eigenschaften der Elastomerkissen, die Formblockhöhe und -radien sowie die Werkstückdicke.

Elastogeformte Teile sollten mit geeigneten abgerundeten Ecken ausgeführt werden, da 90-Grad-Ecken mit der Verwendung von Elastomerpads nicht vollständig erreicht werden können. Die tatsächliche Größe des natürlichen Radius eines Elastomers bei Verformung hängt vom verwendeten Pad-Material ab und sollte bei der Konstruktion des fertigen Werkstücks berücksichtigt werden. Das Zulassen eines großzügigen Radius an den Teilen ermöglicht es dem Elastomer, während der Umformung mit guter Druckverteilung entlang des gesamten Werkstücks angemessen zu fließen. Die Annäherung an eine gleichmäßige Druckverteilung während des Umformprozesses führt zu Teilen mit guten Gesenkdetails.

Feige. 5: Musterblechteil für Elastoforming-Verfahren

Eine der Herausforderungen beim Elastoforming ist die Faltenbildung in tieferen Umformteilen, da es aufgrund der geringen Druckfestigkeit des Elastomers schwierig ist, einen ausreichend hohen Druck zu erreichen. Es ist wichtig, die Tiefe des umgeformten Teils zu berücksichtigen, da Elastoforming besser geeignet ist, um flache Teile herzustellen. Zu den typischen Elastoforming-Aufgaben gehören das Formen von Flanschen um flache Teile, erhöhte Rippen, das Hinzufügen von Steifigkeit zu flachem Blech durch das Formen von Sicken, das Erstellen von Prägungen und Beschneiden.

Drücken Sie Konfiguration

Grundparameter

Die Konfiguration einer Presse zur Herstellung von Elastoformteilen beginnt mit den Anforderungen an den Teilefertigungsprozess. Die Konfiguration erfordert Informationen zu Materialtyp, Teilespezifikationen, Produktionsvolumen, Produktionsgeschwindigkeit und Zielpreis. Diese Parameter haben direkten Einfluss auf die Handhabungs- und Umformanforderungen, die wiederum die Spezifikationen der Anlage und des Werkzeugs beeinflussen. Die Rüstzeit ist beim Elastoforming im Vergleich zur konventionellen Metallumformung oft geringer. Nur eine Hälfte des Werkzeugs besteht aus Metall, daher ist das Aneinanderreihen von Werkzeugen weit weniger kritisch und führt dennoch zu qualitativ hochwertigen Teilen.

Bettgröße

Das Bett einer Presse muss in der Lage sein, die Stellfläche des größten erwarteten Werkzeugsatzes aufzunehmen. Bei rechteckigen oder komplexen Rohlingsformen bestimmt die Ausrichtung des Teils innerhalb des Betts die Gesamtbettabmessungen. Eine Schätzung der Bettgröße kann anhand der Rohlingsgröße(n) berechnet werden. Außerdem muss die Bettgröße in der Lage sein, die äußeren Begrenzungen des Kissenhalters aufzunehmen, der um den Formblock auf dem Bett der Presse passt. Der Belaghalter muss stark genug sein, um den Druck des Elastomers aufzunehmen, und ist typischerweise 20-30 mm tiefer als der Belag selbst.

Tonnagen und Geschwindigkeiten

Modernes Elastoforming wird mit einer programmierbaren hydraulischen Presse ausgeführt, um die Umformkraft wiederholbar zu kontrollieren und die Zykluszeiten zu optimieren. Jede Pressengröße bis 20.000 Tonnen kann konfiguriert werden.

Tonnageberechnungen können ziemlich komplex sein, da Presse, Werkzeug, Material, Radien sowie Teilegröße und -geometrie alle dazu beitragen. Bei einfachen Geometrien ist es möglich, mit Hilfe von Tabellen und Formeln die erforderliche Umformtonnage zu berechnen. Für eine geformte Halbkugel kann die folgende Gleichung als einfache Richtlinie verwendet werden:

Woher;

d = Durchmesser Fertigteil

t = Materialstärke

TS = Zugfestigkeit des Materials

Zum Beispiel würde eine Halbkugel mit einem Durchmesser von 8 Zoll aus 0,040 Zoll dickem Edelstahl 304 (TS = 73.200 psi) erfordern;

73.588 Pfund (36,8 Tonnen) werden benötigt, um das Teil zu formen. In diesem Beispiel könnte eine 50-Tonnen-Presse empfohlen werden.

Bei komplexeren Teilen werden ausgereifte Tonnage-Rechner und Analysesoftware in Kombination mit programmierbaren hydraulischen Pressen immer häufiger verwendet, um einen erfolgreichen Umformprozess zu gewährleisten.

Schlaganfall und Tageslicht

Zwischen dem vollständig eingefahrenen Elastomerkissen und dem Formblock muss genügend Tageslicht vorhanden sein, um das Fertigteil aus der Presse entnehmen zu können. In der Praxis bedeutet dies Tageslicht, das ungefähr dem Pressenhub entspricht. Wenn eine Presse verwendet wird, um mehr als ein Teil zu produzieren, sollten Hub und Durchgang das größte erwartete Werkzeug aufnehmen.

Die maximale Stanztiefe kann durch den Einsatz dickerer Pads und stärkerer Pressen erhöht werden, jedoch sind der Verschleiß des Elastomers und die Auswirkungen des Einsatzes stärkerer Pressen zu berücksichtigende Faktoren.

Macrodyne Elastoforming Press
Feige. 6: Eine Macrodyne 4000 Tonnen Elastoforming-Presse

Erweiterte Fähigkeiten

Einige erweiterte Elastoforming-Funktionen umfassen:

  1. Progressives Werkzeugdesign für die kontinuierliche Fertigung von Bandmetallteilen mit komplexen Geometrien. Stanzen, Formen und Lochen können alle in einem einzigen Pad-Prozess kombiniert werden.
  2. Die Verwendung von Elastomeren bei der Mikroumformung, einem Prozess zur Herstellung von Miniaturteilen mit komplizierten Details, kann aufgrund der geringen Größe der Teile dabei helfen, die Mikroskala der Materialverformung während des Umformprozesses zu kontrollieren. Faktoren wie Fehlerminimierung, Maßhaltigkeit der Umformteile und Oberflächengüte spielen bei der Fertigung von Teilen dieser Größe eine noch größere Rolle.
  3. Das Formen von Rundrohren zu Säulen mit dreieckigem Querschnitt mit unterschiedlichen Winkeln kann durch den Einsatz von Elastoformverfahren erreicht werden.

Bildreferenzen:

  1. Feige. 1: HPP-F1: Eine 7700 Tonnen Mehrrahmen-Elastoformpresse, Macrodyne
  2. Feige. 2: HPP-F2, M. Ramezani und ZM Ripin, „Rubber-Pad-Forming-Prozesse, Technologie und Anwendungen“, S. 52 (Woodhead Publishing Limited, 2012}
  3. Feige. 3: EL101-F3, M. Ramezani und ZM Ripin, „Rubber-Pad-Forming-Prozesse, Technologie und Anwendungen“, S. 20 (Woodhead Publishing Limited, 2012}
  4. Feige. 4: HPP-F4: Ausschnitt aus Werkzeug und Einrichtung für Elastoforming, Macrodyne
  5. Feige. 5: HPP-F5: Musterblechteil für Elastoforming-Verfahren, Macrodyne
  6. Feige. 6: HPP-F6: Eine 4000-Tonnen-Elastoformpresse, Macrodyne