Fördereinrichtung: Europäische Fonds für regionale Entwicklung (EFRE)
Projektzeitraum: 12/2019 - 11/2021
In allen Industriezweigen, insbesondere in produzierenden Branchen, kommt der nachhaltigen Ressourcennutzung eine zentrale Bedeutung zu. Der Senkung eines stetig steigenden Schadstoffausstoßes wird dabei eine hohe Bedeutung beigemessen. Politisch, gesellschaftlich und industriell intensiv diskutierte Themen sind der Leichtbau und die Entwicklung alternativer Antriebstechniken. In Entwicklungen für Karosserien und Strukturbauteilen, z.B. in der Automobil- als auch Luft- und Raumfahrtindustrie, kommen Profilbauteile zum Einsatz. Zum Leichtbau entsteht dabei die Forderung der Querschnitts- sowie der Belastungsanpassung über die Längsachse der Profile.
Das 3D-Schwenkbiegen ist ein Profilfertigungsverfahren zur Herstellung querschnitts- und belastungsangepasster Profilbauteile. Derartige Profilbauteile werden in Leichtbaustrukturen eingesetzt, die sich oftmals in Entwicklungen für Karosserien und Strukturbauteilen, beispielsweise in der Automobil- als auch Luft- und Raumfahrtindustrie, wiederfinden. Die Evolution in der Produktionsstruktur des Automobilbaus von der Plattform- über die Modul- bis hin zur Baukastenstrategie und heute zur Flexibilisierung von Fertigungstechniken ermöglicht eine beachtliche Modellvielfalt. In der Entwicklung alternativer Antriebstechniken existieren verschiedene Antriebskonzepte. Damit geht einher, dass vergleichsweise kleinere und damit verschiedene Losgrößen produziert werden. Beide genannten Trends erfordern eine Befähigung der Fertigungstechniken der Forderung nach Flexibilisierung gerecht zu werden. Diese ist zukünftig nur dann wirtschaftlich zu erfüllen, wenn in Erweiterung der Konstruktion auch die Haupttechniken (formgebende Verfahren) einen Wandel vollziehen. Die Anforderungen an Fertigungsverfahren, insbesondere an die Umformverfahren, sind eine werkzeugarme Fertigung, ein schnelles Rüsten sowie ein schnell möglicher Produktwechsel. Insbesondere muss eine Skalierbarkeit hinsichtlich der Bauteilgeometrie, bearbeitbarer Werkstoffe sowie Losgrößen erzielt werden, um den Marktanforderungen gerecht zu werden.
Das Schwenkbiegen als etabliertes Fertigungsverfahren zur Herstellung von Biegeteilen eignet sich zur Produktion mittlerer, kleinerer und auch individueller Stückzahlen und zeichnet sich durch einen hohen Flexibilisierungsgrad und eine gute Automatisierbarkeit aus. Bisher ist allerdings lediglich das Biegen gerader bzw. linearer Biegekanten möglich. Mit der zum Patent angemeldeten Fertigungstechnik zum 3D-Schwenkbiegen mit nichtlinearer Biegekante werden die Anwendungsmöglichkeiten des Verfahrens erheblich erweitert, indem die Fertigung von profilierten bzw. nichtlinearen Biegekanten, zur Herstellung von querschnittsvariablen und belastungsangepassten (Profil-)Bauteilen, ermöglicht wird.
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Schwenkbiegen eines Bleches mit nichtlinearer Biegekante. Das etablierte, hochflexible Schwenkbiegeverfahren wird durch die Erfindung dahingehend erweitert, dass an längsorientierten Bauteilen, bspw. Profilen, Querschnittsänderungen in Form von gekrümmten Verläufen bereits während der Profilherstellung in das umzuformende Blech eingebracht werden können. Hierfür weisen die Biegewerkzeuge eine gekrümmte, auch als nichtlinear bezeichnete, Biegekante auf, die komplementär zur erforderlichen Kante am Bauteil ausgebildet sind. Dies stellt einen wesentlichen technologischen Vorsprung dar, da damit das Schwenkbiegeverfahren zur Profilherstellung querschnitts- und belastungsangepasster Profilbauteile befähigt wird. Mit der Erfindung werden die Prozess- und Anwendungsgrenzen des etablierten Fertigungsverfahrens signifikant erweitert, da diese bisher auf die Fertigung geradliniger Produkte bzw. Bauteilkanten beschränkt ist.
Das 3D-Schwenkbiegen zeichnet sich, im Vergleich zu alternativen Profilherstellungsverfahren, durch einen geringen Maschinen- und Werkzeugaufwand, eine besonders werkzeugarme Fertigung, kurze Einfahr- und Rüstzeiten sowie den damit verbundenen schnell möglichen Produktwechseln aus. Mit vergleichsweise geringen finanziellen Aufwendungen wird damit die Fertigung von Kleinserien begünstigt und eine höhere Fertigungsflexibilität gegenüber variablen Profilgeometrien und damit Produkten geschaffen. Damit bietet das 3D-Schwenkbiegen die Möglichkeit flexibel auf den Marktbedarf an variablen Produkten sowie mittlerer und kleinerer Losgrößen zu reagieren und damit einen Leistungsvorsprung im Vergleich zu (etablierten) Referenztechniken. Weiterhin wird die Möglichkeit geschaffen, das 3D-Schwenkbiegeverfahren modular in der Produktion zur Fertigung querschnitts- und belastungsangepasster Profilbauteile zu integrieren. Das konventionelle Schwenkbiegen bietet bereits eine hohe Flexibilität hinsichtlich Bauteilgeometrie (mit geraden Biegekanten), bearbeitbarer Werkstoffe und wirtschaftlich umsetzbarer Losgrößen.
Mit der „NRW-Patent-Validierung“ des 3D-Schwenkbiegens wird ein umfassendes Prozessverständnis erlangt, das die Anwendungspotenziale zur Herstellung querschnitts- und belastungsangepasster Profilbauteile in der Produktionsära des Leichtbaus, der Derivatisierung und alternativer Antriebskonzepte in der Automobilindustrie aufzeigt. Dazu werden zunächst die Bauteil- und Verfahrensmerkmale für das 3D-Schwenkbiegen definiert. Bei der Definition von geometrischen Bauteilmerkmalen werden verschiedene industrielle Branchen betrachtet und potenzielle Anwendungsgebiete identifiziert. In einer Sensitivitätsanalyse werden die Wirkzusammenhänge zwischen Einflussfaktoren und Zielgrößen zur Quantifizierung der Geometriemerkmale untersucht. Die Zielsetzung dabei ist die Ableitung eines Prozessfensters in Abhängigkeit signifikanter Bauteil- und Verfahrensmerkmale für das 3D-Schwenkbiegen. Anhand von Modellversuchen wird das Prozessfenster validiert, sodass praxisorientierte Konstruktionsvorgaben in einer bauteilbezogenen Gestaltungsrichtlinie formuliert und bauteilübergreifende Bewertungen durchgeführt werden können. Mit der Durchführung von Biegeversuchen wird die Erfindung anhand eines Demonstrator-Bauteils, das möglichst viele der definierten Geometriemerkmale aufweist, anwendungsorientiert validiert. Eine Kostenschätzung und Prozessplanung gibt Aufschluss über die Kosten des 3D-Schwenkbiegens in der Produktion, sodass ökonomisch günstige Einsatzmöglichkeiten abgeleitet werden können.
Die Erfindung kann dazu genutzt werden eine Innovationsführer-, Kompetenzführer- und Kostenführerschaft auf dem globalen Markt, z.B. in den Bereichen Maschinenbau, Herstellung von Metallerzeugnissen sowie Herstellung von Kraftwagen und Kraftwagenteilen, zu generieren und sicherzustellen.
Unter Berücksichtigung der Machbarkeit, konnte eine querschittsvariable Geometrie in Form eines S-Schlags mit einer entsprechend abgeleiteten Werkzeugkonstruktion gebogen werden.
Das Förderprogramm „NRW-Patent-Validierung“ erleichtert die wirtschaftliche Verwertung von Hochschulerfindungen/-Know-how. Mit Hilfe von Prototypen und der Durchführung von proof-of-concepts sollen bestehende Verwertungshemmnisse abgebaut und die Lücke zwischen Patentanmeldung und der Nutzung durch Wirtschaft und Gesellschaft geschlossen werden.
Das Forschungsverbundprojekt 3D-Schwenkbiegen (SB³) wird durch die Europäische Union und das Land Nordrhein-Westfalen gefördert. Europäische Union – Investition in unsere Zukunft – Europäischer Fonds für regionale Entwicklung. EFRE.NRW Investition in Wachstum und Beschäftigung (www.efre.nrw.de;
www.wirtschaft.nrw.de).
Fördereinrichtung: Europäische Fonds für regionale Entwicklung (EFRE)
Projektzeitraum: 12/2019 - 11/2021
In allen Industriezweigen, insbesondere in produzierenden Branchen, kommt der nachhaltigen Ressourcennutzung eine zentrale Bedeutung zu. Der Senkung eines stetig steigenden Schadstoffausstoßes wird dabei eine hohe Bedeutung beigemessen. Politisch, gesellschaftlich und industriell intensiv diskutierte Themen sind der Leichtbau und die Entwicklung alternativer Antriebstechniken. In Entwicklungen für Karosserien und Strukturbauteilen, z.B. in der Automobil- als auch Luft- und Raumfahrtindustrie, kommen Profilbauteile zum Einsatz. Zum Leichtbau entsteht dabei die Forderung der Querschnitts- sowie der Belastungsanpassung über die Längsachse der Profile.
Das 3D-Schwenkbiegen ist ein Profilfertigungsverfahren zur Herstellung querschnitts- und belastungsangepasster Profilbauteile. Derartige Profilbauteile werden in Leichtbaustrukturen eingesetzt, die sich oftmals in Entwicklungen für Karosserien und Strukturbauteilen, beispielsweise in der Automobil- als auch Luft- und Raumfahrtindustrie, wiederfinden. Die Evolution in der Produktionsstruktur des Automobilbaus von der Plattform- über die Modul- bis hin zur Baukastenstrategie und heute zur Flexibilisierung von Fertigungstechniken ermöglicht eine beachtliche Modellvielfalt. In der Entwicklung alternativer Antriebstechniken existieren verschiedene Antriebskonzepte. Damit geht einher, dass vergleichsweise kleinere und damit verschiedene Losgrößen produziert werden. Beide genannten Trends erfordern eine Befähigung der Fertigungstechniken der Forderung nach Flexibilisierung gerecht zu werden. Diese ist zukünftig nur dann wirtschaftlich zu erfüllen, wenn in Erweiterung der Konstruktion auch die Haupttechniken (formgebende Verfahren) einen Wandel vollziehen. Die Anforderungen an Fertigungsverfahren, insbesondere an die Umformverfahren, sind eine werkzeugarme Fertigung, ein schnelles Rüsten sowie ein schnell möglicher Produktwechsel. Insbesondere muss eine Skalierbarkeit hinsichtlich der Bauteilgeometrie, bearbeitbarer Werkstoffe sowie Losgrößen erzielt werden, um den Marktanforderungen gerecht zu werden.
Das Schwenkbiegen als etabliertes Fertigungsverfahren zur Herstellung von Biegeteilen eignet sich zur Produktion mittlerer, kleinerer und auch individueller Stückzahlen und zeichnet sich durch einen hohen Flexibilisierungsgrad und eine gute Automatisierbarkeit aus. Bisher ist allerdings lediglich das Biegen gerader bzw. linearer Biegekanten möglich. Mit der zum Patent angemeldeten Fertigungstechnik zum 3D-Schwenkbiegen mit nichtlinearer Biegekante werden die Anwendungsmöglichkeiten des Verfahrens erheblich erweitert, indem die Fertigung von profilierten bzw. nichtlinearen Biegekanten, zur Herstellung von querschnittsvariablen und belastungsangepassten (Profil-)Bauteilen, ermöglicht wird.
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Schwenkbiegen eines Bleches mit nichtlinearer Biegekante. Das etablierte, hochflexible Schwenkbiegeverfahren wird durch die Erfindung dahingehend erweitert, dass an längsorientierten Bauteilen, bspw. Profilen, Querschnittsänderungen in Form von gekrümmten Verläufen bereits während der Profilherstellung in das umzuformende Blech eingebracht werden können. Hierfür weisen die Biegewerkzeuge eine gekrümmte, auch als nichtlinear bezeichnete, Biegekante auf, die komplementär zur erforderlichen Kante am Bauteil ausgebildet sind. Dies stellt einen wesentlichen technologischen Vorsprung dar, da damit das Schwenkbiegeverfahren zur Profilherstellung querschnitts- und belastungsangepasster Profilbauteile befähigt wird. Mit der Erfindung werden die Prozess- und Anwendungsgrenzen des etablierten Fertigungsverfahrens signifikant erweitert, da diese bisher auf die Fertigung geradliniger Produkte bzw. Bauteilkanten beschränkt ist.
Das 3D-Schwenkbiegen zeichnet sich, im Vergleich zu alternativen Profilherstellungsverfahren, durch einen geringen Maschinen- und Werkzeugaufwand, eine besonders werkzeugarme Fertigung, kurze Einfahr- und Rüstzeiten sowie den damit verbundenen schnell möglichen Produktwechseln aus. Mit vergleichsweise geringen finanziellen Aufwendungen wird damit die Fertigung von Kleinserien begünstigt und eine höhere Fertigungsflexibilität gegenüber variablen Profilgeometrien und damit Produkten geschaffen. Damit bietet das 3D-Schwenkbiegen die Möglichkeit flexibel auf den Marktbedarf an variablen Produkten sowie mittlerer und kleinerer Losgrößen zu reagieren und damit einen Leistungsvorsprung im Vergleich zu (etablierten) Referenztechniken. Weiterhin wird die Möglichkeit geschaffen, das 3D-Schwenkbiegeverfahren modular in der Produktion zur Fertigung querschnitts- und belastungsangepasster Profilbauteile zu integrieren. Das konventionelle Schwenkbiegen bietet bereits eine hohe Flexibilität hinsichtlich Bauteilgeometrie (mit geraden Biegekanten), bearbeitbarer Werkstoffe und wirtschaftlich umsetzbarer Losgrößen.
Mit der „NRW-Patent-Validierung“ des 3D-Schwenkbiegens wird ein umfassendes Prozessverständnis erlangt, das die Anwendungspotenziale zur Herstellung querschnitts- und belastungsangepasster Profilbauteile in der Produktionsära des Leichtbaus, der Derivatisierung und alternativer Antriebskonzepte in der Automobilindustrie aufzeigt. Dazu werden zunächst die Bauteil- und Verfahrensmerkmale für das 3D-Schwenkbiegen definiert. Bei der Definition von geometrischen Bauteilmerkmalen werden verschiedene industrielle Branchen betrachtet und potenzielle Anwendungsgebiete identifiziert. In einer Sensitivitätsanalyse werden die Wirkzusammenhänge zwischen Einflussfaktoren und Zielgrößen zur Quantifizierung der Geometriemerkmale untersucht. Die Zielsetzung dabei ist die Ableitung eines Prozessfensters in Abhängigkeit signifikanter Bauteil- und Verfahrensmerkmale für das 3D-Schwenkbiegen. Anhand von Modellversuchen wird das Prozessfenster validiert, sodass praxisorientierte Konstruktionsvorgaben in einer bauteilbezogenen Gestaltungsrichtlinie formuliert und bauteilübergreifende Bewertungen durchgeführt werden können. Mit der Durchführung von Biegeversuchen wird die Erfindung anhand eines Demonstrator-Bauteils, das möglichst viele der definierten Geometriemerkmale aufweist, anwendungsorientiert validiert. Eine Kostenschätzung und Prozessplanung gibt Aufschluss über die Kosten des 3D-Schwenkbiegens in der Produktion, sodass ökonomisch günstige Einsatzmöglichkeiten abgeleitet werden können.
Die Erfindung kann dazu genutzt werden eine Innovationsführer-, Kompetenzführer- und Kostenführerschaft auf dem globalen Markt, z.B. in den Bereichen Maschinenbau, Herstellung von Metallerzeugnissen sowie Herstellung von Kraftwagen und Kraftwagenteilen, zu generieren und sicherzustellen.
Unter Berücksichtigung der Machbarkeit, konnte eine querschittsvariable Geometrie in Form eines S-Schlags mit einer entsprechend abgeleiteten Werkzeugkonstruktion gebogen werden.
Das Förderprogramm „NRW-Patent-Validierung“ erleichtert die wirtschaftliche Verwertung von Hochschulerfindungen/-Know-how. Mit Hilfe von Prototypen und der Durchführung von proof-of-concepts sollen bestehende Verwertungshemmnisse abgebaut und die Lücke zwischen Patentanmeldung und der Nutzung durch Wirtschaft und Gesellschaft geschlossen werden.
Das Forschungsverbundprojekt 3D-Schwenkbiegen (SB³) wird durch die Europäische Union und das Land Nordrhein-Westfalen gefördert. Europäische Union – Investition in unsere Zukunft – Europäischer Fonds für regionale Entwicklung. EFRE.NRW Investition in Wachstum und Beschäftigung (www.efre.nrw.de;
www.wirtschaft.nrw.de).