Tribologische und geometrische Auslegung von additiv hergestellten Werkzeugeinsätzen zur Feinblechumformung

Durch die Verwendung von Polymeren als Werkzeugwerkstoff können Bereitstellungsaufwände von Umformwerkzeugen reduziert werden. Dazu werden Untersuchungen zur Material-/Verfahrenskombination sowie zu Slicing-Einstellungen additiv gefertigter Werkzeugeinsätzen für die Feinblechumformung zur Reduktion von Werkzeugdeformation und -verschleiß durchgeführt. Die Anwendung auf neue Geometrien findet mithilfe eines Ordnungsrahmens für FFF und PLA mit parametrisierten Referenzgeometrien statt.

Die lange Bereitstellungszeit von Umformwerkzeugen in der Serienproduktion ist mit hohen Prozessanforderungen sowie einer aufwendigen Zerspanbarkeit von Werkzeugstählen zu begründen. Durch einen Wechsel zu einem Werkstoff mit besserer Verarbeitbarkeit, wie bspw. Polymere, können Bereitstellungszeit und -kosten reduziert werden. Aufgrund einer hohen Marktdurchdringung von AM (Additive Manufacturing) und insb. des FFF (Fused Filament Fabrication) Verfahrens können Polymere verschiedener Eigenschaften kostengünstig additiv verarbeitet werden. Vorzüge sind dabei geringe Investitionskosten, eine hohe Designflexibilität sowie Möglichkeiten der Funktionsintegration. Damit können Vorteile hinsichtlich Reibung, Verarbeitbarkeit sowie Zeit- und Kosten realisiert werden. Konventionelle starre Materialien wie Werkzeugstahl werden nur im µm-Bereich verformt, wohingegen Polymere ein teils elastisches und plastisches Deformationsverhalten aufweisen. Bisher werden Deformation, Reibung und Verschleiß des Werkzeugs bei der Umformung mittels kunststoffbasierten Werkzeugeinsätzen nicht berücksichtigt. Daher ist eine Analyse der Reibungs- und Verschleißmechanismen notwendig. Polymere weisen eine geringere Abrasionsneigung auf als konventionelle Werkzeugwerkstoffe. Des Weiteren reduzieren nachgiebige Werkzeugsysteme die Flächenpressung auf konturnahe Flächen, wodurch der Aufwand der Werkzeugeinarbeitung reduziert werden kann. Eine Optimierung hinsichtlich Werkzeugdeformation und -verschleiß findet durch gezielte Anpassung der Material/AM-Verfahrenskombination sowie der Slicing-Einstellungen statt. Zum anderen reduzieren Geometrien, welche das Werkzeug nur schwach belasten, weiter Belastung sowie Verschleiß und können anhand parametrisierter Referenzgeometrien (RG) auf weitere Anwendungsfälle übertragen werden. Die Umformung fahrzeugtypischer Feinblechgeometrien wie beispielsweise Sicken oder Fügeflansche in kleinen Stückzahlen steht dabei im Fokus und soll als Ausgangspunkt für die Übertragung auf weitere Geometrien dienen. Aufgrund der u.a. guten Steifigkeitseigenschaften, geringen Kosten und hohen Anlagenflexibilität wird ein Ordnungsrahmen für die Kombination FFF und Polylactic Acid (PLA) anhand von parametrisierten RG aufgestellt.