Verständnis von Faltenbildung beim Tiefziehprägen

Wenn Sie ein flaches Metallblech in eine dreidimensionale Form ziehen, muss sich etwas verändern. Das Material wird komprimiert, gedehnt und fließt in den Werkzeughohlraum. Wenn dieser Prozess fehlschlägt, entstehen Falten: wellenförmige Unebenheiten, die sowohl das Erscheinungsbild als auch die strukturelle Integrität Ihres Bauteils beeinträchtigen. Dieser Fehler zählt nach wie vor zu den hartnäckigsten Herausforderungen im blechumformung tiefziehprägen, was sämtliche Anwendungen – von Karosserieteilen für Automobile bis hin zu Getränkedosen – betrifft.

Faltenbildung beim Tiefziehprägen ist im Wesentlichen eine Form lokaler Knickung. Sie tritt auf, wenn die Druckspannungen im Blech die Fähigkeit des Materials, einer Verformung senkrecht zur Blechebene zu widerstehen, überschreiten. Das Ergebnis? Falten, Wellen oder Runzeln, die Teile unbrauchbar machen oder kostspielige Nachbearbeitungsschritte zur Korrektur erfordern.

Was ist Faltenbildung beim Tiefziehprägen?

Im Kern handelt es sich bei diesem Fehler um ein Instabilitätsproblem. Während der Stempel das Blech in den Matrizenhohlraum presst, erfährt der Flanschbereich eine radiale Zugspannung, die ihn nach innen zieht, während gleichzeitig eine umlaufende Druckspannung auftritt, da sein Durchmesser abnimmt. Sobald diese kompressive Umfangsspannung zu groß wird, knickt das Blech aus der Ebene aus.

Die Faltenbildung beginnt, wenn die kompressive umlaufende Spannung im Flansch die lokale Knickfestigkeit des Werkstoffs überschreitet und das Blech dadurch aus der Ebene ausknickt.

Dieses mechanische Prinzip erklärt, warum dünnere Bleche leichter falten als dickere und warum bestimmte Werkstoffqualitäten anfälliger für diesen Fehler sind als andere. Der Halter (Blankholder) übt einen nach unten gerichteten Druck aus, um genau dieser Ausknickneigung entgegenzuwirken; die Suche nach dem richtigen Gleichgewicht stellt jedoch die eigentliche ingenieurtechnische Herausforderung dar.

Flanschfaltenbildung vs. Wandfaltenbildung – zwei unterschiedliche Versagensarten

Nicht alle Falten sind gleich. Zu verstehen, wo sie sich bilden, ist der erste Schritt, um sie zu beheben. In der Fachliteratur veröffentlichte Forschungsergebnisse im Bereich der Zeitschrift für Materialverarbeitungstechnik kategorisieren diesen Fehler in zwei mechanisch unterschiedliche Typen:

• Flanschfalten treten im flachen Bereich des Blechs auf, der während des Tiefziehens zwischen dem Blechhalter und dem Matrizenstempel verbleibt. Dieser Bereich erfährt eine direkte Druckspannung, während das Material nach innen fließt.
• Wandfalten entstehen in der gezogenen Seitenwand oder Cup-Wand nachdem das Material über den Matrizenradius geflossen ist. Dieser Bereich ist relativ schlecht durch die Werkzeuge gestützt und daher anfälliger für Knicken bereits bei niedrigeren Spannungsniveaus.

Diese beiden Ausfallmodi haben dieselbe Ursache, nämlich eine druckbeanspruchende Umfangsspannung, erfordern jedoch unterschiedliche Korrekturmaßnahmen. Faltenbildung an der Wand tritt weitaus leichter auf als Faltenbildung am Flansch, da die Seitenwand nicht durch den Blechhalter direkt eingeschränkt wird. Die Unterdrückung von Wandfalten durch eine Anpassung der Blechhalterkraft ist schwieriger, da diese Kraft hauptsächlich die radiale Zugspannung beeinflusst und nicht direkt die Wand einschränkt.

Die folgende Leitfrage sollte daher Ihre Fehlersuche leiten: Wo bilden sich Ihre Falten? Die Antwort bestimmt Ihren Diagnoseweg sowie die zu prüfenden Abhilfemaßnahmen. Eine Falte am Flanschrand deutet auf eine unzureichende Blechhalterkraft oder ein zu großes Ausgangsblech hin. Eine Falte an der gezogenen Wand deutet darauf hin, dass der Stempel-Die-Spalt zu groß ist oder die Wandunterstützung unzureichend ist. Diese beiden Probleme als austauschbar zu betrachten, führt zu unnötigem Zeitaufwand und weiterhin anfallendem Ausschuss.

Im Verlauf dieses Artikels kehren wir immer wieder auf diesen ortsbezogenen Diagnoseansatz zurück. Egal, ob Sie in der Stahlverarbeitung tätig sind oder präzise Metallverarbeitungskomponenten herstellen – die physikalischen Grundlagen bleiben dieselben. Der Fehler zeigt Ihnen, wo Sie suchen müssen; Ihre Aufgabe besteht darin, zu verstehen, was er Ihnen mitteilt.

Die Mechanik hinter dem Entstehen von Falten

Um zu verstehen, warum sich Falten bilden, muss man betrachten, was während des Ziehvorgangs mit dem Metall geschieht. Stellen Sie sich die Blechflanschfläche als einen ringförmigen Ring vor, der nach innen zum Stempel hin gezogen wird. Wenn der Außendurchmesser kleiner wird, muss auch der Umfang abnehmen. Dieses Material muss irgendwohin gelangen; wenn es nicht reibungslos fließen kann, wellt es sich nach oben oder unten, wodurch Falten entstehen.

Klingt kompliziert? Tatsächlich ist es recht einfach, sobald man es in seine Einzelteile zerlegt. Der Flansch ist gleichzeitig zwei konkurrierenden Spannungen ausgesetzt: radiale Zugspannung, die das Material zieht in Richtung des Werkzeughohlraums und einer umlaufenden Druckspannung, die das Material zusammendrückt, während dessen Umfang sich zusammenzieht. Sobald die Druck-Hoop-Spannung die Fähigkeit des Blechs, einer Verformung aus der Ebene zu widerstehen, übersteigt, beginnt die Beulung.

Druck-Hoop-Spannung und Beulung – Die mechanische Ursache

Stellen Sie sich vor, Sie zerdrücken eine leere Aluminiumdose von oben. Die zylindrische Wand beult sich nach außen, weil die Drucklast den Widerstand der dünnen Wand gegen seitliche Auslenkung übersteigt. Derselbe Grundsatz gilt für die Flanschzone beim Tiefziehen, nur wirkt die Druckspannung hier umlaufend statt axial.

Drei geometrische und werkstoffliche Faktoren bestimmen, wie leicht ein Blech unter dieser Druckspannung beult:

• Blechdicke: Dünnere Bleche beulen leichter, da der Beulwiderstand mit der dritten Potenz der Dicke zunimmt. Ein Blech mit halber Dicke besitzt nur ein Achtel des Beulwiderstands.
• Steifigkeit des Materials (Elastizitätsmodul): Materialien mit höherem Modul widerstehen elastischem Beulen wirksamer. Daher neigen Aluminiumlegierungen – mit etwa einem Drittel des Elastizitätsmoduls von Stahl – bei gleicher Dicke stärker zur Faltenbildung.
• Nicht gestützte Flanschbreite: Der Abstand zwischen der Matrizenöffnung und der Blechkante bestimmt, wie viel Material frei zum Beulen ist. Ein größerer nicht gestützter Bereich bedeutet eine geringere Beulsteifigkeit – vergleichbar damit, dass eine längere Säule unter geringerer Last beult als eine kürzere.

Forschung von Universität von Ohio stellte diesen Zusammenhang experimentell mit AA1100-O-Aluminium-Blechen dar. Bei einer Haltekraft des Blechhalters von null trat die Flanschfaltung nahezu unmittelbar nach Beginn der Umformung auf. Mit zunehmender Haltekraft verzögerte sich das Auftreten von Falten; überstieg die Haltekraft einen kritischen Schwellenwert, wurden Falten vollständig unterdrückt.

Wie Materialeigenschaften das Risiko von Faltenbildung beeinflussen

Hier wird Ihr Materialdatenblatt zu einem Diagnoseinstrument. Drei Eigenschaften beeinflussen direkt, wie ein Werkstoff auf die Druckspannungen reagiert, die Faltenbildung verursachen: Streckgrenze, Verfestigungsexponent (n-Wert) und plastische Anisotropie (r-Wert).

Die Streckgrenze definiert die Spannungshöhe, bei der die plastische Verformung beginnt. Werkstoffe mit niedrigerer Streckgrenze treten früher im Ziehhub in den plastischen Fließzustand ein, was tatsächlich helfen kann, die Spannungen umzuleiten und das Beulen hinauszuzögern. Experimentelle Arbeiten an handelsüblichen reinen Aluminiumsorten ergaben, dass Legierungen mit niedrigerer Streckspannung eine bessere Widerstandsfähigkeit gegen Faltenbildung aufwiesen, vorausgesetzt, die übrigen Eigenschaften waren günstig.

Der n-Wert oder Verfestigungsexponent beschreibt, wie schnell ein Werkstoff beim Verformen an Festigkeit gewinnt. Werkstoffe mit einem höheren n-Wert verteilen die Dehnung gleichmäßiger über die Flanschfläche, anstatt die Verformung auf lokal begrenzte Bereiche zu konzentrieren. Diese gleichmäßige Dehnungsverteilung verringert die Wahrscheinlichkeit einer lokalen Beulung. Wie MetalForming Magazine erläutert, reduziert die durch den n-Wert charakterisierte Umformverfestigung die Neigung zu lokaler Dünnschichtbildung in stark verformten Bereichen. Das gleiche Prinzip gilt auch für Wellenbildung: Werkstoffe, die sich gleichmäßig verfestigen, widerstehen den lokalen Instabilitäten, die Beulungen auslösen.

Der r-Wert oder die plastische Anisotropiezahl gibt an, wie ein Werkstoff einer Dünnerwerdung im Vergleich zur Verformung in der Ebene widersteht. Werkstoffe mit einem höheren r-Wert verformen sich bevorzugt in der Ebene der Blechtafel statt quer zur Dicke. Dies ist für das Knittern von Bedeutung, da die Aufrechterhaltung der Flanschdicke den Beulwiderstand während des gesamten Tiefziehvorgangs bewahrt. Ein Werkstoff, der sich rasch verflacht, verliert im Verlauf des Vorgangs zunehmend seine Fähigkeit, einer Druckbeulung entgegenzuwirken.

Die Richtungsbeziehungen sind eindeutig:

• Höherer n-Wert = gleichmäßigere Dehnungsverteilung = bessere Knitterbeständigkeit
• Höherer r-Wert = geringere Dünnerwerdung = aufrechterhaltener Beulwiderstand während des Hubes
• Niedrigere Streckgrenze (bei ausreichendem n-Wert) = früherer plastischer Fließbeginn = bessere Spannungsumverteilung

Diese Zusammenhänge erklären, warum die Werkstoffauswahl nicht allein auf die Festigkeit abzielt. Ein hochfester Stahl mit begrenzter Dehnung und niedrigem n-Wert kann tatsächlich anfälliger für Faltenbildung sein als eine niedrigfestere Sorte mit überlegenen Umformbarkeitseigenschaften. Dasselbe gilt beim Vergleich von Stahl mit Aluminium: Selbst wenn das Schweißen oder Fügen von Aluminium keine Herausforderung darstellt, führt der niedrigere Elastizitätsmodul von Aluminiumlegierungen zu anderen Verfahrensansätzen zur Unterdrückung von Falten.

Nachdem diese mechanischen Grundlagen geklärt sind, stellt sich die nächste Frage praktisch: Wie beeinflussen Zugverhältnis und Zuschnittgeometrie den Zeitpunkt und den Ort des Faltenbeginns?

Zugverhältnis und Zuschnittgeometrie als Variablen der Faltenbildung

Nachdem Sie nun die Druckspannungen verstanden haben, die zur Faltenbildung führen, stellt sich die nächste, praktische Frage: Wie viel Material können Sie tatsächlich ziehen, bevor diese Spannungen unbeherrschbar werden? Die Antwort liegt in zwei miteinander verbundenen Variablen, die viele Konstrukteure erst dann berücksichtigen, wenn Probleme auf der Fertigungsfläche auftreten: ziehverhältnis und Zuschnittgeometrie .

Stellen Sie sich vor, Sie versuchen, eine große runde Tischdecke durch einen kleinen Ring zu ziehen. Je mehr Stoff Sie im Verhältnis zum Ringdurchmesser zu Beginn verwenden, desto stärker staucht und faltet sich der Stoff. Das Tiefziehen funktioniert nach demselben Prinzip. Das Verhältnis zwischen der Größe Ihres Ausgangszuschnitts und dem Durchmesser des Endstempels bestimmt, wie viel Umfangsdruck der Flansch aufnehmen muss – und ob dieser Druck innerhalb beherrschbarer Grenzen bleibt oder zur Beulung führt.

Ziehverhältnis und dessen Einfluss auf den Beginn der Faltenbildung

Der grenzwertiges Ziehverhältnis (LDR) definiert das maximale Verhältnis von Blechrohlingdurchmesser zu Stempeldurchmesser, das erfolgreich gezogen werden kann, ohne dass ein Versagen auftritt. Wenn dieser Schwellenwert überschritten wird, wird das Volumen des sich zusammenpressenden Flanschmaterials zu groß. Die daraus resultierende Umfangsspannung übersteigt den Beulwiderstand des Blechs, und es bilden sich Falten – unabhängig davon, wie hoch die Haltekraft des Blechhalteres ist.

Hier ist der Grund dafür: Mit steigendem Ziehverhältnis muss bei jedem Hub mehr Material nach innen fließen. Dieses zusätzliche Material erzeugt eine höhere Umfangskompression im Flansch. Wenn der Ziehstempel im Verhältnis zum Blechrohlingrand groß genug ist, bleibt die Kompression begrenzt und das Material fließt glatt. Ist der Blechrohling jedoch im Verhältnis zum Stempeldurchmesser zu groß, führt die überschüssige Kompression zu einem Fließwiderstand, den der Prozess nicht überwinden kann.

Die erforderliche Zugkraft zum Ziehen des Materials in die Matrize steigt mit dem Ziehverhältnis. Irgendwann übersteigt die radiale Zugspannung, die zur Überwindung der Flanschkompression erforderlich ist, die Belastbarkeit des Materials, ohne dass es übermäßig dünn wird oder am Stempelkopf reißt. Bevor diese Reißgrenze erreicht ist, tritt jedoch häufig zuerst eine Wellung auf, da der Flansch unter kompressiver Überlastung ausknickt.

Deshalb ist die Berechnung der Ausgangsblechgröße mittels Flächenmethoden – und nicht anhand linearer Maße – entscheidend. Ein rundes Gefäß, das hauptsächlich durch Kompression geformt wird, erfordert einen Ausgangsblechdurchmesser, der deutlich kleiner ist als die lineare Distanz durch das fertige Teil. Eine Überschätzung der Ausgangsblechgröße auf Grundlage der Teileabmessungen statt der Anforderungen an den Materialfluss ist einer der häufigsten Auslöser für Wellungsprobleme.

Optimierung der Ausgangsblechform zur Steuerung des Materialflusses

Bei runden Bechern ist die Beziehung zwischen Ausgangsblech und Stempel unkompliziert. Doch was geschieht, wenn Sie rechteckige Behälter, konturierte Blechtafeln oder asymmetrische Formen ziehen? Hier kommt die Optimierung der Ausgangsblechform als leistungsfähiges Werkzeug zur Kontrolle von Faltenbildung ins Spiel – und hier verschenken viele Umformprozesse Potenzial.

Forschungsergebnisse, veröffentlicht im Internationalen Zeitschrift für fortgeschrittene Fertigungstechnologie zeigt, dass die Optimierung der Ausgangsblechform für rechteckige Teile den Ausschuss reduziert und die Umformeignung verbessert. Die Studie ergab, dass die Berücksichtigung anisotroper Materialkennwerte bei der Ausgangsblechoptimierung den Konturfehler von 6,3 mm auf 5,6 mm senkte und damit einen Gesamtfehler von unter 4 Prozent erreichte.

Das Prinzip ist einfach: Nicht-rotationssymmetrische Zuschnitte für nicht-symmetrische Teile steuern, wie viel Material an jeder Stelle in die Werkzeugform eindringt. Ein konturgetreuer Zuschnitt, der der Öffnungslinie des Stempels folgt, fließt freier als ein rechteckiger oder trapezförmiger Zuschnitt mit überschüssigem Material in den Ecken. Wie FormingWorld erläutert, behindert zusätzliches Material außerhalb der Eckziehbereiche den Materialfluss, während ein Zuschnitt, dessen Form der Geometrie folgt, einen freieren Materialfluss ermöglicht.

Betrachten Sie beispielsweise eine B-Säule oder ein ähnliches strukturelles Automobilbauteil. Ein trapezförmiger geschnittener Zuschnitt kann kostengünstiger herzustellen sein, da kein spezielles Schneidwerkzeug erforderlich ist. Das zusätzliche Material in den Eckbereichen erzeugt jedoch eine stärkere Einschränkung des Metallflusses. Der konturgetreue Zuschnitt folgt der Stempelöffnungslinie genauer, verringert dadurch die Einschränkung und ermöglicht es dem Material, besser in die Ecken zu fließen – was die Umformbarkeit verbessert und das Risiko von Faltenbildung senkt.

Überdimensionierte Zuschnitte sind ein häufiger Auslöser für Faltenbildung, den Produktionsteams manchmal übersehen. Wenn der Zuschnitt größer als erwartet ist, fließt das Material weniger effektiv in die Ecken und weist einen größeren Kontakt mit dem Halter auf. Dadurch erhöht sich die Einschränkung sowohl durch die Haltekraft als auch durch die Reibung. Das Ergebnis ist eine höhere Druckspannung im Flansch und eine stärkere Neigung zur Faltenbildung. Umgekehrt können zu kleine Zuschnitte sich zu leicht verformen, wodurch die gewünschte Dehnung reduziert wird und sie möglicherweise bereits vor Erreichen der unteren Endlage durch die Ziehleisten gleiten.

Mehrere geometrische Faktoren des Zuschnitts beeinflussen direkt das Risiko der Faltenbildung:

• Zuschnittdurchmesser im Verhältnis zum Stempeldurchmesser: Höhere Verhältnisse bedeuten mehr Material unter Druck und eine stärkere Neigung zur Faltenbildung. Halten Sie sich innerhalb des LDR (Limiting Drawing Ratio) für Ihre Werkstoffsorte.
• Symmetrie der Zuschnittform im Vergleich zur Bauteilgeometrie: Geformte Zuschnitte, die den Konturen der Stempelöffnung folgen, reduzieren überschüssiges Material in Bereichen hoher Druckbeanspruchung.
• Materialvolumen an den Ecken bei rechteckigen Zuschnitten: Die Ecken erfahren eine höhere Druckspannung als die geraden Seiten. Ein Überschuss an Eckmaterial verstärkt diesen Effekt.
• Gleichmäßigkeit der Stegbreite: Ungleichmäßige Stegbreiten führen zu einer ungleichmäßigen Druckverteilung und verursachen lokalisiertes Knittern in breiteren Bereichen.

Durch vorherige Umformoperationen werkstoffverfestigtes Material beeinflusst ebenfalls, wie Zuschnitte auf Druckbelastung reagieren. Wenn das Material bereits durch vorherige Bearbeitungsschritte plastisch verfestigt wurde, verringert sich seine Fähigkeit, sich gleichmäßig zu verformen. Dadurch wird der Spielraum zwischen dem Einsetzen von Knittern und dem Versagen durch Reißen enger, was die Optimierung der Zuschnittgeometrie bei mehrstufigen Umformprozessen noch kritischer macht.

Die praktische Erkenntnis? Die Geometrie des Ausgangsblechs ist nicht nur eine Entscheidung hinsichtlich der Materialausnutzung. Sie bestimmt unmittelbar die Druckspannungsverteilung in Ihrer Flanschzone und entscheidet darüber, ob Ihr Prozess sicher innerhalb der Faltenbildungsgrenze arbeitet oder ständig gegen Beulfehler ankämpft. Sobald das Ziehverhältnis und die Geometrie des Ausgangsblechs verstanden sind, folgt als nächster Schritt die Untersuchung, wie Werkzeugparameter während der Umformoperation selbst direkten Einfluss auf die Faltenbildung nehmen.

Werkzeugparameter, die Faltenbildung steuern oder verursachen

Sie haben die Geometrie Ihres Ausgangsblechs optimiert und ein Material mit günstigen Umformeigenschaften ausgewählt. Was nun? Das Werkzeug selbst wird zu Ihrem primären Steuermechanismus zur Beherrschung der Faltenbildung während der eigentlichen Umformoperation. Jeder von Ihnen eingestellte Parameter – von der Haltekraft des Blechhalters bis zur Geometrie des Matrizenradius – beeinflusst unmittelbar, ob sich Ihr Flansch wellt oder sich reibungslos in den Matrizenhohlraum einformt.

Hier liegt die Herausforderung, der sich die meisten Konstrukteure gegenübersehen: Die gleichen Anpassungen, die Faltenbildung unterdrücken, können Risse auslösen, wenn sie zu stark vorgenommen werden. Dies ist kein Optimierungsproblem mit einer einzigen Variablen. Es handelt sich vielmehr um einen Ausgleichsprozess, bei dem jeder Werkzeugparameter auf einem Spektrum zwischen zwei Versagensarten liegt. Zu verstehen, an welcher Stelle Ihres Prozesses sich dieser Parameter befindet und wie Sie ihn gezielt steuern können, macht den Unterschied zwischen konsistenter Serienfertigung und chronischen Qualitätsproblemen aus.

Haltekraft des Blechhalters – Ausgleich zwischen Faltenbildung und Reißen

Die Haltekraft des Blechhalters (BHF) ist die zentrale Steuervariable zur Vermeidung von Faltenbildung im Flansch. Der Blechhalter übt einen nach unten gerichteten Druck auf den Flansch aus, wodurch Reibung entsteht, die den Materialfluss hemmt und eine radiale Zugspannung in der Blechtafel erzeugt. Diese Zugspannung wirkt der kreisförmigen Druckspannung entgegen, die zur Beulung führt.

Wenn die Haltekraft des Blechhalters zu gering ist, fehlt es dem Flansch an ausreichender Hemmung. Die druckbeanspruchte Umfangsspannung übersteigt die Beulbeständigkeit des Blechs, und es bilden sich Falten. Mit zunehmender Der Blechverarbeiter anmerkungen: Eine unzureichende Halterkraft des Blechhalters ermöglicht es dem Metall, sich bei Druckbelastung zu wellen; gewelltes Metall erzeugt Widerstand gegen den Fluss, insbesondere wenn es in der Seitenwand eingeschlossen ist.

Wenn die Halterkraft des Blechhalters (BHF) zu hoch ist, tritt das gegenteilige Problem auf. Ein übermäßiger Druck behindert den Metallfluss nach innen, wodurch das Material sich dehnt, anstatt gezogen zu werden. Diese Dehnung verringert die Blechdicke am Radius der Stempelspitze und führt schließlich zu Rissen. Derselbe Quellentext betont, dass eine zu hohe Halterkraft des Blechhalters den Metallfluss einschränkt und so eine Dehnung des Materials verursacht, die zu einem Riss führen kann.

Die praktische Konsequenz? Die Halterkraft des Blechhalters muss hoch genug sein, um Beulenbildung zu unterdrücken, aber niedrig genug, um den Materialfluss zuzulassen. Dieses Fenster variiert je nach Werkstoffgüte, Blechdicke und Ziehtiefe. Bei Werkstoffen mit geringer Dehnbarkeit, wie z. B. hochfesten Stählen, wird dieses Fenster erheblich enger. Damit bleibt weniger Spielraum für Fehler, bevor man vom Bereich der Wellenbildung in den Bereich der Rissbildung übergeht.

Die Druckverteilung ist genauso wichtig wie die Gesamtkraft. Schlecht gewartete Pressenkissen oder beschädigte Kissenstifte erzeugen einen ungleichmäßigen Druck über die gesamte Fläche des Blechhalteres. Dadurch entsteht lokal eine zu hohe Einspannung in einigen Bereichen und eine zu geringe Einspannung in anderen Bereichen, was sowohl Falten als auch Risse am selben Teil verursacht. Ausgleichselemente helfen dabei, unabhängig von Druckschwankungen einen vorgegebenen Spalt zwischen Matrizenoberfläche und Blechhalter aufrechtzuerhalten; sie müssen jedoch regelmäßig kalibriert werden, um korrekt zu funktionieren.

Matrizenradius, Stempelradius, Spiel und Zugsteggestaltung

Neben der Blechhaltekraft (BHF) beeinflussen vier weitere Werkzeugparameter das Faltenverhalten direkt: der Einführungs- bzw. Matrizenradius, der Stempelspitzenradius, das Spiel zwischen Stempel und Matrise sowie die Gestaltung der Zugstegs. Jeder dieser Parameter birgt jeweils einen Kompromiss zwischen dem Risiko von Faltenbildung und dem Risiko von Rissen.

Der Eintragsradius des Werkzeugs bestimmt, wie stark das Material beim Übergang von der Flanschzone in die gezogene Wand gebogen wird. Ein größerer Radius verringert die Biegeschärfe und senkt damit die Ziehkraft sowie das Risiko von Rissen. Gleichzeitig vergrößert er jedoch den nicht gestützten Flanschbereich zwischen der Halterkante und der Werkzeugöffnung. Diese größere, nicht gestützte Zone weist eine geringere Beulsteifigkeit auf, was die Neigung zur Faltenbildung erhöht. Ein kleinerer Werkzeugradius hält das Material effektiver zurück, konzentriert jedoch die Spannung an der Biegestelle und erhöht so das Risiko eines Bruchs. Toledo Metal Spinning erläutert, dass bei zu kleinem Werkzeugradius das Material nicht leicht fließen kann, was zu Dehnung und Bruch führt. Ist der Werkzeugradius hingegen zu groß, neigt das Material nach dem Quetschpunkt zur Faltenbildung.

Der Nasenradius des Stempels folgt einer ähnlichen Logik. Ein größerer Stempelradius verteilt die Umformspannung auf eine größere Fläche und verringert so das Risiko einer lokalen Dünung und eines Einreißens. Gleichzeitig bleibt jedoch im frühen Ziehvorgang mehr Material unbegrenzt, was das Risiko von Faltenbildung in der Übergangszone zwischen Stempelkontakt und Matrizen-Eintritt erhöhen kann.

Der Werkzeugspiel zwischen Stempel und Matrize ist ein Faktor für die Faltenbildung an der Wand und nicht für die Faltenbildung am Flansch. Wenn das Spiel die Materialdicke um zu viel übersteigt, fehlt der gezogenen Wand die seitliche Stützung. Dadurch kann die Seitenwand unabhängig von den Flanschbedingungen ausknicken und es entstehen Wandfalten, selbst wenn der Flansch faltenfrei bleibt. Ein geeignetes Spiel wird üblicherweise als Prozentsatz über der nominalen Blechdicke angegeben, wobei die während des Tiefziehens auftretende Materialdickenaufdickung berücksichtigt wird.

Ziehperlen bieten eine präzise Steuerung, die durch eine gleichmäßige BHF-Einstellung nicht erreicht werden kann. Diese erhabenen Strukturen in der Matrizenoberfläche oder im Halter erzeugen eine lokal begrenzte Haltekraft, indem sie das Blech beim Durchfließen biegen und wieder entbiegen. Untersuchungen der Oakland University ergaben, dass die Haltekraft der Ziehperlen allein durch Anpassung der Eindringtiefe der Perle um etwa den Faktor vier variiert werden kann. Dadurch erhalten Werkzeugkonstrukteure eine erhebliche Flexibilität, um die Materialflussverteilung entlang des Blechumfangs zu steuern, ohne die BHF gleichmäßig über die gesamte Flanschfläche erhöhen zu müssen.

Strategisch platzierte Ziehleisten beheben lokal begrenzte Faltenprobleme, die durch eine globale BHF-Einstellung nicht gelöst werden können. Bei rechteckigen Teilen, bei denen die Ecken einer höheren Druckspannung als die geraden Seiten ausgesetzt sind, erhöhen Ziehleisten an den Eckpositionen die lokale Einspannung, ohne die geraden Abschnitte übermäßig einzuschränken. Die zum Erreichen der erforderlichen Einspannkraft notwendige Binderkraft ist bei Verwendung von Ziehleisten deutlich geringer, was bedeutet, dass eine kleinere Pressenkapazität eine vergleichbare Metallkontrolle ermöglicht.

Die zentrale Erkenntnis aus dieser Tabelle ist, dass jede Parameteranpassung einen Kompromiss erfordert. Eine Veränderung in eine Richtung unterdrückt Faltenbildung, erhöht jedoch das Risiko von Rissen. Eine Veränderung in die entgegengesetzte Richtung bewirkt das Gegenteil. Bei der erfolgreichen Werkzeugentwicklung muss das Betriebsfenster gefunden werden, innerhalb dessen beide Versagensarten vermieden werden; dieses Fenster variiert je nach Werkstoff, Geometrie und Ziehtiefe.

Das Verständnis dieser Werkzeugbeziehungen bereitet Sie auf die nächste Herausforderung vor: die Erkenntnis, dass unterschiedliche Werkstoffe auf dieselbe Werkzeugeinstellung unterschiedlich reagieren. Ein Werkzeug, das für Weichstahl optimiert ist, kann bei Aluminium Falten verursachen oder bei hochfestem Stahl mit fortschrittlichen Eigenschaften (AHSS) Risse erzeugen – und zwar ohne entsprechende Parameteranpassungen.

Faltenverhalten bei gängigen Umformwerkstoffen

Eine Werkzeugform, die einwandfrei mit Weichstahl läuft, kann sofort wellige Teile erzeugen, sobald Sie auf Aluminium umschalten. Warum? Weil dieselben Werkzeugparameter sich unterschiedlich mit den mechanischen Eigenschaften jedes Materials verhalten. Das Verständnis, wie Streckgrenze, Elastizitätsmodul und Verfestigungsverhalten bei gängigen Umformmaterialien variieren, ist entscheidend, um das Risiko von Wellenbildung vorherzusagen und Ihren Prozess entsprechend anzupassen.

Die nachstehende Tabelle vergleicht das Wellenbildungsverhalten bei sechs Materialfamilien, die üblicherweise bei Tiefziehvorgängen eingesetzt werden. Jede Bewertung spiegelt wider, wie die inhärenten Eigenschaften des Materials die Knickfestigkeit unter Druckspannung im Flansch beeinflussen.

Wellenbildungsneigung nach Werkstoffgüte

Die oben genannten Bewertungen zeigen, wie die Eigenschaften jedes Materials mit den Druckbelastungen interagieren, die zum Biegen führen. Lassen Sie uns aufschlüsseln, warum diese Unterschiede in der Praxis wichtig sind.

Warum Aluminium und AHSS unterschiedliche Prozessansätze erfordern

Aluminiumlegierungen stellen aufgrund ihres geringen Elastizitätsmoduls eine besondere Herausforderung dar. Stahl hat einen Elastizitätsmodul von etwa 200 GPa, Aluminium hingegen liegt bei 70 GPa. Das bedeutet, dass Aluminium ungefähr ein Drittel der inhärenten Steifigkeit von Stahl hat. Da die Biegefestigkeit direkt von der Steifigkeit des Materials abhängt, biegt eine Aluminiumplatte mit gleicher Dicke unter derselben Druckbelastung viel leichter als Stahl.

Dieser geringere Knickwiderstand erklärt, warum Aluminium sich beim Tiefziehen anders verhält als Edelstahl. Im Gegensatz zu Edelstahl, der unter Krafteinwirkung fließen und seine Dicke umverteilen kann, lässt sich Aluminium nicht überdehnen oder übermäßig verformen. Das Material erfährt eine lokale Dehnung mit begrenzter Streckung und weist nicht die gleichmäßige Dehnungsverteilung auf, die Stahl bietet. Ein erfolgreiches Aluminium-Tiefziehen hängt davon ab, das richtige Ziehverhältnis einzuhalten und Zug, Druck sowie Haltekraft des Blechhalters präzise auszugleichen.

Die Aluminiumlegierungen der 5xxx-Serie (wie 5052 und 5182) weisen aufgrund ihres höheren n-Werts eine bessere Umformbarkeit als Legierungen der 6xxx-Serie auf. Dieser Verfestigungsexponent ermöglicht es den 5xxx-Legierungen, die Verformung gleichmäßiger über den Flansch zu verteilen und so das Auftreten einer lokalisierten Beulung hinauszuzögern. Die 6xxx-Serie (wie 6061 und 6063) bietet zwar nach einer Wärmebehandlung eine ausgezeichnete Festigkeit, weist jedoch im geglühten Zustand niedrigere n-Werte auf. Dadurch neigen sie stärker zu einer lokalen Dehnungskonzentration und einem früheren Einsetzen von Faltenbildung.

Hochfeste Stähle mit fortschrittlichen Eigenschaften stellen das umgekehrte Problem dar. AHSS-Sorten wie zweiphasige (DP) und transformationsinduzierte Plastizität (TRIP) aufweisende Stähle weisen eine hohe Streckgrenze auf, die häufig 500 MPa übersteigt. Diese hohe Streckgrenzspannung bedeutet, dass das Material der plastischen Verformung widersteht und daher eine höhere Haltekraft (BHF) zur Unterdrückung von Faltenbildung erforderlich ist. Gleichzeitig weisen AHSS-Sorten jedoch eine geringere Gesamtdehnung im Vergleich zu Weichstahl auf. Wie The Fabricator bemerkt, führen Faltenbildung, Rissbildung und Rückfederung während der Umformung von AHSS zu Herausforderungen entlang der gesamten Lieferkette.

Welches praktische Ergebnis ergibt sich daraus? AHSS verengt das Fenster für die erforderliche Haltekraft (BHF) erheblich. Einerseits ist eine höhere Kraft notwendig, um Faltenbildung zu unterdrücken; andererseits reißt das Material bereits bei niedrigeren Dehnungsgraden als Weichstahl. Dadurch verringert sich der zulässige Toleranzbereich. Die Servopresstechnologie mit programmierbaren Kraftverläufen hilft bei der Bewältigung dieser Herausforderung, indem sie es den Umformern ermöglicht, die Kissenkraft während des Hubes zu variieren: Sie können dort eine starke Haltekraft anwenden, wo dies erforderlich ist, und diese dort reduzieren, wo das Risiko einer Rissbildung steigt.

Edelstahl 304 führt eine weitere Variable ein: schnelle Verfestigung durch Kaltverformung. Diese austenitische Sorte weist einen sehr hohen n-Wert auf, was bedeutet, dass sie sich bei Verformung stark verfestigt. Edelstahl verfestigt sich durch Kaltverformung schneller als Kohlenstoffstahl und erfordert daher nahezu den doppelten Druck zum Strecken und Umformen. Der Chromoxid-Oberflächenfilm verstärkt zudem die Reibung während der Umformung, weshalb Werkzeuge sorgfältig beschichtet und geschmiert werden müssen.

Was bedeutet dies für Faltenbildung? Die schnelle Verfestigung durch Kaltverformung trägt tatsächlich dazu bei, Beulung während des Tiefziehvorgangs entgegenzuwirken, da das Material kontinuierlich steifer wird. Die hohe Reibung und die erhöhten Druckanforderungen bedeuten jedoch, dass die Blechhaltekraft (BHF) während des Hubes gesteigert werden muss, um die Kontrolle zu bewahren. Bleibt die BHF konstant, können sich im frühen Hub Falten bilden, während im späten Hub Risse entstehen. Je ausgeprägter der Tiefzug ist, desto langsamer muss er ausgeführt werden, um diese Faktoren zu berücksichtigen.

Die Beziehung zwischen Streckspannung und Streckfestigkeit ist hier ebenfalls von Bedeutung. Werkstoffe mit einer niedrigeren Anfangsstreckfestigkeit treten früher in den plastischen Fließzustand ein, wodurch eine Spannungsumverteilung stattfinden kann, bevor die Knickung einsetzt. Werkstoffe mit höherer Streckfestigkeit widerstehen diesem frühen Fließen und führen zu einer Konzentration der Spannungen in lokalisierten Bereichen, wo die Knickung einsetzen kann, noch bevor der Werkstoff sich gleichmäßig verformt.

Bei Rohlingen, die mittels Draht-EDM geschnitten oder präzise nachbearbeitet wurden – also dort, wo die Kantenqualität den Werkstofffluss beeinflusst – werden diese Werkstoffunterschiede noch deutlicher. Eine saubere Kante fließt vorhersehbarer als eine abgeschnittene Kante mit ausgeprägten, durch Umformung verfestigten Graten; dieser Effekt variiert je nach Werkstoffgüte.

Die zentrale Erkenntnis? Prozessparameter können nicht einfach von einem Werkstoff auf einen anderen übertragen werden. Ein Werkzeug, das für Weichstahl optimiert ist, führt bei Aluminium wahrscheinlich zu Faltenbildung und kann hochfeste Stähle (AHSS) beschädigen. Jede Werkstoffgruppe erfordert ihre eigene Strategie für den Blechhaltekräfteinsatz (BHF), eine eigene Optimierung der Ziehgeschwindigkeit sowie einen eigenen Schmieransatz. Das Verständnis dieser werkstoffspezifischen Verhaltensweisen vor der Fertigung der Werkzeuge spart während der Werkzeugerprobung erhebliche Zeit und Kosten.

Sobald das Verhalten der Werkstoffe verstanden ist, stellt sich die nächste Frage: Wie beeinflusst die Bauteilgeometrie Ort und Ursache der Faltenbildung?

Wie die Bauteilgeometrie Ort und Ursache der Faltenbildung beeinflusst

Sie haben den richtigen Werkstoff ausgewählt und Ihre Werkzeugparameter feinabgestimmt. Doch hier ist etwas, das viele Konstrukteure auf die harte Tour lernen: Ein Verfahren, das für zylindrische Tassen einwandfrei funktioniert, scheitert möglicherweise vollständig bei rechteckigen Behältern oder kegelförmigen Schalen. Die Bauteilgeometrie verändert grundlegend, wo Falten entstehen, warum sie entstehen und welche korrigierenden Maßnahmen tatsächlich wirksam sind.

Stellen Sie sich das so vor: Ein zylindrischer Becher weist eine gleichmäßige Symmetrie entlang seines gesamten Umfangs auf. Das Material fließt gleichmäßig von allen Seiten nach innen, und die Druckspannung verteilt sich gleichmäßig entlang der Flanschzone. Eine rechteckige Schachtel? Ganz anders. Die Ecken erfahren völlig andere Spannungszustände als die geraden Seiten. Eine kegelförmige Schale? Der nicht gestützte Wandbereich zwischen Stempel und Matrize birgt Faltenrisiken, die durch flanschorientierte Steuerungsmaßnahmen nicht behoben werden können.

Das Verständnis dieser geometrieabhängigen Mechanik ist entscheidend, um Probleme korrekt zu diagnostizieren und die richtigen Lösungen anzuwenden.

Zylindrische, rechteckige und kegelförmige Teile – unterschiedliche Faltenmechanismen

Bei zylindrischen Bechern verhält sich die Faltenbildung vorhersehbar. Der Fehler ist symmetrisch und tritt hauptsächlich im Flanschbereich auf. Wie The Fabricator erläutert, beginnt ein Zylinder als einfache runde Ausgangsplatte; damit die größerdurchmessige Ausgangsplatte in die kleinere Zylinderform umgeformt werden kann, muss sie sich radial zusammenpressen. Das Metall fließt gleichzeitig nach innen zur Mittellinie, während es sich zusammendrückt. Eine kontrollierte Kompression führt zu einem ebenen Flansch; eine unkontrollierte Kompression verursacht starke Faltenbildung.

Die maßgeblichen Einflussgrößen für zylindrische Teile sind die Haltekraft der Blechhalterplatte (BHF) und das Ziehverhältnis. Da die Spannungsverteilung gleichmäßig ist, wirkt eine globale Anpassung der BHF effektiv. Treten Falten auf, lässt sich das Problem in der Regel durch eine Erhöhung der BHF über den gesamten Flansch beheben – vorausgesetzt, man bleibt unterhalb der Rissgrenze. Das Ziehverhältnis bestimmt, wie viel Kompression der Flansch aufnehmen muss; daher verhindert das Einhalten des zulässigen Ziehverhältnisses für das jeweilige Material eine Überlastung durch Druckspannungen.

Rechteckige und quadratische Behälterteile führen eine Asymmetrie ein, die alles verändert. Die Ecken eines quadratischen Zugteils entsprechen im Wesentlichen einem Viertel eines runden Zugs und erfahren eine radiale Kompression, ähnlich wie zylindrische Becher. Die geraden Seiten verhalten sich jedoch anders. Wie dieselbe Quelle anmerkt, befinden sich die Seitenwände eines gezogenen Behälters in einer Biege- und Geradezieh-Verformung mit kaum oder keiner Kompression. Das Metall fließt entlang der geraden Abschnitte mit sehr geringem Widerstand nach innen.

Diese Asymmetrie erzeugt ein kritisches Problem: Die Eckbereiche erfahren eine höhere Druckspannung als die geraden Seiten, weshalb Faltenbildung an den Ecken die Hauptproblematik darstellt. Wenn zu große Metallflächen in den Ecken einer radialen Kompression unterworfen werden, führt dies zu starkem Fließwiderstand, was übermäßige Dehnung und mögliche Rissbildung zur Folge hat. Die Ecken neigen zur Faltenbildung, während die Seiten frei fließen möchten.

Die wichtigsten Werkzeuge für rechteckige Teile sind Ziehleisten an den Ecken und die Optimierung der Ausgangsblechform. Ziehleisten erhöhen die lokale Haltekraft an den Eckstellen, ohne die geraden Abschnitte übermäßig zu behindern. Die Optimierung der Ausgangsblechform reduziert überschüssiges Material in den Eckbereichen. Bei Verwendung eines quadratischen Ausgangsblechs zur Herstellung einer quadratischen Schale sollte dieses um 45 Grad gegenüber der Teileinstellung versetzt angeordnet werden. Dadurch wird ein größerer Fließwiderstand an den Seiten erzeugt, wo eine höhere Zugspannung erwünscht ist, und es steht weniger Material in den Ecken zur Verfügung, was die Fließfähigkeit im radialen Profil maximiert.

Kegelförmige Schalen stellen eine weitere Herausforderung dar. Laut MetalForming Magazine ist das Tiefziehen kegelförmiger Formteile deutlich schwieriger als das von zylindrischen Bechern, da die Verformung nicht auf den Randbereich beschränkt ist. Bei diesen Formen tritt die Verformung zudem im nicht gestützten Bereich zwischen Matrize und Stempeloberfläche auf, wo Druckspannungen Faltenbildung („Puckering“) verursachen können.

Kräuselbildung beschreibt die Dehnungsformungs-Falten, die sich am Werkstückkörper des Ausgangsblechs bilden, im Gegensatz zu Ziehfalten, die am Rand des Blechrohlings auftreten. Es handelt sich hierbei um Wandfalten statt Flanschfalten, weshalb andere Abhilfemaßnahmen erforderlich sind. Der nicht gestützte Wandbereich zwischen Stempel und Matrize ist bei kegelförmigen Ziehungen groß, wodurch die Wandfaltung zur vorherrschenden Versagensart wird. Kräuselbildung ist unbedingt zu vermeiden, da sich diese Falten in der Regel nicht mehr entfernen lassen.

Bei kegelförmigen Schalen beeinflusst das Verhältnis von Blechdicke zu Rohlingsdurchmesser (t/D) das Grenzziehverhältnis stärker als bei zylindrischen Tiefziehvorgängen. Bei einem t/D-Wert größer als 0,25 kann in der Regel eine Einzelziehung mit einer nominalen Anpreßkraft des Halterringes durchgeführt werden. Liegt t/D zwischen 0,15 und 0,25, ist eine Einzelziehung möglicherweise noch realisierbar, erfordert jedoch eine deutlich höhere Anpreßkraft des Halterringes. Ein t/D-Wert unter 0,15 macht den Rohling sehr anfällig für Faltenbildung und erfordert mehrere Ziehstufen mit schrittweiser Reduktion.

Komplexe, konturierte Blechteile, wie sie häufig bei Karosserieanwendungen im Automobilbereich vorkommen, kombinieren Elemente all dieser Geometrien. Faltenbildung ist geometrieabhängig und ortsgebunden und variiert über die Bauteiloberfläche hinweg je nach lokaler Krümmung, Ziehtiefe und Materialflussmustern. Solche Teile erfordern in der Regel eine Umformsimulation, um vorherzusagen, an welchen Stellen Falten entstehen werden und welche Prozessanpassungen wirksam sind.

Im Folgenden finden Sie die geometrieabhängigen Überlegungen zur Faltenbildung für jeden Teiletyp:

• Zylindrische Tassen: Die Faltenbildung ist symmetrisch und vorwiegend im Flanschbereich zu beobachten. Die Haltekraft (BHF) und das Ziehverhältnis sind die primären Steuergrößen. Eine globale Anpassung der Haltekraft ist wirksam. Achten Sie darauf, innerhalb des zulässigen Ziehtiefenverhältnisses (LDR) für Ihre Werkstoffqualität zu bleiben.
• Rechteckige bzw. kastenförmige Teile: In den Eckbereichen treten höhere Druckspannungen auf als an den geraden Seiten. Die Faltenbildung in den Ecken stellt daher das Hauptproblem dar. Verwenden Sie Ziehleisten an den Ecken und optimieren Sie die Zuschnittform, um das Materialvolumen in den Ecken zu reduzieren. Erwägen Sie eine Zuschnittausrichtung unter 45 Grad.
• Kegelförmige Schalen: Eine große, nicht gestützte Wandfläche führt dazu, dass das Aufwölben (Kräuseln) der Wand die vorherrschende Versagensart ist. Das Verhältnis t/D beeinflusst maßgeblich die Anfälligkeit für Kräuseln. Dünne Blechrohlinge im Verhältnis zum Durchmesser erfordern mehrere Ziehstufen oder Zwischenstützringe.
• Komplexe konturierte Blechtafeln: Das Kräuseln ist ortsabhängig und geometriebezogen. Eine Simulation ist erforderlich, um die Kräuselstellen vorherzusagen. Die lokale Haltekräfteinstellung (BHF) sowie die Platzierung von Ziehleisten müssen an die jeweiligen Risikozonen angepasst werden.

Mehrstufiges Tiefziehen und Auswirkungen der Zwischenglühung

Wenn eine einzelne Ziehoperation die erforderliche Tiefe nicht ohne Kräuseln oder Reißen erreichen kann, sind mehrstufige Ziehfolgen notwendig. Dies ist insbesondere bei tiefen kegelförmigen Schalen, stark konischen Formen und Teilen mit Gesamtumformgraden üblich, die eine einzelne Hubbewegung nicht bewältigen kann.

Das erfolgreiche Tiefziehen stark konischer Hülsen mit Höhen-zu-Durchmesser-Verhältnissen größer als 0,70 erfordert einen Stufenbecher-Ansatz. Beim Tiefziehen von Stufenbechern wird im Wesentlichen das Ziehen zylindrischer Becher nachgeahmt, wobei die Ziehreduktion für benachbarte Stufen den entsprechenden Becherdurchmessern entspricht. Der Umformvorgang wird vor Erreichen der vollen Tiefe abgebrochen, um die jeweilige Stufe zu erzeugen; anschließend wird die stufenförmige Hülse in den abschließenden Umformschritten zu einem Kegel gezogen.

Doch hier liegt die Herausforderung: Jede Ziehstufe führt zu einer Anhäufung von Verformungsdehnung im Werkstoff. Die Kaltverformung während des ersten Ziehvorgangs erhöht die Versetzungsdichte und verringert die Duktilität. Bereits bei der zweiten oder dritten Ziehstufe kann der Werkstoff so stark verfestigt sein, dass er sich nicht mehr gleichmäßig verformen lässt. Diese akkumulierte Verfestigung verengt das Fenster zwischen Knitterbildung und Rissbildung und macht nachfolgende Ziehvorgänge zunehmend schwieriger.

Die Zwischenglühung löst dieses Problem, indem sie die Duktilität zwischen den Ziehstufen wiederherstellt. Bei diesem Wärmebehandlungsverfahren wird das Material auf eine bestimmte Temperatur erhitzt, für eine vorgegebene Zeit gehalten und anschließend kontrolliert abgekühlt. Der Glühprozess liefert thermische Energie, die eine Bewegung, Umordnung und Vernichtung von Versetzungen ermöglicht und so die Verfestigung des Materials effektiv zurücksetzt.

Dieser Prozess ist in Fertigungsoperationen, die eine umfangreiche Verformung erfordern, unverzichtbar, da er eine übermäßige Verfestigung und potenzielle Rissbildung während nachfolgender Umformschritte verhindert. Durch die Zwischenglühung können Hersteller insgesamt größere Reduktionen erreichen, als dies in einer einzigen Umformsequenz möglich wäre.

Bei Tiefziehanwendungen verringert eine Zwischenglühung das Risiko von Faltenbildung, die durch werkstoffbedingte Verfestigung verursacht wird, wodurch das Material seine Fähigkeit verliert, sich gleichmäßig zu verformen. Wenn das Material durch vorherige Bearbeitung bereits Dehnungsverfestigung aufweist, nimmt sein n-Wert effektiv ab. Das Material verteilt dann die Dehnung nicht mehr gleichmäßig über den Flansch, sondern konzentriert die Verformung auf lokal begrenzte Bereiche, in denen sich Beulung einleiten kann. Durch die Glühung wird das ursprüngliche n-Wert-Verhalten wiederhergestellt, sodass bei nachfolgenden Ziehvorgängen eine gleichmäßige Dehnungsverteilung möglich ist.

Welche praktische Konsequenz ergibt sich daraus? Mehrstufige Ziehfolgen mit Zwischenglühung ermöglichen die Herstellung komplexer Geometrien ohne Werkstoffversagen. Bei der Herstellung feinen Stahldrahtes sind häufig 5 bis 10 Ziehpässe mit jeweiliger Zwischenglühung erforderlich, um die Enddurchmesser ohne Drahtbruch zu erreichen. Dasselbe Prinzip gilt auch für tiefgezogene Teile: Mehrere Ziehstufen mit dazwischenliegender Glühung können Zieftiefen erreichen, die in einem einzigen Arbeitsgang unmöglich wären.

Allerdings erhöht die Zwischenglühung die Kosten und die Zykluszeit. Ingenieure müssen die Glühparameter gegen die Produktionseffizienz und die Energiekosten abwägen. Eine unzureichende Glühung führt zu Verarbeitungsschwierigkeiten, während eine übermäßige Glühung Ressourcen verschwendet und möglicherweise unerwünschtes Kornwachstum verursacht, das die Oberflächenqualität bei nachfolgenden Umformprozessen beeinträchtigt.

Der geometrieorientierte Ansatz zur Faltenvermeidung berücksichtigt, dass keine einzige Lösung für alle Teilgeometrien geeignet ist. Zylindrische Becher reagieren auf eine globale Anpassung der Blechhaltekraft (BHF). Rechteckige Behälter benötigen steuerbare Maßnahmen an den Ecken. Kegelförmige Schalen erfordern besondere Aufmerksamkeit hinsichtlich der Wandstützung und können mehrstufige Umformsequenzen benötigen. Komplexe Blechtafeln erfordern eine simulationsgestützte Prozessentwicklung. Die Anpassung Ihres Diagnoseansatzes an die Geometrie Ihres Bauteils ist der erste Schritt hin zu einer wirksamen Faltenkontrolle.

Sobald die geometriespezifischen Mechanismen verstanden sind, folgt als nächster Schritt die Untersuchung, wie Umformsimulationswerkzeuge diese Faltenrisiken vorab – noch bevor Werkzeuge gefertigt werden – prognostizieren.

Mit Umformsimulation die Bildung von Falten vor der Werkzeugherstellung vorhersagen

Was wäre, wenn Sie bereits vor dem Schneiden des ersten Stahlteils für Ihre Matrize genau sehen könnten, an welchen Stellen Falten entstehen würden? Genau das bietet Software zur Umformsimulation. Tools wie AutoForm, Dynaform , und PAM-STAMP ermöglichen es Prozessingenieuren, ihre Matrizendesigns virtuell zu testen, Bereiche mit erhöhtem Faltenrisiko zu identifizieren und Parameter zu optimieren, bevor sie sich auf teure Werkzeuge festlegen.

Für jeden Werkzeug- und Matrizenbauer verwandelt diese Funktion den Entwicklungsprozess. Statt Faltenprobleme erst während der Erstversuche zu entdecken – wenn Änderungen physische Nacharbeit oder sogar einen kompletten Neubau der Matrize erfordern – werden solche Probleme bereits in der Konstruktionsphase durch die Simulation erkannt. Das Ergebnis? Weniger Erstversuch-Durchläufe, kürzere Entwicklungszeiten und deutlich niedrigere Kosten.

Die Technologie verwendet Finite-Elemente-Methoden, um das Verhalten von Blech unter Umformbedingungen zu modellieren. Wie AutoForm Engineering erläutert, ermöglicht die Simulation, Fehler und Probleme – wie Faltenbildung oder Risse in den Bauteilen – bereits frühzeitig im Umformprozess am Computer zu erkennen. Dadurch entfällt die Notwendigkeit, reale Werkzeuge lediglich für praktische Tests herzustellen.

Welche Eingabedaten bestimmen die Genauigkeit der Simulation?

Die Qualität einer Simulation hängt genauso stark von den eingegebenen Daten ab wie überall sonst im Ingenieurwesen: Schlechte Eingabedaten führen zwangsläufig zu schlechten Ergebnissen. Die Genauigkeit der Vorhersage von Faltenbildung hängt unmittelbar davon ab, wie gut Ihr Modell die realen Prozessbedingungen widerspiegelt.

Zu den typischen Parametern für die Umformsimulation zählen Geometrie des Bauteils und der Werkzeuge, Materialeigenschaften, Presskräfte sowie Reibung. Jeder dieser Eingabeparameter beeinflusst, wie die Software Spannungen und Dehnungen während des virtuellen Umformprozesses berechnet. Falsche Angaben führen dazu, dass die Simulationsergebnisse nicht mit dem tatsächlichen Geschehen an der Presse übereinstimmen.

Hier sind die wichtigsten Simulationsparameter, die die Genauigkeit der Faltenvorhersage beeinflussen:

• Eigenschaften des Ausgangsmaterials: Die Streckgrenze und die Fließspannung definieren den Zeitpunkt, zu dem plastische Verformung einsetzt. Der n-Wert (Verfestigungsexponent) bestimmt, wie gleichmäßig das Material die Dehnung verteilt. Der r-Wert (plastische Anisotropie) gibt den Widerstand gegen Dickenabnahme an. Die vollständige Spannungs-Dehnungs-Kurve beschreibt das Verhalten des Materials über den gesamten Umformbereich.
• Geometrie des Ausgangsmaterials: Form, Größe und Dicke Ihres Ausgangsblechs beeinflussen direkt, wie viel Material an jeder Stelle in die Matrize eingeht. Für eine zuverlässige Vorhersage der Druckspannungsverteilung im Flansch benötigt die Simulation genaue Abmessungen des Ausgangsblechs.
• Werkzeuggeometrie: Der Einlaufradius der Matrize, der Nasenradius des Stempels sowie der Stempel-Matrizen-Spalt beeinflussen sämtlich den Materialfluss und den Knickwiderstand. Diese Abmessungen müssen mit Ihrem tatsächlichen Werkzeugdesign übereinstimmen, um aussagekräftige Ergebnisse zu erzielen.
• Betrag und Verteilung der Halteplatte-Kraft: Die Halteplatte-Kraft (BHF) ist die primäre Steuervariable für Faltenbildung im Flanschbereich. Für die Simulation sind genaue Kraftwerte erforderlich; bei komplexen Werkzeugen zudem die räumliche Verteilung dieser Kraft über die Oberfläche der Halteplatte.
• Reibungsbedingungen: Der Reibungskoeffizient zwischen Blech, Matrize und Halteplatte beeinflusst den Materialfluss während des Tiefziehens. Art und Auftragsmethode des Schmiermittels wirken sich erheblich auf diese Werte aus.

Materialdaten verdienen besondere Aufmerksamkeit. Viele Simulationsfehler gehen darauf zurück, dass allgemeine Materialkennwerte statt tatsächlicher Prüfdaten für die jeweilige Coil oder Charge verwendet werden, die umgeformt wird. Der Unterschied zwischen nominalen Datenblattwerten und dem realen Materialverhalten kann beträchtlich sein, insbesondere bei der Beziehung zwischen Streckgrenze und Spannung bei hochfesten Sorten.

Auswertung der Simulationsergebnisse zur Vorhersage und Vermeidung von Faltenbildung

Sobald Sie eine Simulation durchführen, generiert die Software Ergebnisse, die aufzeigen, wo Probleme auftreten werden. Doch das Verständnis dafür, wie diese Ausgaben zu interpretieren sind, unterscheidet Ingenieure, die Simulationen effektiv einsetzen, von solchen, die sie lediglich als Pflichtübung abhaken.

Die Simulation berechnet Spannungen und Dehnungen während des Umformprozesses. Zudem ermöglichen Simulationen die Erkennung von Fehlern und Problemen sowie die Ermittlung von Ergebnissen wie Festigkeit und Materialdickenschwächung. Selbst Springback – das elastische Verhalten des Materials nach der Umformung – kann im Voraus prognostiziert werden.

Bei Faltenbildung (Wrinkling) handelt es sich speziell um folgende Schlüsselausgaben, die Ingenieure überprüfen sollten:

• Indikatoren für Faltenbildungstendenz: Die meisten Simulationsprogramme zeigen das Faltenbildungsrisiko als Farbkarten an, die über die Bauteilgeometrie gelegt sind. Bereiche mit Druckspannungszuständen, die die Knickgrenzen überschreiten, erscheinen in Warnfarben – typischerweise blauen oder violetten Zonen im Formgrenzdiagramm (FLD).
• Dünnungsverteilung: Eine übermäßige Dünnung deutet darauf hin, dass das Material sich dehnt statt gezogen zu werden, was darauf hindeuten kann, dass die BHF (Blankholderkraft) zu hoch ist. Umgekehrt können Bereiche mit minimaler Dünnung unzureichend eingeschränkt sein und zur Faltenbildung neigen.
• Nähe zum FLD: Das Formgebungs-Grenzdiagramm (FLD) stellt für jedes Element der Simulation die Hauptdehnung in Abhängigkeit von der Nebendehnung dar. Dehnungszustände im Druckbereich (linke Seite des Diagramms) weisen auf ein Risiko der Faltenbildung hin. Das FLD bietet einen leicht verständlichen Überblick über zahlreiche mögliche Versagenskriterien gleichzeitig und eignet sich daher ideal für erste Machbarkeitsprüfungen.
• Materialflussmuster: Die Visualisierung der Materialbewegung während des Ziehvorgangs zeigt, ob der Fluss gleichmäßig oder eingeschränkt ist. Ein ungleichmäßiger Fluss geht häufig einer lokalisierten Faltenbildung voraus.

Die eigentliche Leistungsfähigkeit der Simulation entfaltet sich, wenn Sie diese Ergebnisse mit konkreten Prozessanpassungen verknüpfen. Stellen Sie sich vor, Ihre Simulation zeigt Faltenbildung in der Flanschecke eines rechteckigen Bauteils. Noch bevor ein einziger Metallschnitt erfolgt, können Sie Lösungen virtuell testen: Erhöhung des lokalen Blechhaltekräftes (BHK) in diesem Bereich, Anordnung einer Ziehleiste an der Ecke, Verringerung der Zuschnittgröße zur Reduzierung des Materialvolumens oder Anpassung der Geometrie des Matrizenradius. Jede dieser Änderungen lässt sich innerhalb weniger Minuten simulieren – im Gegensatz zu mehreren Tagen für die physische Umsetzung.

Wie ETA hervorhebt, ermöglicht Simulationssoftware für die Gestaltung von Matrizenflächen den Ingenieuren, Probleme wie Dünnerwerden, Rissbildung, Nachziehen, Abkanten, Springback und Schnittlinienprobleme frühzeitig zu erkennen. Obwohl die Software weiterhin ingenieurtechnisches Fachwissen erfordert, können Anwender damit eine Vielzahl möglicher Lösungen erproben, ohne Zeit, Aufwand oder Material unnötig zu verschwenden.

Diese iterative virtuelle Prüfung ist der Grund dafür, dass Simulation in der modernen Werkzeugentwicklung mittlerweile Standardpraxis geworden ist. Statt mehrere Wochen mit Versuch und Irrtum verbringen zu müssen, können Konstrukteure die Werkzeugoberfläche innerhalb weniger Tage oder sogar Stunden simulieren. So lässt sich die Machbarkeit des Designs schneller bewerten, wodurch Schätzer Angebote rascher erstellen können – was wiederum die Erfolgschancen bei Ausschreibungen erhöht.

Zulieferer, die fortschrittliche CAE-Simulation in ihren Werkzeugentwicklungsprozess integrieren, erzielen durchgängig bessere Ergebnisse. Shaoyi , nutzt beispielsweise simulationsgestütztes Design als Teil ihres Entwicklungsworkflows für Karosserie-Stanzwerkzeuge. Dieser Ansatz trägt zu ihrer Erstfreigabequote von 93 % bei, indem bereits vor der Fertigung der Werkzeuge Faltenbildung und andere Fehler identifiziert werden. Wenn die Simulation ein Problem frühzeitig erkennt, belaufen sich die Kosten für die Behebung nur auf einen Bruchteil dessen, was physische Nacharbeit erfordern würde.

Die Workflow-Integration ist genauso wichtig wie die Software selbst. Umformsimulationen werden während der gesamten Prozesskette der Blechumformung eingesetzt. Ein Bauteilentwickler kann bereits in der Entwurfsphase die Umformbarkeit abschätzen, wodurch sich leichter herstellbare Bauteile ergeben. Ein Verfahrensingenieur kann den Prozess während der Planungsphase bewerten und Alternativen mithilfe der Simulation optimieren, was anschließend die Feinabstimmung des Umformwerkzeugs reduziert.

Bei komplexen Automobilblechteilen, bei denen das Knitterverhalten je nach Lage und Geometrie variiert, ist die Simulation keine Option – sie ist die einzige praktikable Methode, um vorherzusagen, an welchen Stellen Probleme auftreten werden und welche Parameterkombinationen diese verhindern. Die Alternative – diese Probleme erst während der Maschineneinrichtung an der Abkantpresse oder in der Serienfertigung zu entdecken – verursacht deutlich höhere Kosten hinsichtlich Zeit, Material und Kundenvertrauen.

Da die Simulation eine virtuelle Validierung Ihres Prozessdesigns ermöglicht, besteht der nächste Schritt darin, zu verstehen, wie man Faltenbildung-Probleme diagnostiziert, sobald sie in der Produktion tatsächlich auftreten – unter Zuordnung der beobachteten Defektstellen zu ihren Ursachen und den entsprechenden Korrekturmaßnahmen.

Ursachenanalyse

Sie haben Ihre Simulation durchgeführt, die Geometrie Ihres Ausgangsmaterials optimiert und die Werkzeugparameter festgelegt. Dennoch treten weiterhin Falten an Ihren Bauteilen auf. Was nun? Die Antwort liegt in einer einzigen diagnostischen Frage, die jede Fehlersuche leiten sollte: Wo bilden sich Ihre Falten?

Diese Frage ist entscheidend, denn der Ort der Faltenbildung verrät unmittelbar die Ursache. Eine Falte am Flanschrand erzählt eine völlig andere Geschichte als eine Falte an der gezogenen Wand oder in einer Eckradiuszone. Alle Falten als dasselbe Problem zu behandeln, führt zu unnötigen Anpassungen und fortlaufendem Ausschuss. Der diagnostische Weg verzweigt sich vollständig je nachdem, wo der Fehler auftritt.

Die Produktionserfahrung bestätigt dieses Prinzip. Wie Yixing Technology bemerkt, ist die Hauptursache für Faltenbildung bei gestanzten Teilen die Materialansammlung während des Tiefziehprozesses sowie die übermäßige Geschwindigkeit der lokalen Materialbewegung. Doch die Stelle, an der diese Ansammlung auftritt, bestimmt, welcher Mechanismus dafür verantwortlich ist und welche korrigierende Maßnahme tatsächlich wirkt.

Faltenposition als Ausgangspunkt der Diagnose

Betrachten Sie die Faltenposition als Ihren ersten Hinweis bei einer diagnostischen Untersuchung. Jede Zone am gezogenen Teil erfährt unterschiedliche Spannungszustände, unterschiedliche Werkzeugbeschränkungen und unterschiedliche Bedingungen des Materialflusses. Das Verständnis dieser zonenspezifischen Mechanik verwandelt die Fehlersuche von einer Vermutung in ein systematisches Problemlösungsverfahren.

Der Flanschumfang befindet sich zwischen dem Blechhalter und der Matrizenoberfläche. In dieser Zone wirkt eine direkte, druckartige Umfangsspannung, da das Material nach innen fließt. Treten hier Falten auf, so liefert der Blechhalter nicht ausreichend Haltekraft, um dieser Druckspannung entgegenzuwirken. Das Material beult sich daher zusammen, weil nichts dies verhindert.

Die Ziehwand hingegen ist bereits über den Matrizenradius hinweggegangen und in den Matrizenhohlraum eingetreten. Dieser Bereich weist keine direkte Einschränkung durch den Blechhalter mehr auf. Falten an der Wand deuten darauf hin, dass das Material in einer nicht gestützten Zone beult – häufig aufgrund eines zu großen Stempel-Matrizen-Spiels oder mangels seitlicher Stützung der Wand während des Umformprozesses.

Bereiche mit Eckradien an rechteckigen oder kastenförmigen Teilen erfahren eine konzentrierte Druckspannung. Das Material, das in die Ecken fließt, muss stärker komprimiert werden als das Material, das entlang gerader Seiten fließt. Falten an den Ecken signalisieren, dass die lokale Haltekraft nicht ausreicht, um diese konzentrierte Kompression zu beherrschen.

Die untere Übergangszone des Teils, in der das Material über den Radius der Stempelspitze gebogen wird, erfährt einen völlig anderen Spannungszustand. Falten an dieser Stelle deuten häufig darauf hin, dass das Material über die Stempeloberfläche hinweg nicht ausreichend gestreckt wird, wodurch sich überschüssiges Material im Übergangsbereich ansammeln kann.

Jeder Ort weist auf einen spezifischen Versagensmechanismus hin. Die Erkenntnis, welcher Mechanismus aktiv ist, bestimmt, welche korrigierende Maßnahme zum Erfolg führen wird.

Zuordnung der Ursachen zu korrigierenden Maßnahmen nach Zone

Die nachstehende Tabelle ordnet beobachtete Faltenstellen ihren wahrscheinlichsten Ursachen und den empfohlenen ersten korrigierenden Maßnahmen zu. Dieses Diagnoseraster orientiert sich an der Vorgehensweise erfahrener Verfahrenstechniker bei der Fehlersuche direkt in der Fertigungshalle.

Beachten Sie, wie stark sich die korrigierenden Maßnahmen je nach Zone unterscheiden. Eine Erhöhung des Blechhaltekräftes (BHK) behebt Falten am Flanschradius, wirkt jedoch nicht gegen Wandfalten, die durch zu großen Spalt verursacht werden. Das Einbringen von Ziehleisten an den Ecken löst lokal begrenzte Halteprobleme, kann aber keine zu große Blechgröße kompensieren. Die Zuordnung der Korrekturmaßnahme zum jeweiligen Ort ist entscheidend.

Der Zusammenhang zwischen Streckgrenze und Zugfestigkeit beeinflusst ebenfalls, wie stark Sie Parameter anpassen können. Werkstoffe mit einer großen Differenz zwischen Streckgrenze und Zugfestigkeit bieten mehr Spielraum für eine Anpassung des Blechhaltekräftes, bevor ein Reißen eintritt. Bei Werkstoffen, bei denen diese Werte nahe beieinander liegen – was häufig bei kaltverfestigten Zuständen der Fall ist – sind vorsichtigere Anpassungen erforderlich.

Die Verfestigung während des Ziehvorgangs wirkt sich ebenfalls auf die diagnostische Interpretation aus. Ein Werkstoff, der sich durch Umformung deutlich verfestigt hat, kann Falten an Stellen zeigen, an denen frischer Werkstoff faltenfrei bliebe. Treten Falten nach mehreren Ziehstufen ohne Zwischenglühung auf, so kann die akkumulierte Verfestigung die Fähigkeit des Werkstoffs zur gleichmäßigen Verformung verringert haben. Die Lösung besteht in diesem Fall nicht in einer Anpassung der Prozessparameter, sondern in einer Modifikation der Prozessabfolge.

Beim Vergleich von Zugfestigkeit und Streckgrenze Ihres Werkstoffs ist zu beachten, dass die Differenz zwischen diesen Werten das Verfestigungsfenster darstellt. Ein größeres Fenster bedeutet eine höhere Kapazität für eine Umverteilung der Dehnung vor dem Versagen. Ein kleineres Fenster bedeutet, dass der Werkstoff rasch vom Fließen zum Bruch übergeht und somit weniger Spielraum für prozessuale Anpassungen bleibt.

Der oben dargestellte Diagnoserahmen bietet einen Ausgangspunkt, keine vollständige Lösung. Die tatsächliche Fehlersuche erfordert oft mehrfaches Durchlaufen verschiedener Anpassungen, wobei nach jeder Änderung die Ergebnisse überprüft und das Verständnis darüber verfeinert wird, welcher Mechanismus dominierend ist. Der Beginn mit einer ortsbezogenen Diagnose stellt jedoch sicher, dass Sie die richtigen Variablen anpassen – statt Symptome mit nicht zusammenhängenden Korrekturen zu verfolgen.

Sobald die Diagnose der Ursachen verstanden ist, besteht der letzte Schritt darin, diese Prinzipien in eine umfassende Präventionsstrategie zu integrieren, die den gesamten Werkzeugentwicklungsprozess umfasst – von der ersten Konstruktion bis zur Serienfertigung.

Faltenvermeidung im gesamten Werkzeugentwicklungsprozess

Sie verstehen nun die Mechanik, die Materialeigenschaften, die geometriebedingten Herausforderungen und den diagnostischen Rahmen. Doch wie integrieren Sie all dies in eine praktische Präventionsstrategie? Die Antwort liegt darin, Ihren Ansatz nach Entwicklungsphase zu strukturieren. Jede Phase der Werkzeugentwicklung bietet spezifische Möglichkeiten, das Risiko von Faltenbildung zu eliminieren, bevor es zu einem Serienproduktionsproblem wird.

Stellen Sie sich die Faltenprävention als mehrschichtige Verteidigung vor. Entscheidungen, die während der Konstruktion getroffen werden, begrenzen die Möglichkeiten, die während der Werkzeugentwicklung zur Verfügung stehen. Die Wahl der Werkzeuge bestimmt das verfügbare Prozessfenster während der Produktion. Verpassen Sie frühzeitig eine Gelegenheit, so müssen Sie später mehr Aufwand treiben, um dies auszugleichen. Treffen Sie die richtigen Entscheidungen von Anfang an, und die Produktion läuft reibungslos mit minimalem Eingriff ab.

Die folgenden, phasenweise geordneten Maßnahmen stellen bewährte Praktiken dar, die aus der Serienproduktionserfahrung sowie den mechanischen Grundlagen stammen, die in diesem Artikel behandelt wurden.

Konstruktions- und Zuschnittvorbereitung – Best Practices

Die Konstruktionsphase legt die Grundlage für alle nachfolgenden Schritte. Die hier getroffenen Entscheidungen hinsichtlich Werkstoffauswahl, Rohlinggeometrie und Ziehverhältnis bestimmen, ob Ihr Prozess problemlos innerhalb der Faltenbildungsgrenze arbeitet oder ständig mit Beulfehlern kämpfen muss.

1. Wählen Sie eine Werkstoffqualität mit geeignetem n-Wert und r-Wert für Ihre Zieftiefe. Werkstoffe mit höherem n-Wert verteilen die Dehnung gleichmäßiger und widerstehen so lokalisierten Beulungen. Werkstoffe mit höherem r-Wert behalten während des Hubes ihre Dicke bei und bewahren dadurch die Beulbeständigkeit. Bei tiefen Zügen oder komplexen Geometrien sollten Formbarkeitseigenschaften gegenüber der reinen Festigkeit Priorität haben. Das Formbarkeitsgrenzdiagramm für Ihre gewählte Qualitätsstufe bietet eine visuelle Orientierungshilfe für zulässige Dehnungskombinationen.
2. Optimieren Sie die Rohform für die Teilgeometrie. Geformte Rohlinge, die den Konturen der Stempelöffnung folgen, reduzieren überschüssiges Material in Zonen mit hoher Kompression. Bei rechteckigen Teilen sollte eine Ausrichtung des Rohlings um 45 Grad in Erwägung gezogen werden, um den Materialfluss in den Ecken mit der Seitenbegrenzung ins Gleichgewicht zu bringen. Vermeiden Sie überdimensionierte Rohlinge, die die Druckspannung im Flansch erhöhen.
3. Überprüfen Sie, ob das Ziehverhältnis innerhalb des zulässigen Ziehverhältnisses (LDR) für Ihr Material liegt. Berechnen Sie die Rohlinggröße anhand von Flächeninhaltsmethoden statt linearer Messungen. Wenn das Ziehverhältnis dem LDR-Schwellenwert nahekommt, planen Sie mehrstufige Ziehprozesse mit Zwischenglühungen ein, um die Duktilität zwischen den einzelnen Stufen wiederherzustellen.
4. Berücksichtigen Sie die Variation der Werkstoffeigenschaften. Der Elastizitätsmodul von Stahl unterscheidet sich erheblich vom Elastizitätsmodul von Aluminium und beeinflusst so die Beulbeständigkeit bei gleicher Dicke. Geben Sie Toleranzen für das zugeführte Material an, die Ihren Prozess innerhalb des validierten Fensters halten.

Diese Entscheidungen in der Entwurfsphase sind schwer rückgängig zu machen, sobald die Werkzeuge gefertigt wurden. Die hier investierte Zeit zahlt sich während des gesamten Produktlebenszyklus aus.

Werkzeugentwicklung und Produktionsphasenkontrollen

Sobald die Konstruktionsparameter festgelegt sind, wird die Werkzeugentwicklung diese Entscheidungen in physische Hardware umsetzen. In dieser Phase bietet sich die letzte Gelegenheit, Faltenrisiken zu identifizieren und zu korrigieren, bevor die Serienwerkzeuge endgültig freigegeben werden.

5. Nutzen Sie Umformsimulationen, um Faltenrisikozonen bereits vor der Fertigung der Werkzeuge zu identifizieren. Virtuelle Tests zeigen auf, wo Druckspannungskonzentrationen zur Beulbildung führen werden, sodass Ingenieure die Verteilung der Blechhaltekraft (BHF) anpassen, Zugleisten hinzufügen oder die Zuschnittgeometrie ohne physische Nacharbeit modifizieren können. Eine simulationsgestützte Konstruktion reduziert die Anzahl der Probepressläufe und beschleunigt den Zeitraum bis zur Serienproduktion.
6. Geben Sie den Eintragsradius und den Stempelspitzenradius unter Berücksichtigung des Kompromisses zwischen Biegemoment (BHF) und anderen Faktoren an. Größere Radien verringern das Risiko von Einrissen, erhöhen jedoch den nicht gestützten Flanschbereich. Kleinere Radien halten das Material effektiver zurück, führen aber zu einer stärkeren Spannungskonzentration. Gewichten Sie diese konkurrierenden Effekte anhand Ihrer Werkstoffgüte und der Ziehtiefe.
7. Gestalten Sie die Anordnung der Zugleisten basierend auf den Ergebnissen der Simulation. Positionieren Sie die Leisten dort, wo eine lokale Haltekraft erforderlich ist – insbesondere an den Ecken rechteckiger Teile. Passen Sie die Eindringtiefe der Leisten an, um die erforderliche Haltekraft zu erreichen, ohne den Materialfluss übermäßig einzuschränken.
8. Überprüfen Sie, ob der Stempel-Die-Abstand für die Werkstoffdicke geeignet ist. Ein zu großer Abstand ermöglicht Faltenbildung an der Wand unabhängig vom Flanschzustand. Geben Sie den Abstand als Prozentsatz über der Nenn-Dicke an, wobei die Werkstoffdickung während des Tiefziehens berücksichtigt wird.

Für Automobilanwendungen, bei denen Qualitätsstandards nicht verhandelbar sind, verringert die Zusammenarbeit mit Lieferanten, die diese Praktiken in ihren Standardarbeitsablauf integrieren, das Risiko erheblich. Shaoyi verkörpert diesen Ansatz, indem er fortschrittliche CAE-Simulation mit der IATF-16949-Zertifizierung kombiniert, um eine konsistente Qualität bei der Herstellung von Karosserie-Stanzwerkzeugen zu gewährleisten. Die schnelle Prototypenerstellung – mit einer Durchlaufzeit von nur fünf Tagen – unterstützt die iterative Werkzeugentwicklung, wenn Konstruktionsänderungen erforderlich sind. Das Ergebnis ist eine Erstfreigabequote von 93 %, die widerspiegelt, wie simulationsgestütztes Design Probleme erkennt, bevor sie die Presse erreichen.

Sobald das Werkzeug validiert ist, gewährleisten Produktionsphasenkontrollen die Prozessstabilität über verschiedene Materialchargen, Schichtwechsel der Bediener und Gerätevariationen hinweg.

9. Führen Sie die BHF als überwachten Prozessparameter mit definierten oberen und unteren Grenzwerten ein. Dokumentieren Sie den validierten BHF-Bereich während der Probeproduktion und implementieren Sie Steuerungen, die den Bedienern eine Warnung anzeigen, sobald die Kraft außerhalb dieses Fensters liegt. Wie The Fabricator bemerkt, ermöglichen CNC-hydraulische Polster eine Variation der BHF während des Hubes und bieten dadurch Flexibilität zur Steuerung des Metallflusses sowie zur Reduzierung von Falten, ohne jedoch eine übermäßige Materialdickenaufdünnung zu verursachen.
10. Implementieren Sie Erststück-Prüfprotokolle, die faltenanfällige Bereiche überprüfen. Identifizieren Sie anhand Ihrer Simulationsausgaben und Erfahrungen aus der Probeproduktion die Stellen, an denen bei einer Abweichung der Prozessbedingungen am ehesten Falten auftreten. Prüfen Sie diese Bereiche an den Erststücken nach der Einrichtung, nach Werkstoffwechseln oder nach längeren Stillstandszeiten.
11. Führen Sie eine schrittweise Anpassung der BHF durch, wenn Sie zwischen Materialcoils oder Blechstärken wechseln. Unterschiede in den Materialeigenschaften zwischen Coils können die Faltenbildungsschwelle verschieben. Beginnen Sie konservativ und passen Sie die Einstellung anhand der Ergebnisse der Erststückprüfung an, statt vorauszusetzen, dass die vorherige Einstellung weiterhin gültig ist.
12. Überwachen Sie den Zustand und die Kalibrierung des Pressenkissens. Eine ungleichmäßige Druckverteilung durch abgenutzte Kissenstifte oder beschädigte Ausgleichselemente führt zu lokaler Über- und Unterbindung, wodurch sowohl Falten als auch Risse am selben Teil entstehen. Planen Sie die vorbeugende Wartung basierend auf der Hubanzahl oder zeitlichen Intervallen.

Dieser phasenweise abgestimmte Ansatz wandelt die Faltenvermeidung von einer reaktiven Fehlerbehebung in ein proaktives Prozessdesign um. Jede Phase baut auf der vorherigen auf und schafft somit mehrere Gelegenheiten, Risiken zu identifizieren und zu beseitigen, bevor sie sich auf die Produktionsqualität auswirken.

Das Verständnis dessen, was Werkzeuge („dies“) in der Fertigung sind und wie sie mit dem Materialverhalten interagieren, ist für diesen Ansatz grundlegend. Das Werkzeug ist nicht nur ein Formwerkzeug; es stellt vielmehr ein System dar, das den Materialfluss, die Spannungsverteilung und den Knickwiderstand während des Umformprozesses steuert. Ingenieure, die diese Beziehung verstehen, entwickeln bessere Werkzeuge und erzielen konsistentere Ergebnisse.

Ob Sie Werkzeuge intern entwickeln oder mit spezialisierten Zulieferern zusammenarbeiten – die Grundprinzipien bleiben dieselben: Gestaltung für die Umformbarkeit, Validierung mittels Simulation und Kontrolle während der Produktion. Dieser systematische Ansatz zur Vermeidung von Falten gewährleistet die konsistente Qualität, die moderne Fertigungsverfahren erfordern.

Häufig gestellte Fragen zu Faltenbildung beim Tiefziehen

1. Was verursacht Faltenbildung beim Tiefziehen?

Faltenbildung tritt auf, wenn die kompressive umfangsseitige („hoop“) Spannung in der Blechflanschzone die Knickfestigkeit des Materials übersteigt. Während das Blechblank in den Matrizenhohlraum gezogen wird, verringert sich dessen Außendurchmesser, wodurch eine Druckspannung entsteht, die zu einer aus der Ebene heraus auftretenden Knickung des Blechs führen kann. Wichtige begünstigende Faktoren sind eine unzureichende Haltekraft des Blankhalteres, zu große Blankabmessungen, geringe Blechdicke, niedrige Materialsteifigkeit sowie eine übermäßig große, nicht gestützte Flanschbreite. Werkstoffe mit geringem Elastizitätsmodul – wie Aluminium – neigen bei vergleichbarer Dicke grundsätzlich stärker zur Faltenbildung als Stahl.

2. Was ist der Unterschied zwischen Flanschknitterung und Wandknitterung?

Flanschknitterung entsteht im ebenen Bereich des Blechrohlings zwischen dem Halter und der Matrize während des Tiefziehens, wo unmittelbarer Druckspannung auf das Material wirkt. Wandknitterung bildet sich in der gezogenen Seitenwand nach dem Durchlaufen des Materials über den Matrizenradius in einem Bereich aus, der relativ wenig durch die Werkzeuge gestützt wird. Diese erfordern unterschiedliche korrigierende Maßnahmen: Flanschknitterungen reagieren auf Anpassungen der Halterkraft, während Wandknitterungen typischerweise durch eine Verringerung des Stempel-Matrizen-Spiels oder durch das Hinzufügen von Zwischenstützen an der Wand behoben werden.

3. Wie beeinflusst die Halterkraft die Knitterung?

Die Haltekraft (BHF) ist die primäre Steuervariable für Faltenbildung im Flansch. Wenn die Haltekraft zu gering ist, fehlt dem Flansch die erforderliche Einspannung, sodass er unter Druckspannung ausknickt. Ist die Haltekraft hingegen zu hoch, wird der Materialfluss eingeschränkt, was zu Dehnung und möglichen Rissen an der Stempelspitze führt. Die Konstrukteure müssen das optimale Fenster finden, in dem die Haltekraft das Ausknicken unterdrückt, gleichzeitig aber einen ausreichenden Materialfluss zulässt. Dieses Fenster variiert je nach Werkstoffgüte; bei hochfesten Stählen (AHSS) ist es enger als bei weichem Stahl.

4. Kann eine Umformsimulation Faltenbildung vorab prognostizieren, bevor das Werkzeug gefertigt wird?

Ja, Formsimulationssoftware wie AutoForm, Dynaform und PAM-STAMP verwendet Finite-Elemente-Methoden, um Werkzeugdesigns virtuell zu testen und Faltenrisikozonen bereits vor der Fertigung physischer Werkzeuge zu identifizieren. Für genaue Vorhersagen sind korrekte Eingabedaten erforderlich, darunter Materialeigenschaften (Streckgrenze, n-Wert, r-Wert), Blechgeometrie, Werkzeugabmessungen, Verteilung der Blechhaltekraft (BHF) sowie Reibungsbedingungen. Zulieferer wie Shaoyi integrieren fortschrittliche CAE-Simulationen in ihren Werkzeugentwicklungsprozess und erreichen so eine Erstfreigabequote von 93 %, indem sie Fehler frühzeitig erkennen.

5. Warum erfordern Aluminium und hochfeste Stähle (AHSS) unterschiedliche Verfahrensansätze zur Faltenkontrolle?

Aluminiumlegierungen weisen etwa ein Drittel des Elastizitätsmoduls von Stahl auf, was ihnen bei gleicher Dicke eine geringere inhärente Knickfestigkeit verleiht. Dadurch ist Aluminium anfälliger für Faltenbildung und erfordert eine präzise Steuerung der Blechhaltekraft (BHF) mit niedrigeren Kraftniveaus als Stahl. Hochfeste Stahlsorten (AHSS) weisen eine hohe Streckgrenze auf, die eine höhere BHF zur Unterdrückung von Faltenbildung erfordert; ihre begrenzte Dehnung verengt jedoch das Fenster vor dem Eintritt von Rissen. Jede Werkstoffgruppe benötigt eine eigene BHF-Strategie, eine Optimierung der Ziehgeschwindigkeit sowie einen auf ihre spezifischen mechanischen Eigenschaften abgestimmten Schmieransatz.