Können drei gute Designentscheidungen ein Stempelproblem verursachen? Eine OEM-DFM-Fallstudie

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Eine präzisionsgestanzte Metallkomponente mag als fertiges Produkt einfach aussehen. Allerdings hängt seine Herstellbarkeit von weit mehr als der endgültigen Form ab.

Stellen Sie sich eine kompakte Halterung aus gestanztem Metall vor, die über einen länglichen Montageschlitz, mehrere Biegungen und mehrere geformte Laschen verfügt.

Das Bauteil ist so konzipiert, dass es die Montageanforderungen erfüllt und gleichzeitig eine kompakte Struktur und ausreichende mechanische Festigkeit beibehält.

Aus Sicht des Produktdesigns sind diese Funktionen sinnvoll. Der längliche Schlitz sorgt für Flexibilität bei der Positionierung, die gefalteten Abschnitte erzeugen die erforderliche dreidimensionale Geometrie und die geformten Laschen unterstützen die beabsichtigte Montagefunktion.

Doch was passiert, wenn diese Designanforderungen bei der Stanzproduktion zusammenwirken?

Drei vernünftige Designentscheidungen können zu Herausforderungen beim Stanzen, Biegen, Materialformen und der Werkzeugentwicklung führen.

Hier kommt Design for Manufacturability (DFM) zum Tragen.

1. Das Bauteil verstehen: Mehr als ein flaches Metallprofil

Eine gestanzte Halterung mit einem länglichen Schlitz und mehreren geformten Merkmalen erfordert mehrere Herstellungsvorgänge.

Abhängig vom tatsächlichen Bauteildesign können dies sein:

• Blanking und Piercing.

• Schlitzstanzen.

• Biegen und Formen.

• Tab-Formung.

• Endgültige Teiletrennung und Maßkontrolle.

Jeder Vorgang wirkt sich auf den nächsten aus.

Die Position eines Schlitzes kann das verfügbare Material um eine Biegung herum beeinflussen. Die Materialqualität kann die Umformkräfte und die Rückfederung beeinflussen. Die Anordnung mehrerer Formungsmerkmale kann das Layout und die Produktionssequenz des Folgewerkzeugs beeinflussen.

Daher sollte die Komponente als vollständige geprägte Struktur und nicht als Sammlung unabhängiger Merkmale bewertet werden.

2. Drei Designentscheidungen, die zu Herausforderungen bei der Fertigung führen können

Entscheidung 1: Ein verlängerter Steckplatz für mehr Montageflexibilität

Ein verlängerter Montageschlitz wird üblicherweise verwendet, wenn eine Positionsanpassung einer Komponente oder eine flexible Montageausrichtung erforderlich ist.

Seine Länge und Breite werden durch funktionale Anforderungen bestimmt, beide Abmessungen sollten jedoch bei der Werkzeugkonstruktion berücksichtigt werden.

Die schmale Breite eines länglichen Schlitzes ist besonders wichtig, da sie die effektive Stanzbreite bestimmt.

Wenn der Schlitz im Verhältnis zur Materialstärke zu schmal ist, kann der Stempel anfällig für übermäßige Belastung, Verschleiß oder Bruch werden.

Weitere potenzielle Bedenken sind:

• Schlagfestigkeit und Haltbarkeit.

• Gratbildung an den Schlitzrändern.

• Kontrolle und Entfernung von Schnecken.

• Schlitzbreite und Maßhaltigkeit.

• Abstand zwischen dem Schlitz und nahegelegenen Materialmerkmalen.

Im Gegensatz zu einem herkömmlichen kreisförmigen Loch weist ein länglicher Schlitz außerdem zwei unterschiedliche geometrische Abmessungen auf, die unabhängig voneinander bewertet werden müssen.

DFM-Überlegungen:

• Überprüfen Sie die Schlitzbreite im Verhältnis zur Materialstärke und -festigkeit.

• Überprüfen Sie den Radius an beiden Enden des Schlitzes.

• Bewerten Sie die Stempelgeometrie und den Matrizenabstand.

• Halten Sie ausreichend Material rund um den Schlitz bereit.

• Geben Sie akzeptable Grathöhen und Maßtoleranzen an.

Ziel ist es, die erforderliche Montagefunktion zu erreichen, ohne unnötige Stanzschwierigkeiten zu verursachen.

Entscheidung 2: Kompaktes Layout mit mehreren Biegefunktionen

Die zweite Designentscheidung besteht darin, ein kompaktes Komponentenlayout beizubehalten und gleichzeitig mehrere Biegungen und geformte Laschen einzubeziehen.

Dies ist häufig bei elektrischen Geräten erforderlich, bei denen der interne Montageraum begrenzt ist.

Allerdings kann die Verringerung des Abstands zwischen einem länglichen Schlitz und benachbarten Biegelinien zu zusätzlichen Fertigungsbeschränkungen führen.

Beim Biegen erfährt das Material an der Außenfläche eine Zugverformung und an der Innenfläche eine Druckverformung.

Wenn ein Schlitz zu nah an einem Biegebereich positioniert wird, kann sich das umgebende Material verformen und die endgültige Schlitzgeometrie beeinflussen.

Zu den möglichen Folgen gehören:

• Schlitzverzerrung oder Dimensionsabweichung.

• Lokale Verformung in der Nähe der Biegung.

• Reduzierte Materialfestigkeit in schmalen Abschnitten.

• Schwierigkeiten bei der Einhaltung der Montagetoleranzen.

Bei mehreren Biegungen kommt noch ein weiterer Aspekt hinzu: die Reihenfolge, in der Umformvorgänge durchgeführt werden.

Eine ungeeignete Umformsequenz kann zu Störungen zwischen Werkstück und Werkzeug führen oder die Aufrechterhaltung einer konsistenten Teilepositionierung erschweren.

DFM-Überlegungen:

• Überprüfen Sie den Abstand zwischen den Schlitz- und Biegelinien.

• Überprüfen Sie den minimalen Innenbiegeradius.

• Bewerten Sie das Material, das zwischen benachbarten Formelementen verfügbar ist.

• Berücksichtigen Sie die Umformreihenfolge und die Zugänglichkeit des Werkzeugs.

• Überprüfen Sie die kritischen Abmessungen nach allen Biegevorgängen.

Eine kompakte Komponente ist nicht unbedingt eine besser herstellbare Komponente. Auch der verfügbare Umformraum und die Arbeitsreihenfolge müssen berücksichtigt werden.

Abbildung 1. Darstellung der Überlegungen zum Abstand zwischen Schlitz und Biegung und möglicher Schlitzverformung beim Biegen.

Entscheidung 3: Materialauswahl im Hinblick auf Festigkeit und Formbarkeit

Die dritte Designentscheidung betrifft die Materialauswahl.

Eine gestanzte Halterung muss ihre strukturellen und Montageanforderungen erfüllen. Die Auswahl eines Materials, das nur auf der Festigkeit basiert, kann jedoch zu Herausforderungen bei der Formgebung führen.

Materialstärke, Dehnung, Härte und Anisotropie beeinflussen alle die Stanzleistung.

Höherfester Stahl kann beispielsweise höhere Umformkräfte erfordern und eine ausgeprägtere Rückfederung aufweisen. Reicht die lokale Formbarkeit für die gewählte Biegegeometrie nicht aus, kann es zu Rissen kommen.

Auch die Materialauswahl beeinflusst die Stanzleistung, insbesondere wenn schmale Schlitze und kleine Formmerkmale beteiligt sind.

DFM-Überlegungen:

• Bestätigen Sie Materialqualität und -stärke.

• Überprüfen Sie die Streckgrenze und Zugfestigkeit.

• Bewerten Sie die Dehnung und Biegsamkeit.

• Berücksichtigen Sie bei kritischen Biegungen die Rollrichtung.

• Validieren Sie die Materialleistung bei Bedarf durch Umformversuche.

Das am besten geeignete Material ist nicht unbedingt das stärkste. Es ist das Material, das die funktionalen Anforderungen des Bauteils erfüllt und gleichzeitig mit dem vorgesehenen Herstellungsprozess kompatibel bleibt.

3. Was uns die technische Forschung über die Formbarkeit von Stanzteilen verrät

Der Zusammenhang zwischen Materialeigenschaften, gestanzten Kanten und Umformleistung wurde in veröffentlichten technischen Forschungsarbeiten untersucht.

In einem SAE-Fachartikel aus dem Jahr 2017 mit dem Titel „ Practical Evaluation and Prediction of Edge Cracking in Forming Advanced High Strength Steels (AHSS)“ wurden die fortschrittlichen hochfesten Stähle DP980 und TRIP780 untersucht.

Die Forscher verglichen verschiedene Methoden zur Lochaufweitungsprüfung und untersuchten den Einfluss der Lochrandvorbereitung auf die Umformbarkeit.

Für Stanzteile mit Schlitzen und Stanzöffnungen sind zwei Erkenntnisse besonders relevant:

Erkenntnis 1: Prüfmethoden können unterschiedliche Materialverhalten aufdecken.

Die Studie ergab Unterschiede im Lochausdehnungsverhältnis (HER) von bis zu 11 % zwischen DP980 und TRIP780 bei Verwendung einer 75-mm-Lochtestmethode, während der standardmäßige 10-mm-Lochtest einen Unterschied von weniger als 1 % aufwies.

Erkenntnis 2: Die Vorbereitung der Lochkanten beeinflusst die Formbarkeit.

Wasserstrahlgeschnittene Proben zeigten bei beiden getesteten Stahlsorten ein etwa doppelt so hohes Loch-Ausdehnungsverhältnis wie gestanzte Proben.

Diese Ergebnisse unterstreichen die Bedeutung des Stanzkantenzustands bei der Bewertung von Bauteilen, die einer weiteren Umformung unterzogen werden.

Obwohl die Forschung spezifische hochfeste Stähle und nicht diese spezielle Halterung untersuchte, liefern ihre Ergebnisse nützliche technische Einblicke in die Wechselwirkung zwischen Materialeigenschaften, Kantenqualität und Umformleistung.

Für einen Langschlitz gilt das gleiche Prinzip: Der Zustand der Stanzkante sollte bei der Beurteilung der späteren Verformung berücksichtigt werden.

Abbildung 2. Schematische Darstellung der Eigenschaften der gestanzten Kanten und des Einflusses der Kantenvorbereitung auf die Lochaufweitungsleistung.

4. Wie DFM Komponentengeometrie, Material und Werkzeuge verbindet

Die drei Designentscheidungen sollten nicht unabhängig voneinander überprüft werden.

Ein effektiverer Ansatz besteht darin, ihren kombinierten Einfluss auf den Herstellungsprozess zu bewerten.

Diese integrierte Überprüfung hilft, Probleme zu erkennen, bevor Änderungen an den fertigen Werkzeugen erforderlich werden.

5. DFM-Überprüfung vor der progressiven Werkzeugentwicklung

Bei Bauteilen mit länglichen Schlitzen und mehreren Formgebungsmerkmalen sollte bei der progressiven Werkzeugplanung die gesamte Fertigungssequenz berücksichtigt werden.

Abbildung 3. Konzeptionelle Folgefolge einer Stanzform für ein gestanztes Bauteil mit Schlitzen, geformten Laschen und mehreren Biegungen.

Eine typische technische Überprüfung kann Folgendes umfassen:

1. Auswertung flacher Muster

Überprüfen Sie die Schlitzposition, die Materialränder, den Merkmalsabstand und die Rohlingsgeometrie.

2. Planung des Stanzvorgangs

Bewerten Sie die Stempelabmessungen, den Matrizenabstand, die Stempelstärke und die Butzenentfernung.

3. Bildende Sequenzentwicklung

Bestimmen Sie die geeignete Reihenfolge für Biege- und Umformvorgänge und berücksichtigen Sie dabei den Zugang zum Werkzeug und mögliche Störungen.

4. Träger- und Streifenlayout-Design

Stellen Sie sicher, dass der Streifen während des fortschreitenden Prägevorgangs ausreichend Halt und Stabilität bietet.

5. Werkzeug- und Produktionsvalidierung

Überprüfen Sie bei Werkzeugversuchen kritische Abmessungen, Gratbedingungen, Biegewinkel und Teilekonsistenz.

Der tatsächliche Ablauf hängt von der Bauteilgeometrie und den Produktionsanforderungen ab. Nicht jedes gestanzte Bauteil erfordert die gleiche Anzahl an Stationen oder die gleiche Werkzeugkonfiguration.

Ziel ist es, einen praxistauglichen Herstellungsprozess zu entwickeln, der eine wiederholbare Produktion unterstützt.

6. Vom Komponentendesign bis zum Präzisionsmetallstanzen bei HAIPART

Bei HAIPART ist das Präzisionsstanzen von Metall Teil unseres umfassenderen Fokus auf Funktionskomponenten für elektrische Geräte und Schaltkreisschutzanwendungen.

Komponenten mit länglichen Schlitzen, mehreren Biegungen und geformten Laschen zeigen, warum das Stanzdesign eine Koordination zwischen Produktgeometrie, Materialauswahl und Werkzeugentwicklung erfordert.

Ein fertigungsorientierter Ansatz sollte Folgendes berücksichtigen:

• Geometrische Anforderungen: Schlitzabmessungen, Merkmalsabstände, Biegepositionen und geformte Strukturen.

• Materialeigenschaften: Dicke, Festigkeit, Duktilität und Umformverhalten.

• Überlegungen zur Werkzeugausstattung: Stempeldesign, Matrizenabstand, Formreihenfolge und progressive Matrizenanordnung.

• Produktionsanforderungen: Maßgenauigkeit, Gratkontrolle und Chargenkonsistenz.

Die gemeinsame Betrachtung dieser Faktoren hilft dabei, potenzielle Fertigungsherausforderungen vor der Massenproduktion zu erkennen.

Ein gutes Stanzdesign beginnt vor der Werkzeugentwicklung.

Entwickeln Sie eine präzisionsgestanzte Metallkomponente für eine elektrische Anwendung?

Kontaktieren Sie HAIPART, um Ihre Bauteilzeichnungen, Materialspezifikationen und Fertigungsanforderungen zu besprechen.

Häufig gestellte Fragen

1. Was ist bei der Gestaltung eines länglichen Schlitzes zum Metallstanzen zu beachten?

Die Schlitzbreite, die Länge, der Endradius, die Materialstärke, die Stempelstärke und der Matrizenabstand sollten alle bewertet werden. Die schmale Abmessung ist besonders wichtig bei der Prüfung der Stempelhaltbarkeit.

2. Kann ein gestanzter Schlitz nahe einer Biegelinie positioniert werden?

Dies hängt vom Material, den Schlitzabmessungen, dem Biegeradius und der Umformreihenfolge ab. Ein unzureichender Abstand kann beim Biegen zu Schlitzverzerrungen oder lokalen Verformungen führen.

3. Warum ist die Materialauswahl beim Präzisionsstanzen von Metall wichtig?

Materialeigenschaften wirken sich auf Durchstanzbelastungen, Biegsamkeit, Rückfederung und Rissrisiko aus. Die Materialstärke sollte zusammen mit den Dehnungs- und Formungsanforderungen berücksichtigt werden.

4. Warum ist die Umformreihenfolge für mehrfach gebogene Stanzteile wichtig?

Die Reihenfolge der Umformvorgänge beeinflusst den Werkzeugzugang, die Werkstückpositionierung und mögliche Störungen. Eine geeignete Reihenfolge trägt zur Aufrechterhaltung der Maßhaltigkeit und Produktionsstabilität bei.

5. Wann sollte DFM durchgeführt werden?

DFM sollte idealerweise in der Phase des Komponentendesigns beginnen, vor der progressiven Werkzeugentwicklung. Dadurch können Geometrie-, Material- und Werkzeuganforderungen gemeinsam überprüft werden.

Referenzen

1. Kim, H., Shang, J., Dykeman, J., Samant, A. und Hoschouer, C. (2017). Praktische Bewertung und Vorhersage von Kantenrissen bei der Umformung hochfester Stähle (AHSS). SAE-Technisches Papier 2017-01-0308. DOI: 10.4271/2017-01-0308.

2. Dayton Lamina. Geburt eines Lochs – Grundlagen des Perforierens.

3. ASM International. ASM-Handbuch, Band 14B: Metallbearbeitung: Blechumformung.