Blechumformung mittels Hydroforming: Verfahren, Vorteile und Anwendungen

Hydroforming Blechbearbeitung

Die Fähigkeit, leichte, langlebige und präzise Teile herzustellen, macht Blechumformung eines der wichtigsten Verfahren im Bereich der modernen Fertigung. Die Fähigkeit des Blechumformens, Bauteile unterschiedlicher Komplexität bei gleichzeitig hervorragender Oberflächenqualität und Maßgenauigkeit herzustellen, macht es zu einer der wertvollsten Blechumformungstechnologien. Im Vergleich zu traditionellen Verfahren Tiefziehen von Metall, PrägenDas Blechhydroforming bietet eine größere operative Flexibilität, niedrigere Werkzeugkosten und weniger Materialabfall, wodurch es wirtschaftlich nachhaltiger ist.

Hydroforming wird in der Automobil-, Luft- und Raumfahrt- sowie Energieerzeugungsindustrie gemäß den dort geltenden Konstruktionsstandards eingesetzt, um Leichtbauteile ohne Einbußen bei der Festigkeit herzustellen. Das Verfahren optimiert nicht nur die Fertigungsprozesse, sondern ermöglicht auch den Einsatz hochwertiger Werkstoffe wie Aluminium, Stahl und Titan und fördert innovative Konstruktionen.

Für Hersteller, die Wert auf Präzision legen, stellt das Blechhydroforming im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren einen Effizienzsprung dar, vor allem in Bezug auf die individuelle Blechfertigung In der Industrie, wo die Kleinserienfertigung von individuell gestalteten Teilen Präzision, Konsistenz und eine feine Oberflächengüte erfordert, bietet das Hydroforming eine Lösung für Branchen, die ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Kosten, Produktionseffizienz und Qualität anstreben – egal ob Prototyp oder Serienfertigung.

Fangen wir an zu lesen!

Was ist Hydroforming von Blechen?

Die Hydroformung von Blechen ist eine relativ neue Technologie zur Umformung von Metallen. Dabei wird ein Hochdruck-Flüssigkeitsstrom auf eine Seite des Blechs aufgebracht und durch Pressung gegen eine Matrize in komplexe Formen von höchster Präzision gebracht. Die Umformung eines Blechs kann mithilfe einer flexiblen Membran und einer mit Hydraulikflüssigkeit gefüllten Kammer erfolgen, die die beiden starren Matrizen des traditionellen Tiefziehens ersetzt. 

Der Flüssigkeitsdruck, der bis zu 100 MPa erreichen kann, verteilt die Kraft gleichmäßig über das Blech und ermöglicht so enge Toleranzen und glatte Oberflächen. Es handelt sich um eine vielseitige Technologie zur Bearbeitung verschiedener Metalle, insbesondere Stahl, Aluminium und Titan, und zur Herstellung leichter und hochfester Bauteile für Anwendungen in der Automobil-, Luftfahrt- und Fertigungsindustrie.

Historische Entwicklung des Hydroforming-Verfahrens

Anfang der 1950er-Jahre markierte die Patentierung des Hydramolding-Verfahrens durch Fred Leuthesser Jr. und John Fox von der Schaible Company in Cincinnati, Ohio, den Beginn des Hydroforming-Verfahrens für Bleche. Dieses Verfahren wurde zunächst zur Herstellung von Küchenarmaturen eingesetzt. Es erregte Aufsehen, da die hergestellten Blechteile eine höhere Qualität und Oberflächengüte aufwiesen und durch den verbesserten Fertigungsprozess stabiler und glatter waren als solche, die mit traditionellen Methoden hergestellt wurden.

Im Laufe der Zeit spaltete sich das Blechumformverfahren in zwei Hauptvarianten auf: das Blasen- und das Direktkontaktverfahren. Beim Blasenverfahren verhindert eine flexible Membran, die die unter Druck stehende Flüssigkeit enthält, den direkten Kontakt mit dem Blech. Diese Variante, auch Flexforming genannt, wird vorwiegend für geringe Produktionsvolumina in der Luft- und Raumfahrtindustrie eingesetzt. Im Gegensatz dazu wird beim Direktkontaktverfahren der Hydraulikdruck direkt auf das Blech ausgeübt, wodurch die Umformgenauigkeit im Vergleich zu den in traditionellen Verfahren verwendeten Reihen gleichförmiger Hydraulikpressen deutlich erhöht wird.

Ein bemerkenswerter Fortschritt in diesem Bereich ist das hydromechanische Tiefziehen. Dabei wird das Werkstück auf einen Stempel aufgesetzt und mit einem bis zu 100 MPa steuerbaren hydraulischen Druck verpresst. So lassen sich komplexe Formen mit höherer Präzision realisieren. Durch die Weiterentwicklung der hydraulischen Ausbeulprüfung konnten die Materialhärtungs- und Umformgrenzen verbessert werden, was bessere Ergebnisse für den modernen industriellen Einsatz gewährleistet.

Arten der Blech-Hydroformung  

Kavitäts- und Stempel-Hydroformung

Es gibt zwei Hauptarten des Hydroformens für Blechbearbeitung.

Hohlraum 

Beim Hohlraum-Hydroforming wird das Blech mithilfe einer flexiblen Membran oder durch Flüssigkeitsdruck an einen starren Formhohlraum angepasst, wodurch die gewünschte Form entsteht. Dieses Verfahren eignet sich ideal für die Herstellung komplexer Formen sowie von Blechen mit glatten Oberflächen und gleichmäßiger Wandstärke.

Punch 

Beim Hydroforming mit Stempel hält der Flüssigkeitsdruck das Blech in Position, während es mit einem Stempel geformt wird. Dieses Verfahren ist besonders vorteilhaft für Anwendungen, die Präzision erfordern, da es eine verbesserte Kontrolle über die Werkstücktiefe und Details ermöglicht.

Hydroforming-Kategorien: Blech vs. Rohr

Es gibt zwei Hauptarten des Hydroformings. Die eine ist das Hydroforming von Blechen, die andere das Hydroforming von Rohren. Schauen wir uns die Hauptdefinitionen beider an:

Blech-Hydroforming 

Beim Hydroforming werden flache Metallbleche mithilfe von Hochdruckhydraulik in komplexe Formen und kundenspezifische Blechkonstruktionen umgewandelt. Es ermöglicht eine hervorragende Oberflächengüte, eine gleichmäßige Wandstärke und reduziert die Anzahl der benötigten Werkzeuge. Dieses Verfahren ist in der Automobil- und Luftfahrtindustrie zur Herstellung leichter Strukturbauteile weit verbreitet.

Rohrhydroformung 

Durch die Anwendung von internem Hydraulikdruck formt das Rohrhydroforming hohle Metallrohre in die gewünschte Form. So lassen sich stabile und gleichzeitig leichte Bauteile mit weniger Schweißnähten und Verbindungsstellen herstellen. Dieses Verfahren wird häufig zur Fertigung von Autorahmen, Auspuffanlagen und Fahrradteilen eingesetzt.

Wie sich das Hydroforming von Blechen vom Hydroforming von Rohren unterscheidet

Rohr-Hydroforming-Verfahren

Obwohl sowohl das Hydroforming von Blechen als auch von Rohren fortschrittliche Umformverfahren sind, unterscheiden sie sich in ihrer Funktionsweise. Beim Hydroforming von Blechen wird ein flaches Metallblech auf ein Werkzeug gelegt und durch hydraulischen Druck an die Form des Werkzeugs oder Stempels angepasst. Dieses Verfahren eignet sich hervorragend zur Herstellung einfacher Teile, grundlegender Geometrien und passgenauer Teile, ist aber ebenso gut für komplexe Geometrien geeignet.

Die genannten Fähigkeiten sind in der Luft- und Raumfahrt, der Medizintechnik, der Verteidigungsindustrie und der Energieerzeugung von entscheidender Bedeutung. Beim Rohrumformen wird ein Metallrohr durch Einleiten von Hochdruck-Hydraulikflüssigkeit, einer Druckübertragungsflüssigkeit, die in Hydrauliksystemen verwendet wird, an die umgebende Matrize angepasst. 

Dieses Verfahren findet breite Anwendung in der Automobil- und Luftfahrtindustrie zur Herstellung von rohrförmigen Bauteilen, beispielsweise für Fahrzeugrahmen und Abgasanlagen. Die Bauteile sind leicht, stabil und formgenau. Durch das Hydroforming von Blechen werden flache Bleche in komplexe Bauteile umgewandelt. 

Schrittweises Verfahren zum Hydroformen von Blechen 

Blech-Hydroforming-Verfahren

Hier ist eine kurze, schrittweise Beschreibung des Hydroforming-Prozesses: 

Einrichtung eines Werkzeugsystems für die Metall-Hydroformung

Beginnen Sie mit der Montage des Hydroforming-Werkzeugsystems. Dieses umfasst die Obermatrize, die Verschleißplatte, die Formkammer, das Druckhydrauliksystem und die Gummimembran. Die Untermatrize kann einen Stempel und einen Ring enthalten, die von einem Hydraulikkolben gehalten werden. Ein Niederhalter umschließt den Stempel und fixiert das Blech.

Dichtung

Legen Sie zunächst den Metallrohling auf die untere Matrize und prüfen Sie, ob die Hydroformkammer vollständig abgedichtet ist. Die Gummimembran stützt den Rohling und verhindert Leckagen während der Druckbeaufschlagung.

Druckbeaufschlagung

Das Hydrauliköl in der oberen Werkzeugkammer muss langsam und kontrolliert unter Druck gesetzt werden. Das Rohmaterial wird an Werkzeug und Stempel angepasst, wobei auf eine glatte und fehlerfreie Oberfläche geachtet wird.

Bildung

Durch den hydraulischen Druck wird der Metallrohling weiter gedehnt und passt sich dem Werkzeugsystem und der benötigten Matrize an. Die Membran bietet Halt und gewährleistet so die präzisen Abmessungen und Profile des Bauteils.

Abschluss des Hydroforming-Metallprozesses

Sobald das gewünschte Hydroforming-Profil erreicht ist, wird die obere Werkzeugkammer abgesenkt. Das Werkzeug wird angehoben und der Stempel abgesenkt, um das fertige Teil zu entnehmen. Das fertige Teil ist eine exakte Nachbildung des Hydroforming-Werkzeugsystems.

Welche Metalle eignen sich für die Hydroformung?

Das Hydroforming von Blechen ist am praktikabelsten bei Metallen, die bei der Kaltumformung gute Ergebnisse erzielen und nicht brechen oder an Festigkeit verlieren. 

• Hydrogeformtes Aluminium, Messing, Kupfer, Kohlenstoffstahl und Edelstahl sind typische Beispiele.
• Dies ist ideal für leichte, langlebige Teile in der Automobil-, Luft- und Raumfahrtindustrie sowie in industriellen Anwendungen mit hochfesten Legierungen.
• Mithilfe von Schablonen und Rohrhydroformung werden Hohlrohre in stabile Bauteile mit exakten Abmessungen umgewandelt.

Wie sich das Hydroforming von Blechen vom Tiefziehen von Metallen unterscheidet 

Tiefziehprägung 

Sowohl das Hydroforming von Blechen als auch Tiefziehen von Metall, Prägen Es gibt verschiedene Verfahren zur Metallumformung, die sich in ihren Techniken und Kosten unterscheiden. Beim Blechumformen wird das Metall mithilfe von Standardwerkzeugen wie Stempel und Sicherungsringen geformt, die aus einem einzigen Werkzeug gefertigt werden. Dieses Verfahren liefert feinere, festere und präzisere Teile und ist dabei kostengünstiger, da es nur die Hälfte des Preises des Tiefziehens kostet. Dies liegt an den weniger Presszyklen und den günstigeren Werkzeugen aus Gusseisen im Vergleich zu gehärtetem Stahl.

Das Tiefziehen ist aufgrund des Einsatzes mechanischer Pressen, die mehrere Ziehzyklen zur Formgebung des Metalls benötigen, kostenintensiv. Dies erhöht die Presszeit, den Materialverbrauch und die Kosten für die Prozessentwicklung. Zudem treten häufiger Kratzer auf, was die Kosten für die Nachbearbeitung steigert. Darüber hinaus ist die Anpassung einer Konstruktion nach Fertigstellung der Werkzeuge mit erheblichem Zeit- und Arbeitsaufwand verbunden.

Hydroforming reduziert Entwicklungs-, Werkzeug- und Rüstkosten um bis zu 70 % und verringert gleichzeitig den Materialverbrauch um 50 % bis 70 %. Im Vergleich zum Tiefziehen bietet Hydroforming kürzere Durchlaufzeiten und ermöglicht schnelle Designänderungen, was die Prozessflexibilität erhöht. Diese Eigenschaften sind entscheidend für die Fertigung komplexer und präziser Bauteile für die Luft- und Raumfahrt-, Medizin- und Automobilindustrie.

Vorteile und Nachteile der Blechumformung durch Hydroformung

Es ist wichtig, einige Vor- und Nachteile des Hydroforming-Verfahrens für Metallbleche zu kennen. 

Vorteile

• Dies ist wichtig, da das Blechumformen einzigartige Eigenschaften aufweist, wie die Fähigkeit, unregelmäßige Konturen und komplizierte 3D-Formen mit engen Maßtoleranzen zu erzeugen. 
• Neben der Gewährleistung präziser Formabmessungen verbessert das Blechhydroforming die Festigkeit, die Mikrostruktur (d. h. die Oberflächenqualität) des Formteils und verbessert die Dickenverteilung, reduziert übermäßige Ausdünnung und ermöglicht leichtere Konstruktionen ohne Einbußen bei der Festigkeit.
• Durch die Überwindung des Rückfederungseffekts wird beim Blechhydroformen die Kaltverfestigung reduziert, was zu einer überlegenen Oberflächengüte führt.

Nachteile

• Anlagen zur Blechumformung mittels Hydroforming erfordern hohe Investitionskosten. Darüber hinaus sind die längeren Produktionszyklen ein entscheidender Faktor bei der Wahl dieser Methode.
• Im Hinblick auf die Produktion ist die teure Präzision hydraulischer Systeme nicht mit der Produktivität vereinbar.

Anwendungen der Wasserdampfumformung von Blechen

Hydrogeformte Metallteile

Die Blechumformung mittels Hydroforming findet in einer Vielzahl von Branchen Anwendung zur Herstellung unterschiedlicher Produkte. Zum Beispiel:

Luft- und Raumfahrt

Im Luft- und Raumfahrtsektor liefert das Hydroforming leichte, präzise dimensionierte Teile für Strahltriebwerke und Flugzeugstrukturen. Blechfertigung für die Luft- und Raumfahrt setzt auf Hydroforming zur Herstellung von Halterungen, Rahmen und Paneelen, die aufwendig und präzise gefertigt sind, um hohen Belastungen und engen Toleranzen standzuhalten.

Automobilindustrie

Automobilhersteller nutzen das Hydroforming-Verfahren für Dächer, Motorhauben und Karosserieteile sowie für Bremsenteile, Krümmer und Kraftstofftanks. Durch die geringere Anzahl an Schweißnähten und Verbindungen ermöglicht das Verfahren die effizientere Herstellung leichterer und sichererer Fahrzeuge und Bauteile.

Rüstungsindustrie

Durch Hydroforming erhält der Verteidigungssektor die Festigkeit, Haltbarkeit und Zuverlässigkeit, die für missionskritische Bauteile wie Gehäuse und Motorabdeckungen von Militärflugzeugen sowie für Auspuffanlagen und Schutzausrüstung erforderlich sind.

Stromerzeugungsmarkt

Bei der Energieerzeugung werden Komponenten für Turbinen und Wärmetauscher mittels Hydroforming aus hitze- und korrosionsbeständigen Werkstoffen wie Inconel und Haynes für Hydroforming-Teile hergestellt, die in Hochtemperaturanwendungen eingesetzt werden.

Andere Verwendungen

Dieses Verfahren wird auch in verschiedenen anderen Branchen eingesetzt, beispielsweise bei der Herstellung von wassergeformten Gebrauchsgegenständen wie etwa der Hydroformung von Aluminium-Wasserflaschen, die in großen Mengen produziert werden. 

Faktoren, die die Kosten der Metall-Hydroformung bestimmen

Die für das Hydroforming, die Entwicklung und die Endbearbeitung benötigten Werkzeuge sowie die Kosten und der Zeitaufwand bestimmen die Kosten des gesamten Prozesses. 

Verwendetes Werkzeug

Das Hydroforming benötigt weniger und einfachere Werkzeuge, darunter einen Haltering und einen Stempel. Die obere Werkzeugkammer mit Gummimembran dient gleichzeitig als Formhohlraum, wodurch die Werkzeugkosten im Vergleich zu anderen Umformverfahren um fast 50 % gesenkt werden. Werkzeuge aus Gusseisen sind kostengünstiger und einfacher einzurichten als der gehärtete Stahl, der beim Tiefziehen verwendet wird.

Entwicklungskosten

Die Möglichkeit, Materialart und Wandstärke ohne zusätzliche Werkzeuge zu variieren, macht die Entwicklung beim Hydroforming flexibler. Diese Eigenschaft verkürzt die Entwicklungszeiten und senkt die Kosten im Vergleich zu herkömmlichen Stanzverfahren.

Reduzierte Pressezeit

Durch Hydroforming lässt sich die Anzahl der Presszyklen um bis zu 60–70 % reduzieren, während das Tiefziehverfahren die Anzahl der Presszyklen um 35–45 % verringert. Diese Effizienzsteigerung trägt zu geringeren Betriebskosten und einer schnelleren Produktion bei.

Endbearbeitungskosten

Das Verfahren erzeugt glatte und makellose Oberflächen, wodurch der Nachbearbeitungsaufwand deutlich reduziert wird. Da beim Hydroformen die für das Tiefziehen typischen Kratzer und Oberflächenmarkierungen vermieden werden, sinken die Kosten für Polieren und Endbearbeitung erheblich.

Zusammenfassung

Mit der Entwicklung neuer Verfahren wird das Blechhydroforming die Präzision, Vielseitigkeit und Haltbarkeit in der Bauteilfertigung weiter verbessern und die Blechbearbeitung nachhaltig verändern. Prolean Tech, ein etablierter Anbieter von kundenspezifischen Blechhydroforming-Dienstleistungen in China, liefert hydrogeformte Bauteile, die spezifischen Design- und Branchenanforderungen gerecht werden. 

Prolean Tech beliefert mit kundenspezifischen Metallkomponenten eine Vielzahl von Branchen, darunter Luft- und Raumfahrt, Automobilindustrie, Elektronik und Industrieanlagenbau. Blechservice Wir bieten Ihnen Schneide-, Biege-, Form- und Fertigungsdienstleistungen zur Herstellung von Teilen, die Ihren Design- und Leistungsanforderungen entsprechen. Fordern Sie noch heute ein Angebot für kostengünstige Blechbearbeitung mit zuverlässiger Qualität und kurzen Lieferzeiten an.