Auf den ersten Blick scheint das Biegen von Blechen ein einfacher Prozess zu sein. Ein Metallblech wird in eine Abkantpresse eingelegt, das Werkzeug übt den entsprechenden Druck aus, das Material nimmt den gewünschten Winkel an und das fertige Bauteil entsteht. In der Praxis ist der Vorgang jedoch wesentlich komplexer. Metall bleibt nicht immer exakt in der Position, in die es während des Umformens gebracht wurde.

Nach dem Wegfall der Belastung kann das Material teilweise in Richtung seiner ursprünglichen Form zurückkehren. Der Biegewinkel verändert sich, der Biegeradius kann geringfügig größer werden und das fertige Bauteil weist eine etwas andere Geometrie auf als noch unter dem Druck der Maschine.

Dieses Phänomen wird als Rückfederung, auf Englisch Springback, bezeichnet. In der modernen Metallbearbeitung ist die Fähigkeit, diesen Effekt vorherzusagen und auszugleichen, von großer Bedeutung für die Genauigkeit und Wiederholbarkeit der Produktion.

Metall ist gleichzeitig plastisch und elastisch

Um die Rückfederung zu verstehen, muss man sich ansehen, was während des Biegens im Material geschieht.

Wird ein Blech einer ausreichend großen Kraft ausgesetzt, ist ein Teil der entstehenden Verformung dauerhaft. Dadurch kehrt das Bauteil nach dem Entfernen der Belastung nicht vollständig in seine ursprüngliche flache Form zurück.

Gleichzeitig bleibt ein Teil der Verformung elastisch. Sobald die Kraft nicht mehr wirkt, versucht das Material, einen Teil seiner ursprünglichen Form wieder anzunehmen.

Man kann dies mit dem Biegen eines Kunststofflineals vergleichen. Bei geringer Belastung biegt es sich und kehrt anschließend in seine Ausgangsform zurück. Wird jedoch eine bestimmte Grenze überschritten, bleibt es dauerhaft verformt. Metall verhält sich beim industriellen Biegen nach einem ähnlichen Grundprinzip, auch wenn die tatsächlichen Vorgänge natürlich wesentlich komplexer sind.

Gerade das Zusammenspiel von plastischer und elastischer Verformung führt dazu, dass für einen präzisen Biegewinkel mehr erforderlich ist, als den Stempel lediglich in die entsprechende Position zu bringen.

Ein 90°-Winkel entsteht nicht immer durch Biegen auf 90°

Dies ist eines der interessanteren Phänomene der Umformtechnik.

Soll ein Bauteil einen exakten Winkel von 90° erhalten, kann es unter bestimmten technologischen Bedingungen notwendig sein, das Material zunächst über den gewünschten Winkel hinaus zu biegen. Nach dem Zurückfahren des Werkzeugs „öffnet“ sich das Blech geringfügig und erreicht erst dadurch die gewünschte Geometrie.

Beispielsweise kann das Material zunächst auf einen Winkel von weniger als 90° gebogen werden, damit nach der elastischen Rückfederung ein tatsächlicher Winkel von 90° entsteht.

Der notwendige Korrekturwert ist jedoch nicht universell. Man kann nicht grundsätzlich davon ausgehen, dass jedes Blech um ein oder zwei Grad überbogen werden muss. Das Verhalten des Materials hängt von zahlreichen Faktoren ab.

Welche Faktoren beeinflussen die Rückfederung?

Einer der wichtigsten Faktoren ist die Art des Werkstoffs. Baustahl, Edelstahl oder Aluminium können auf einen vergleichbaren Umformprozess völlig unterschiedlich reagieren.

Darüber hinaus spielen unter anderem folgende Faktoren eine Rolle:

• Streckgrenze und Festigkeit des Materials,
• Elastizitätsmodul,
• Blechdicke,
• Biegeradius,
• Walzrichtung des Blechs,
• Geometrie von Stempel und Matrize,
• Öffnungsweite der Matrize,
• angewandtes Biegeverfahren,
• tatsächliche Eigenschaften der jeweiligen Materialcharge.

Deshalb können zwei Bauteile mit identischer Geometrie, die jedoch aus unterschiedlichen Stahlsorten gefertigt werden, unterschiedliche Prozessparameter erfordern.

Darüber hinaus können selbst zwischen verschiedenen Chargen eines nominell identischen Werkstoffs Unterschiede auftreten.

Auch die Walzrichtung spielt eine Rolle

Ein Stahlblech kann auf den ersten Blick wie ein vollkommen homogener Werkstoff erscheinen. Seine Eigenschaften müssen jedoch nicht in allen Richtungen identisch sein.

Bei der Herstellung werden Bleche gewalzt, wodurch die innere Struktur des Materials beeinflusst wird. Infolgedessen kann sich das Verhalten beim Biegen danach unterscheiden, wie die Biegelinie zur Walzrichtung ausgerichtet ist.

Dies wirkt sich nicht nur auf die Rückfederung aus, sondern kann auch das Risiko von Rissen beeinflussen, insbesondere bei kleinen Biegeradien.

Die richtige Anordnung der Bauteile auf dem Blech kann daher ein Bestandteil der Fertigungstechnologie sein und dient nicht ausschließlich dazu, das Material möglichst effizient auszunutzen.

Je fester der Stahl, desto größer die Herausforderung

Die Entwicklung moderner Legierungen ermöglicht die Konstruktion leichter und gleichzeitig äußerst belastbarer Bauteile. Hochfeste Stähle kommen unter anderem in der Automobilindustrie, im Maschinenbau, in industriellen Konstruktionen und in Anlagen zum Einsatz, bei denen eine hohe mechanische Belastbarkeit erforderlich ist.

Ihre Verarbeitung kann jedoch zusätzliche Anforderungen an die Fertigung stellen.

Werkstoffe mit hoher Streckgrenze weisen häufig eine stärkere Tendenz zur Rückfederung auf. Mit zunehmender Festigkeit des Materials gewinnt daher die richtige Auswahl der Biegeparameter, Werkzeuge und Kompensationsmethoden an Bedeutung.

Ein Werkstoff kann somit aus Sicht des Konstrukteurs hervorragend geeignet sein, gleichzeitig aber aus fertigungstechnischer Perspektive höhere Anforderungen stellen.

Ein Grad kann einen großen Unterschied machen

Ist eine Abweichung von nur einem Grad tatsächlich problematisch?

Bei einem einzelnen, einfachen Halter muss sie nicht unbedingt eine entscheidende Rolle spielen. Anders sieht es jedoch aus, wenn das gebogene Bauteil Teil einer größeren Baugruppe ist.

Stellen wir uns ein Bauteil mit mehreren aufeinanderfolgenden Biegungen vor. Jede einzelne Biegung kann eine geringe Abweichung in der Position der nächsten Fläche verursachen. Am Ende des Bauteils können sich diese kleinen Unterschiede summieren.

Dadurch können beispielsweise Montagebohrungen nicht mehr exakt übereinstimmen, beim Zusammenbau kann zusätzliche Kraft erforderlich sein oder die gesamte Baugruppe passt nicht mehr in den vorgesehenen Bauraum.

In der Serienfertigung geht es deshalb nicht nur darum, ein einzelnes korrektes Bauteil herzustellen. Entscheidend ist die Wiederholgenauigkeit des gesamten Prozesses.

Eine moderne Abkantpresse übt nicht nur Druck aus

Moderne CNC-Abkantpressen sind wesentlich fortschrittlicher als Maschinen, bei denen der Bediener lediglich die Eintauchtiefe des Stempels einstellt.

Die numerische Steuerung ermöglicht eine präzise Positionierung der Werkzeuge und Hinteranschläge, das Speichern der Parameter einzelner Arbeitsschritte sowie die Ausführung komplexer Biegefolgen.

In der modernen Fertigung kommen darüber hinaus Systeme zum Einsatz, mit denen der Biegewinkel während des Prozesses überwacht oder korrigiert werden kann. Dadurch lässt sich der Einfluss schwankender Materialeigenschaften reduzieren und die Wiederholgenauigkeit der gefertigten Bauteile erhöhen.

Die Automatisierung setzt die physikalischen Eigenschaften des Materials jedoch nicht außer Kraft. Sie ermöglicht vielmehr, diese wesentlich besser zu kontrollieren.

Die Reihenfolge der Biegungen kann über den Erfolg der Fertigung entscheiden

Bei Bauteilen mit mehreren Biegungen ist nicht nur jeder einzelne Winkel wichtig, sondern auch die Reihenfolge der Arbeitsschritte.

Eine ungünstig geplante Biegefolge kann dazu führen, dass das Bauteil nach den ersten Biegungen nicht mehr korrekt zwischen den Werkzeugen positioniert werden kann. Ebenso kann ein bereits gebogener Bereich mit der Maschine oder den Werkzeugen kollidieren.

Der Technologe muss den Fertigungsprozess deshalb mehrere Schritte im Voraus betrachten.

Manchmal erweist sich eine Konstruktion, die in einem CAD-Programm sehr einfach aussieht, in der Produktion als schwierig. Eine geringfügige Änderung des Biegeradius, der Schenkellänge oder der Position einer Bohrung kann den gesamten Fertigungsprozess dagegen deutlich vereinfachen.

Dies ist einer der Gründe, warum eine fertigungsgerechte Konstruktion eine so große Bedeutung hat.

Ein Prototyp zeigt das tatsächliche Verhalten des Materials

Computersimulationen und Werkstoffdaten ermöglichen eine immer präzisere Vorhersage der Ergebnisse eines Umformprozesses. Die endgültige Überprüfung erfolgt jedoch am real gefertigten Bauteil.

Bei anspruchsvolleren Konstruktionen ermöglicht die Herstellung eines ersten Bauteils oder einer kleinen Vorserie die Überprüfung von:

• tatsächlichen Winkeln nach der Entlastung des Materials,
• Abmessungen des fertigen Bauteils,
• korrekter Blechabwicklung,
• Reihenfolge der Arbeitsschritte,
• Möglichkeiten zur sicheren und komfortablen Positionierung des Bauteils,
• Übereinstimmung mit der technischen Dokumentation.

Auf Grundlage der Messergebnisse können anschließend Korrekturen am Programm vorgenommen und die Prozessparameter für die Serienfertigung optimiert werden.

Dies zeigt, warum Prototyping nicht zwangsläufig nur einen zusätzlichen Kostenfaktor darstellt. In vielen Fällen hilft eine Vorserie dabei, wesentlich größere Verluste bei der späteren Fertigung einer kompletten Charge zu vermeiden.

Laserschneiden und Biegen sollten als zusammenhängender Prozess betrachtet werden

Ein präzises Blechbauteil durchläuft in der Regel mehrere Fertigungsschritte. Zunächst kann es per Laser zugeschnitten, anschließend gebogen, geschweißt, oberflächenbehandelt und schließlich einer Maßkontrolle unterzogen werden.

Jeder dieser Schritte beeinflusst die nachfolgenden Prozesse.

Wird die Blechabwicklung vor dem Schneiden falsch vorbereitet, können selbst perfekt ausgeführte Biegungen die korrekten Endmaße nicht gewährleisten. Entsprechen wiederum die Winkel nach dem Biegen nicht der technischen Dokumentation, können beim Schweißen oder bei der Montage Probleme entstehen.

Deshalb gewinnt ein Ansatz zunehmend an Bedeutung, bei dem die Herstellung eines Metallbauteils als ein zusammenhängender technologischer Prozess betrachtet wird und nicht als eine Reihe voneinander unabhängiger Arbeitsschritte.

Präzision beginnt mit dem Verständnis des Materials

Moderne CNC-Maschinen können mit außerordentlich hoher Genauigkeit arbeiten. Doch selbst die fortschrittlichste Anlage kann die grundlegenden Gesetze der Physik nicht verändern. Stahl, Aluminium oder Edelstahl besitzen bestimmte Eigenschaften und reagieren auf mechanische Belastungen auf jeweils charakteristische Weise.

Die Rückfederung zeigt sehr anschaulich, dass professionelle Metallbearbeitung nicht allein darin besteht, über eine ausreichend leistungsfähige Abkantpresse zu verfügen.

Entscheidend sind ebenso Werkstoffkenntnisse, technologische Erfahrung, eine fertigungsgerechte Konstruktion des Bauteils, die richtige Auswahl der Werkzeuge, eine durchdachte Reihenfolge der Arbeitsschritte sowie die Kontrolle der fertigen Komponenten.

Und genau deshalb kann eine scheinbar einfache 90°-Biegung eines Blechs das Ergebnis einer wesentlich anspruchsvolleren Fertigungstechnologie sein, als es das fertige Bauteil auf den ersten Blick vermuten lässt.