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Beim Umformen beziehungsweise durch die Umformtechnik werden Bauteile gezielt in eine andere Form gebracht. Verschiedene Verfahren werden dabei unter der Kaltumformung und der Warmumformung zusammengefasst.

Das Umformen wird auch als bildsame Formgebung bezeichnet, wobei es sich nach der DIN 8580 in sechs differente Fertigungsverfahren gliedert. Neben dem Walzen zählen zu diesen Verfahren der Umformtechnik auch das Biegen, das Tiefziehen, das Strangpressen, das Fließpressen sowie das Gesenkschmieden und das Freiformschmieden. De facto werden im Rahmen der Fertigungsverfahren der Umformtechnik Rohteile, welche aus einem plastischen Werkstoff wie beispielsweise Metallen oder thermoplastischen Kunststoffen bestehen, ohne die Entfernung von Materialien der Rohteile gezielt in eine andere Form überführt.

Mit anderen Worten: Als Umformen wird die gezielte Änderung der Form sowie der Oberfläche und der Eigenschaften eines (metallischen) Körpers verstanden, wobei der Stoffzusammenhalt und die Masse des Körpers beibehalten werden. Folgt man der DIN 8050, wird im Rahmen des Umformungsprozesses metallischer Körper nicht nur deren Form gezielt verändert, sondern auch die Oberfläche und die Eigenschaften derselben. Aus diesem Grund befasst sich die Umformtechnik vor allem mit einer möglichst guten Vorausbestimmbarkeit der finalen Körpereigenschaften. Demnach behält der jeweilige Werkstoff beim Umformen seinen Zusammenhalt und die Masse bei. Anders gestaltet sich dies beispielsweise bei den Verfahren Fügen und Trennen, denn im Rahmen dieser werden Zusammenhalt und Masse entweder vermehrt oder vermindert. Im Gegensatz zum Verformen wird beim Umformen eine gezielte Formänderung herbeigeführt.

Der Beginn des Umformens geht bis in die prähistorische Zeit zurück – dies zumindest belegen archäologische Funde, und zwar sowohl schriftliche Überlieferungen als auch der Inhalt von Grabkammern. Anhand dieser ist eine Rekonstruktion der historischen Epochen der technologischen Entwicklung möglich.

Laut aktueller Erkenntnisse sind die Anfänge der Metallverarbeitung zu Ende des 5. Jahrtausends v. Chr. rund um das Mittelmeer zu verorten. Dabei wurden vorrangig Metalle wie Kupfer, Silber und Gold bearbeitet. Wissenschaftler gehen zudem davon aus, dass von Skandinavien bis zu den Alpen damals nicht das Umformen, sondern die Gießereitechnik Vorrang hatte. Die Umformtechnik fand in diesen Regionen nur Anwendung, um kleinere Teile herzustellen, welche nur unter Schwierigkeiten gegossen werden konnten. Dabei handelte es sich beispielsweise um einfache Schmuckprofile oder Nadeln.

Elektromobilität treibt die Umformtechnik weiter an

In der Kupferzeit, also etwa 4000 v. Chr., bestand das Umformen im Treiben von Hand mithilfe von Steinwerkzeugen. In der Bronzezeit (2800 v. Chr.) wurden im Mittelmeerraum Kupferlegierungen hergestellt und Pressblechgesenke für Silber- und Goldbleche wurden erfunden. In Nordeuropa wurden dagegen mithilfe von Schlagstempeln (Punzen) Verzierungen und kleinere Produkte gefertigt. Zu Beginn der Eisenzeit, etwa ab 900 v. Chr., wurde der Stielhammer erfunden, zudem löst Bronze Stein und Holz als Werkzeug ab. Erste konturierte Stempel für die Blechumformung sind belegt. Zudem wird Eisen, obschon es schlechte mechanische Eigenschaften aufwies, eingeführt. In der Zeit vom römischen Reich bis hinein in das 13. Jahrhundert wurde das Umformen zwar nicht wesentlich weiterentwickelt, allerdings fand eine weitreichende Verbreitung statt. Zwischen dem 14. und 18. Jahrhundert gewinnt die Eisenverarbeitung schließlich immer mehr an Bedeutung: Wasserkraftgetriebene Stielhämmer werden entwickelt, die Blechumformung (Freiformen) wird verfeinert, zudem wird die Spindelpresse eingeführt und als Umformmaschine wird die sogenannte Pfahlramme eingesetzt. Im 18. und 19. Jahrhundert wird von James Watt der erste Dampfhammer gebaut und – ebenfalls in England – geht nur einige Jahre später die erste hydraulische Presse in Betrieb. Darüber hinaus werden Gesenkschmieden zur Produktion von Massengütern eingeführt und auch in Bezug auf das Umformen beziehungsweise die Blechumformung sind Fortschritte zu verzeichnen, denn das Walzen von Blechen zur Herstellung von Beschlägen wird optimiert.

Tiefe Elektrogehäuse: Biegen nach oben und unten

Schließlich avancieren das Umformen beziehungsweise die Umformtechnik im 20. Jahrhundert zu einem Forschungsbereich an Hochschulen. Hinzu kommt, dass durch spezifische Verfahren des Umformens sicherheitsrelevante und hoch belastbare Bauteile für die Luft- und Raumfahrt sowie die Automobilindustrie hergestellt werden können. Zudem setzt in der Umformtechnik der Leichtbau ein, es werden auch Materialien wie Titan, Magnesium und Aluminium verwendet. In Bezug auf die Bedeutung von Umformen beziehungsweise Umformtechnik ist anzumerken, dass umformende Fertigungsverfahren vor allem in Zeiten der Rohstoff- und Energieverknappung im Gegensatz zu spanenden Fertigungsverfahren durch eine höhere Werkstoffausnutzung mit wesentlichen Vorteilen einhergehen. Obschon die differenten Verfahren des Umformens – also Kalt-, Halbwarm- und Warmmassiv-Umformen – einen höheren Energieaufwand in Bezug auf die Werkstückherstellung aufweisen, gilt es diesen in Relation zum Energiebedarf zu betrachten, den die Herstellung der Rohteile in Anspruch nimmt. Entsprechend sind diese durch die hohe Materialausnutzung beim Umformen anders als bei spanenden Fertigungsverfahren bei der Berechnung der Kosten für ein Fertigteil gegenüber den Kosten für die Herstellung eines Rohteiles zu vernachlässigen.

Weitere Informationen zu den physikalischen Hintergründen des Umformens finden Sie hier.

Im Folgenden werden die einzelnen Verfahren, die in Bezug auf das Umformen von Relevanz sind, kurz erläutert.

Kaltumformung: Synchro-Form-Abkantpressen von LVD ermöglichen ein präzises und wiederholgenaues Biegen. (Bild: Tom Lesaffer)

Bei der Kaltumformung nach DIN 8582 handelt es sich um das plastische Umformen von Metallen. Im Rahmen dieses Verfahrens findet das Umformen unterhalb der Rekristallisationstemperatur statt. Im Zuge der Kaltumformung steigt bedingt durch die sich vollziehende Kaltverfestigung die Festigkeit des Werkstoffes kontinuierlich an. Sollte keine Werkstoffverfestigung gewünscht sein, ist im Anschluss eine Wärmebehandlung notwendig, so dass selbige wieder abgebaut wird. In der Regel kommt dieses Umformen-Verfahren dann zum Einsatz, wenn gute Oberflächeneigenschaften und enge Maßtoleranzen erreicht werden sollen oder aber, wenn geplant ist, dass die Werkstofffestigkeit erhöht wird. Im Allgemeinen können komplexe Geometrien im Rahmen dieses Umformungsverfahrens nicht erreicht werden.

Bei der sogenannten Kaltmassivumformung handelt es sich nicht um ein „Schmieden“ im engeren Sinne, denn beim Schmieden wird der Werkstoff zuvor erhitzt, vielmehr wird die Umformung bei Raumtemperatur durchgeführt. Demnach ist keine Energie notwendig, um die Werkstücke zu erwärmen. Allerdings ist zur Umformung neben hohen Kräften auch viel Energie unerlässlich. Hierdurch ist es möglich, dass sich das Werkstück durch die bei der Umformung auftretende Energie auf bis zu 150 °C erwärmt. Anders gestaltet sich dies bei der Kaltumformung, denn die Umformung findet nicht bei Raumtemperatur statt. Vice versa werden allerdings nicht alle Umformverfahren, die bei Raumtemperatur durchgeführt werden, auch als Kaltumformung bezeichnet. Ein diesbezüglich relevanter Aspekt ist, ob die sogenannte Rekristallisationstemperatur überschritten wird oder nicht. So gilt beispielsweise die Stahl-Umformung bei einer Temperatur von 200 °C noch als Kaltumformung, denn die Rekristallisationstemperatur wird nicht überschritten. Anders gestaltet sich dies dagegen beim Umformen von Blei, denn bereits bei einer Temperatur über 3 °C wird die Rekristallisationstemperatur von Blei überschritten. Aufgrund der Tatsache, dass im Rahmen der Kaltumformung im Werkstück eine spezifische Faserstruktur entsteht, halten die Endprodukte einer hohen mechanischen Belastung stand. Häufig wird diese Art der Umformung deshalb zur Herstellung sicherheitsrelevanter Teile eingesetzt.

Auch bei der Halbwarmumformung handelt es sich um eine spezifische Schmiedetechnik, welche im Allgemeinen dann zum Einsatz kommt, wenn aus Stahllegierungen Schmiedeteile hergestellt werden sollen. In der Regel findet dieses Verfahren der Umformung bei Temperaturen zwischen 600 °C und 950 °C statt. Im Rahmen dieser Temperaturspanne ist das Schmieden zahlreicher Metalllegierungen möglich, die nicht durch die Kaltumformung bearbeitet werden können. Anders als bei der Warmumformung kommt es bei dieser Art der Umformung nicht beziehungsweise nur in geringem Maße zu einer Verzunderung des jeweiligen Umformproduktes. Zudem sind bei der Halbwarmumformung die Maßtoleranzen niedrig und die Schmiedeteiloberfläche homogen. Dennoch muss im Rahmen dieses Umformen-Verfahrens zur Erwärmung des Rohteils Energie aufgebracht werden. Das Umformen des Rohteils ist danach allerdings deutlich einfacher, so dass Energie eingespart wird. Im Zuge dieses Umformprozesses können auch Stahlsorten, die eine höhere Legierung aufweisen, bearbeitet und geometrisch anspruchsvollere Rohteile produziert werden. Denn die Umformung des Stahles kann – anders als bei der Kaltumformung – leichter durchgeführt werden.

Das Verfahren der Warmumformung, welches auch als Warmschmieden bezeichnet wird, eignet sich zum Umformen aller metallischen Werkstoffe. Allerdings handelt es sich bei diesem Verfahren zum Umformen um ein sehr energieintensives, denn es muss zuerst eine Erhitzung aller Rohteile auf Schmiedetemperatur erfolgen. Im Allgemeinen findet die Warmumformung von Stahllegierungen und Eisen bei Temperaturen zwischen 1100 °C und 1300° C statt. Beim Umformen in diesem Temperaturbereich kommt es jedoch zu einer Verzunderung des Stahls und die Oberfläche wird rau. Zudem finden im Schmiedeteil aufgrund der hohen Temperaturen Rekristallisations- und Erholungsvorgänge statt – dies sowohl während als auch nach dem Umformungsprozess, welche Einfluss auf die Eigenschaften des Produktes nach dem Umformen haben. Aufgrund der Tatsache, dass das Werkstück nach dem Umformen im Zuge des Abkühlvorgangs seine Geometrie ändert oder schwinden kann, sollten sowohl das Maß als auch die Form des Werkzeugs darauf abgestimmt werden. Im Allgemeinen werden all diejenigen Umformschritte unter dem Begriff „Warmumformung“ subsumiert, die oberhalb der Rekristallisationstemperatur eines Rohteils stattfinden. Entsprechend ist für das Umformen eines Rohteils durch Warmumformung nicht zwangsläufig eine Erhitzung desselben notwendig. Bei zahlreichen Metallen setzt schon bei Raumtemperatur die Rekristallisation ein.

Der Pressenhersteller AP&T hat ein eigenes Verfahren zum Umformen hochfester 7000er-Aluminiumwerkstoffe entwickelt.

Mit Innenhochdruckumformung lassen sich Geometrien erzielen, die mit anderen Umformverfahren nicht erreichbar sind. (Bild: Itasse)

Ganz gleich, ob das Umformen durch Kalt, Halbwarm- oder Warmumformung stattfindet, für alle Verfahren zum Umformen ist es charakteristisch, dass die Herstellung der Teile nicht in einem einzigen, sondern im mehreren Arbeitsgängen erfolgt. Dabei wird die Abfolge der einzelnen Arbeitsgänge fachlich korrekt als Stadienfolge bezeichnet. Aufgrund der Tatsache, dass für das Umformen mehrere Arbeitsgänge nötig sind, gestaltet sich die Produktion in der Regel erst dann wirtschaftlich, wenn es sich um große Stückzahlen handelt.

Im jährlich wechselnden Rhythmus finden in Stuttgart die Blechexpo und in Hannover die Euroblech statt. Auf den beiden Blechbearbeitungsmessen zeigt die Branche, welche neuen Möglichkeiten es für die wirtschaftliche Produktion entlang der Wertschöpfungskette Blech gibt.

Im Allgemeinen erfolgt die Blechumformung durch spanlose Verfahren. Die Umformung von Blech hat zahlreiche Anwendungsbereiche, so kommt sie beispielsweise bei der Fertigung von Teilen aus differenten Metallen oder zur Produktion von Karosserien zum Einsatz. Dabei kann die Blechumformung mithilfe folgender Maßnahmen vonstattengehen: Abschneiden, Einstanzen Beschneiden, Trennschneiden, Ausschneiden, Lochen, Tiefziehen mit Pressen, Prägen, hydraulische Ziehkissen, pneumatische Ziehkissen. Neben den genannten Verfahren existieren noch weitere Spezialverfahren zur Blechumformung. Die Umformung von Blech kommt nicht nur im Rahmen der Herstellung von Serienprodukten, sondern auch von individuellen Sonderteilen zur Anwendung. Dies ist vorrangig bei Unternehmen der Fall, die in den folgenden Branchen agieren: Metallverarbeitung, Luft- und Raumfahrttechnik, Elektrotechnik, Apparatebau. Medizintechnik, Anlagebau, Pharmatechnik, Regeltechnik, Lüftungs- und Klimatechnik, Kunstgewerbe, Messtechnik und Heizungstechnik sowie in der Kommunikationstechnik.

Die Franz Schürholz GmbH in Wickede stellt kaltgewalzte Profile in vielfältiger Geometrie mittels Walzprofilieren her. Genutzt werden dafür Anlagen von Dimeco. (Bild: Kuhn)

Das Verfahren der Blechumformung findet sich in zahlreichen Bereichen der industriellen Produktion: Automobilindustrie zur Herstellung von Kotflügeln, Türen, Hauben Hausgeräteindustrie, um Gefriergeräte, Abzugshauben oder Spülbecken herzustellen Flugzeugindustrie, zur Fertigung der Flügel und des Rumpfes Nahrungsmittelindustrie zur Produktion von Konserven oder Kochtöpfen Dabei wird im Zuge der Blechumformung ein ebener Blechzuschnitt in die jeweilige Form gebracht, so dass das gewünschte Bauteil entsteht. Das Umformen des Werkstoffs erfolgt durch plastische Verformung, eine spanende Bearbeitung findet nicht statt. Zudem kann es teils zu einer elastischen Verformung kommen. Dabei handelt es sich um einen Prozess, der sich nach dem Umformen als Rückfederung bemerkbar macht.

Grundlagenseminare für die Blechbearbeitung bietet die Forschungsgesellschaft Umformtechnik mbH in Stuttgart an.

Unter Rekurs auf DIN 8582 können die folgenden Verfahren der Blechumformung differenziert werden:

Mehr über die Möglichkeiten des Biegens erfahren Sie in unserem Dossier.

Grundsätzlich kann das Umformen mithilfe von Luft, Werkzeugen oder aber Flüssigkeiten explosiv oder magnetisch stattfinden. Daneben gibt es auch Spezialverfahren der Blechumformung. Bei diesen handelt es sich beispielsweise um das Presshärten oder die superelastische Umformung.

Bis zu 6 mm dickes Stahlblech biegen machen zum Beispiel Maschinen von Schröder möglich.

Servopresse bringt mehr Effizienz ins Presswerk

Grundsätzlich müssen Maschinen, die im Rahmen der Massivumformung eingesetzt werden, eine präzise Führung der Werkzeuge ebenso garantieren wie eine Übertragung hoher Kräfte. Zudem müssen Maschinen zum Umformen sehr robust sein. Entsprechend hoch sind deshalb auch die Anschaffungskosten. Damit die Stückkosten dennoch so gering wie möglich gehalten werden können, werden Maschinen zum Umformen in der Regel automatisch betrieben. Hierdurch wird zudem sichergestellt, dass die Maschinen zum Umformen, die auch als Umformroboter bezeichnet werden, eine hohe Leistungsfähigkeit aufweisen. In Abhängigkeit des Einsatzbereiches kommen deshalb Hämmer, Walzen oder Pressen sowie kombinierte Schmiedemaschinen zur Anwendung.

In diesem Video sind die wesentlichen Verfahren des Umformens animiert schematisch dargestellt.

Generell kann gesagt werden, dass Automatisierung Benefit beim Verarbeiten von Blech bringt.

Mit der Schwenkbiegemaschine Power Bend Industrial von Schröder können bis zu 6 mm starke Stahlbleche abgekantet werden. (Bild: Schröder)

Im Rahmen der Kaltumformung kommen vorrangig mechanische und hydraulische Pressen zum Umformen zum Einsatz. Hydraulische Pressen sind leichter umrüstbar, erreichen allerdings nur geringere Taktzeiten als mechanische Pressen. Sollen Klein- oder Mittelserien produziert werden, wird deshalb in der Regel auf hydraulische Pressen zurückgegriffen. Dies ist auch dadurch bedingt, dass Werkstücke, deren Produktion einen großen Arbeitshub verlangt, sich in der Regel nicht für mechanische Pressen eignen. Zur Herstellung von Verzahnungselementen, Achswellen, Getrieben, Hohloder Napfteilen sowie Antriebskegelrädern werden hydraulische Pressen verwendet. Dagegen kommen mechanische Exzenterpressen, Gelenkpressen, Kniehebelpressen und Kurbelpressen kommen zum Einsatz, wenn Großserien mir kürzeren Taktzeiten automatisch gefertigt werden sollen.

Im Zuge der Warmumformung kommen zum Umformen sowohl Walzen als auch Pressen und Hämmer zum Einsatz. Dabei verfügen automatische Hämmer über den Vorteil, dass sie preiswert zu erwerben und rasch zu rüsten sind. Zudem verfügen sie über eine kurze Druckberührzeit und eine hohe Schlagserie. Ebenfalls eine geringe Rüstzeit sowie daneben große Arbeitshübe besitzen automatische Spindelpressen. Einen großen Arbeitshub und eine lange Druckberührzeit haben hydraulische Pressen. Kurbel- und Exzenterpressen zeichnen sich beim Umformen durch eine gute Automatisierbarkeit sowie geringe Taktzeiten aus. Dagegen punkten Ringwalzen beim Umformen mit viel Flexibilität, längeren Taktzeiten sowie einen niedrigen Werkzeugaufwand. Anders gestaltet sich dies beim Umformen mit Reck- und Querkeilwalzen, denn diese weisen einen hohen Werkzeugaufwand auf.

Weitere Informationen zum Umformen finden Sie im Fachbuch „Fertigungstechnik – Umformen“ von Michael Reichel.

Außerdem ist „Faszination Blech“, herausgegeben von Dr. Nicola Leibinger-Kammüller, Vorsitzende der Gruppengeschäftsführung von Trumpf, ist sehr zu empfehlen.

EFB – Europäische Forschungsgesellschaft für Blechverarbeitung e.V. auf der Euroblech 2018

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