Blechumformungsverfahren erklärt: Arten, Verfahren und Anwendungsbereiche

Bei der Blechumformung wird ein flaches Blech durch Krafteinwirkung dauerhaft verformt und so in ein dreidimensionales Bauteil umgewandelt – ohne dass Metall hinzugefügt oder entfernt wird. Die Palette der Verfahren ist breit gefächert: Beim Biegen wird das Blech entlang einer Linie geformt; beim Stanzen werden komplexe Geometrien in einem oder wenigen Arbeitsschritten ausgeschnitten und geformt; beim Tiefziehen wird das Material gedehnt und umverteilt, um hohle, becherartige Formen zu erzeugen; beim Walzformen wird ein Endlosband durch eine aufeinanderfolgende Reihe von Walzen geführt, um ein Profil mit einheitlichem Querschnitt herzustellen; und Schneidvorgänge – Stanzen, Scheren,  Laser- oder Stanzschneiden, Wasserstrahlschneiden – das flache Rohteil vorbereiten und vor oder nach der Umformung Löcher und Perforationen anbringen.

Bei den meisten fertigen Blechteilen kommen mehrere dieser Verfahren zum Einsatz. Ein typisches Gehäuse wird beispielsweise aus Flachmaterial lasergeschnitten, mit Lüftungslöchern gestanzt, auf einer Abkantpresse gebogen und vor der Endbearbeitung mit Beschlägen versehen. Wenn Konstrukteure und Ingenieure verstehen, was die einzelnen Verfahren leisten, für welche Geometrien sie am besten geeignet sind und wo sie im Verhältnis zwischen Stückzahl und Werkzeugkosten angesiedelt sind, können sie bereits vor der Angebotsanfrage den richtigen Ansatz festlegen.

Dieser Leitfaden behandelt jeden wichtigen Prozess so ausführlich, dass Sie die Entscheidung bezüglich der Spezifikation sicher treffen können. Alle hier beschriebenen Prozesse fallen unter unsere Dienstleistungen im Bereich Blechbearbeitung. Informationen zur konkreten Entscheidung zwischen allgemeiner Blechumformung und Stanzbearbeitung bei unterschiedlichen Stückzahlen finden Sie in unserem Leitfaden „Blechumformung vs. Stanzbearbeitung“. Konstruktionsregeln speziell für das Biegen – K-Faktor, Biegezugabe und Mindestradius – finden Sie in unserem Leitfaden zur Konstruktion von Blechbiegungen.

Biegen

Das Biegen ist das gängigste Umformverfahren für Bleche und bildet die Grundlage für die meisten Fertigteile. Bei einer Abkantpresse wird ein Stempel in eine V-Matrize getrieben, wodurch das Blech entlang einer geraden Linie verformt wird. Der gebildete Winkel hängt davon ab, wie weit sich der Stempel bewegt (Luftbiegen), ob das Blech vollständig gegen die Matrizenwände gedrückt wird (Bodenbiegen) oder ob extreme Kraft aufgewendet wird, um die Biegung zu prägen (Prägebiegen). Bei jeder Methode stehen Kraft und Werkzeugspezifität im Austausch zu Genauigkeit und Wiederholbarkeit.

Das Biegen mit einer Abkantpresse ist anlagenflexibel: Mit derselben Maschine lassen sich heute eine Halterung, morgen ein Gehäuse und übermorgen eine Chassisverkleidung fertigen, wobei lediglich das Werkzeug und das Programm gewechselt werden müssen. Die Rüstzeit ist kurz – in der Regel weniger als eine Stunde für ein neues Teil auf einer gut ausgestatteten CNC-Abkantpresse. Die Werkzeugkosten sind gering, da Stempel und Matrizen als Standardartikel in einer Vielzahl von V-Öffnungsweiten und Radien erhältlich sind.

Die Biegegeometrie unterliegt folgenden Einschränkungen: Der Flansch muss lang genug sein, um auf dem Stanzwerkzeug aufliegen zu können; der Biegeradius darf nicht kleiner sein, als es das Material ohne Rissbildung zulässt; und die Biegungen müssen so nacheinander angeordnet werden, dass frühere Biegungen die Presse nicht daran hindern, spätere Biegungen auszuführen. Bei Bauteilen mit vielen Biegungen auf engstem Raum lohnt es sich, vor der Fertigung eine dreidimensionale Umformungssimulation im CAD durchzuführen.

Wichtige Konstruktionsparameter für das Biegen: Werkstoff und Dicke, innerer Biegeradius (mindestens eine Materialdicke bei Weichstahl, das 1,5-Fache bei Aluminium, das Zweifache bei Edelstahl), Biegewinkel sowie die Angabe, ob die Maße in der Zeichnung vor oder nach dem Biegen gelten. Informationen zur mathematischen Abwicklung von Flachmustern, einschließlich K-Faktor und Biegezugabe, finden Sie in unserem Leitfaden zur Konstruktion von Blechbiegungen. Einen detaillierten Vergleich zwischen Luftbiegen, Bodenbiegen und Prägen finden Sie in unserem speziellen Leitfaden zu diesen drei V-Biegeverfahren.

Stanzen

Beim Stanzen wird ein maßgefertigter Stanzwerkzeugsatz in einer mechanischen oder hydraulischen Presse eingesetzt, um Bleche mit hoher Geschwindigkeit zu schneiden und zu formen. Bei einem Ein-Schlag-Werkzeug entsteht das Bauteil mit einem einzigen Presshub. Bei einem Folgewerkzeug wird das Coilmaterial durch mehrere Stationen geführt – wobei jede Station einen Stanz-, Kerben-, Präge-, Ausstech- oder Umformvorgang hinzufügt –, bis bei jedem Presshub ein fertiges Teil ausgeworfen wird. Transferwerkzeuge transportieren einzelne Rohlinge von Station zu Station, um größere oder komplexere Teile herzustellen.

Das Stanzen ist bei großen Stückzahlen äußerst produktiv. Ein Folgeverbundwerkzeug, das in einer Servopresse läuft, kann Tausende von Teilen pro Stunde mit gleichbleibender Geometrie über den gesamten Produktionslauf hinweg herstellen. Die beim Stanzen erreichbaren Toleranzen – plus/minus 0,05 mm oder besser für Stanzlöcher und Formmaße bei gut gewartetem Werkzeug – übertreffen das, was beim Biegen mit einer Abkantpresse in großem Maßstab zuverlässig eingehalten werden kann. Der Nachteil liegt in den Werkzeugkosten und der Vorlaufzeit: Ein Folgeverbundwerkzeug für ein mäßig komplexes Teil kostet in der Regel mehrere Zehntausend Dollar, und die Fertigung sowie die Einarbeitung erfordern sechs bis sechzehn Wochen.

Das Stanzen eignet sich für Teile mit hohen Jahresstückzahlen, stabilen Konstruktionen und einer Geometrie, die von der gleichzeitigen Formgebung mehrerer Merkmale profitiert: kombinierte Biegungen, Prägungen und Versteifungsrippen, integrierte Laschen und Klammern, gezogene Taschen sowie präzise Lochmuster. Halterungen für die Automobilindustrie, Verkleidungen für Haushaltsgeräte, elektrische Kontakte und Beschläge für Konsumgüter sind klassische Anwendungsbereiche des Stanzens.

Tiefziehen

Beim Tiefziehen wird ein flacher Rohling zu einer hohlen, dreidimensionalen Form geformt, indem ein Stempel durch den Rohling in den Matrizenhohlraum gedrückt wird, während ein Rohlinghalter das Randmaterial festhält. Das Rohteilmaterial fließt vom Rand nach innen, wird am Rand etwas dicker und an der Stempelspitze dünner, um den Formhohlraum auszufüllen. Im Gegensatz zum Biegen, bei dem das Blech entlang einer Linie verformt wird, verteilt das Tiefziehen das Material über eine große Fläche und erzeugt so Teile mit glatten Wänden und ohne Naht.

Der entscheidende Konstruktionsparameter beim Tiefziehen ist das Ziehverhältnis – das Verhältnis von Rohlingdurchmesser zu Stempeldurchmesser (bei runden Teilen). Ein Ziehverhältnis von über etwa 2,0 bis 2,2 in einem einzigen Ziehvorgang führt in der Regel zu Rissen oder Faltenbildung und erfordert mehrere Ziehstufen mit Zwischenglühen, damit sich das Material erholen kann. Die Duktilität des Materials ist dabei der begrenzende Faktor: kohlenstoffarmer Stahl sowie die Aluminiumlegierungen 3003 und 5052 lassen sich gut tiefziehen; Aluminium 6061-T6 und Edelstahl erfordern konservativere Tiefziehverhältnisse und eine sorgfältige Schmierung.

Durch Tiefziehen entstehen nahtlose, stabile Teile mit hervorragender Wandfestigkeit. Aus diesem Grund wird dieses Verfahren vor allem bei Kochgeschirr, Getränkedosen, Kraftstofftanks für Kraftfahrzeuge, Endkappen für Druckbehälter und Gehäusen eingesetzt, bei denen die Ziehtiefe größer als der Durchmesser sein muss. Bei großen Stückzahlen ist das Tiefziehen sehr kostengünstig – die Werkzeugkosten verteilen sich auf eine lange Produktionsserie und die Zykluszeiten sind kurz. Bei Prototypen oder geringen Stückzahlen machen die Werkzeugkosten andere Verfahren wirtschaftlicher.

Profilieren

Beim Profilieren wird ein endloses Metallband durch eine Reihe von Walzenpaaren geführt, wobei jedes Walzenpaar den Querschnitt um ein kleines Maß weiter verbiegt. Nach Durchlaufen aller Walzstationen ist das Band schrittweise in das gewünschte Profil geformt worden. Das fertige Profil wird mit einem fliegenden Schneidwerkzeug oder einer nachgeschalteten Abschneidepresse auf Länge geschnitten.

Das Rollformen eignet sich besonders für Teile mit einem über die gesamte Länge konstanten Querschnitt: U-Profile, H-Profile, Z-Profile, Rohrprofile, Extrusionsprofile für Tür- und Fensterrahmen, Montageschienen für Solarmodule sowie Schwellerprofile für Kraftfahrzeuge. Da es sich um ein kontinuierliches Verfahren handelt, werden sehr hohe Produktionsraten und eine hervorragende Maßhaltigkeit über die gesamte Länge des Teils erreicht. Die Materialdicke ist über den gesamten Querschnitt hinweg gleichmäßig, da das Material bei diesem Verfahren gebogen und nicht gezogen wird.

Die Einschränkung besteht darin, dass beim Rollformen keine Querschnittsänderungen entlang der Teilelänge erzielt werden können, kurze Teile nicht effizient verarbeitet werden können und für jedes Profil ein eigener Walzensatz erforderlich ist. Rollwerkzeuge sind kostengünstiger als Stanzwerkzeuge, sind jedoch ebenfalls profilspezifisch. Das Walzprofilieren ist daher vor allem bei etablierten Profilen mit hohen Stückzahlen wirtschaftlich, weniger jedoch bei Einzelanfertigungen oder häufig wechselnden Konstruktionen.

Zerspanungsverfahren: Laserschneiden, Stanzen und Scheren

Umformverfahren werden fast immer mit Schneidverfahren kombiniert, um den Rohling vorzubereiten und Löcher sowie Perforationen anzubringen. Die wichtigsten Schneidverfahren sind das Laserschneiden, das Revolverstanzen und das Scheren, die jeweils unterschiedliche Stärken aufweisen.

Beim CNC-Laserschneiden wird ein gebündelter Laserstrahl eingesetzt, um das Material entlang der programmierten Schnittbahn zu schmelzen oder zu verdampfen. Dabei entstehen saubere, präzise Kanten zuschneiden auf einer Vielzahl von Materialien und in verschiedenen Stärken, bewältigt komplexe Profile ohne teilespezifische Werkzeuge und lässt sich schnell anhand einer DXF- oder DWG-Datei einrichten. Das Laserschneiden ist die Standardlösung für das Stanzen und Profilieren kleiner bis mittlerer Stückzahlen, für komplexe Außenprofile sowie für Materialien mit einer Dicke von bis zu etwa 25 mm, je nach Lasertyp und -leistung.

Beim Turmstanzverfahren werden mithilfe eines rotierenden Werkzeugmagazins Löcher, Schlitze und Lamellen mit hoher Geschwindigkeit gestanzt. Bei sich wiederholenden Lochmustern ist dieses Verfahren schneller als das Laserschneiden und ermöglicht zudem die Herstellung kleiner Details wie Vertiefungen und Senkungen im selben Arbeitsgang. Die Stanzwerkzeuge sind kostengünstig, und das Verfahren eignet sich gut für Baustahl mit einer Dicke von bis zu etwa 6 mm.

Beim Scheren lassen sich gerade Linien schnell und kostengünstig schneiden, um rechteckiges Material auszuschneiden. Es fallen keine Werkzeugkosten an, allerdings ist dieses Verfahren auf gerade Schnitte beschränkt. Das Ausklinken, das zur Vorbereitung von Ecken für das Biegen dient, und das Ausschneiden, mit dem die Umrisse eines komplexen Flachmusters ausgeschnitten werden, sind eng miteinander verbundene Arbeitsschritte, die häufig auf derselben Anlage durchgeführt werden.

So wählen Sie ein Umformverfahren aus

Passen Sie das Verfahren an die Teilegeometrie und das erwartete Jahresvolumen an. Bei Teilen mit geringer Stückzahl und allgemeiner Geometrie deckt das Biegen auf einer Abkantpresse in Kombination mit Laserschneiden den Großteil der Anforderungen wirtschaftlich ab. Bei Hohlkörpern liefert das Tiefziehen das stabilste und materialeffizienteste Ergebnis. Bei Teilen mit hoher Stückzahl und komplexen Formmerkmalen sorgt das Stanzen für die niedrigsten Stückkosten. Bei langen, gleichförmigen Profilen ist das Rollformen unübertroffen. Die meisten Serienbauteile werden in einem kombinierten Verfahren gefertigt: Laserschneiden, Biegen, Einfügen von Beschlägen und Endbearbeitung.

Häufig gestellte Fragen

Was versteht man unter Blechumformung?

Unter Blechumformung versteht man jeden Prozess, bei dem flaches Blechmaterial durch Krafteinwirkung zu einem dreidimensionalen Bauteil geformt wird, wobei das Material dauerhaft verformt wird, ohne dass Material hinzugefügt oder entfernt wird. Die wichtigsten Umformverfahren sind Biegen, Stanzen, Tiefziehen und Rollformen, die in der Regel mit Schneidvorgängen – Laserschneiden, Stanzen oder Scheren – kombiniert werden, um den Rohling vorzubereiten und Löcher einzubringen.

Was ist der Unterschied zwischen Biegen und Tiefziehen?

Beim Biegen wird das Blech entlang einer geraden Linie verformt, um einen Winkel oder eine Krümmung zu erzeugen – das Material außerhalb der Biegelinie wird dabei nicht wesentlich beeinflusst. Beim Tiefziehen wird das Material über eine große Fläche verteilt, indem ein Stempel durch den Rohling in einen Matrizenhohlraum gedrückt wird, wodurch eine hohle dreidimensionale Form wie beispielsweise ein Becher, ein Zylinder oder ein Gehäuse entsteht. Das Tiefziehen ist mit einem wesentlich stärkeren Materialfluss verbunden und erfordert eine höhere Duktilität des Werkstückmaterials.

Welches Umformverfahren eignet sich am besten für die Großserienfertigung?

Stanzen und Profilieren sind bei hohen Stückzahlen am kostengünstigsten. Das Stanzen eignet sich für komplex geformte Teile, die in großen Stückzahlen hergestellt werden und bei denen sich ein maßgeschneidertes Werkzeugset über die gesamte Produktionsserie amortisieren lässt. Das Profilieren eignet sich für lange Teile mit einheitlichem Querschnittsprofil, bei denen eine kontinuierliche Produktionsgeschwindigkeit entscheidend ist. Beide Verfahren erfordern erhebliche Investitionen in Werkzeuge, die sich erst bei ausreichendem Volumen auszahlen.

Können verschiedene Umformverfahren bei einem Bauteil kombiniert werden?

Ja – bei den meisten Blechteilen kommt eine Kombination verschiedener Verfahren zum Einsatz. Ein typisches Teil wird beispielsweise per Laserschneiden in Form gebracht, mit einer Stanzmaschine mit Löchern versehen, auf einer Abkantpresse gebogen, für eine Aussparung tiefgezogen und anschließend endbearbeitet. Stufenpresswerkzeuge vereinen viele dieser Arbeitsschritte in einem einzigen Werkzeug. Zu wissen, welche Verfahren bei Ihrem Lieferanten verfügbar sind, hilft dabei, Teile zu konstruieren, die den Produktionsablauf effizient gestalten.