Das Präzisions-Metallstanzen ist eine der am häufigsten eingesetzten Metallbearbeitungstechniken, die von verschiedenen Branchen genutzt wird, um Blech in maßgeschneiderte Bauteile zu verwandeln.
Das Progressiv-Metallstanzen verwendet ein Werkzeug, das als Progressiv-Matrize bezeichnet wird und mehrere Stanzstationen integriert, um gleichzeitig verschiedene Arbeitsschritte an einem Blechstreifen durchzuführen. Ein Zuführsystem wickelt den Streifen von der Spule ab, der dann durch die einzelnen Arbeitsstationen der Matrize geführt wird, bis das Endteil gefertigt ist.
Da bei diesem Prozess eine Vielzahl von Materialien und Techniken zum Einsatz kommt, ist es unerlässlich, alle Einflussfaktoren zu berücksichtigen und die verfügbaren Optionen vollständig zu verstehen, bevor man beginnt.
Ein Bericht von Research and Markets prognostiziert, dass der globale Markt für Metallstanzen bis 2027 auf 250 Milliarden US-Dollar anwachsen wird. Mit der steigenden Nachfrage sowie neuen Werkzeugen und Materialien für das Präzisionsstanzen muss sich die Branche anpassen, um diesen Anforderungen gerecht zu werden. Moderne Walztechniken sind fortschrittlicher als herkömmliche Handverfahren, dennoch stehen Hersteller während der Produktion weiterhin wiederkehrenden Problemen gegenüber.
Ein häufiges Problem ist das Auftreten von Rissen im Metall, das typischerweise an den Kanten während des Warm- und Kaltwalzens auftritt. Dies kann auf ungleichmäßige Erwärmung oder Walzung zurückzuführen sein, aber auch andere metallurgische Faktoren sollten berücksichtigt werden.
Austenitischer rostfreier Stahl ist ein metastabiler Werkstoff, der bei Verformung eine martensitische Phase ausbilden kann. Austenitischer Edelstahl weist außerdem einen hohen Kaltverfestigungsindex auf (0,34 % für SS). Die Martensitphase ist spröde und neigt zu Rissbildung.
Während der plastischen Verformung nimmt mit zunehmender Dehnung der Martensitgehalt zu, ebenso wie die Eigenspannungen. Je stärker die Beziehung zwischen Martensitgehalt und Eigenspannung ausgeprägt ist, desto höher ist das Risiko von Rissen während der Verarbeitung.
Wie bei den meisten Herausforderungen im Präzisions-Metallstanzen besteht der effektivste Ansatz zur Vermeidung von Rissbildungen darin, die eigentliche Ursache zu ermitteln und gezielt zu beheben. Die Zusammenarbeit mit einem Präzisions-Umwalzwerk mit metallurgischer Expertise kann Stanzern maßgeblich dabei helfen, die Ursachen zu analysieren und diese Probleme zu lösen.
Für das Präzisions-Metallstanzen können verschiedene Metalle eingesetzt werden. Allerdings eignen sich bestimmte Verfahren und Metallsorten besser für das Präzisionsstanzen oder sind für spezifische Anwendungsbereiche geeigneter.
Warmgewalzter Stahl wird nach dem Walzvorgang bei hohen Temperaturen schnell abgekühlt, was zu einer raueren Oberfläche führt. Für Anwendungen, die engere Maßtoleranzen und höhere Präzision erfordern, wird das Blech bei Raumtemperatur mit Kaltfertigungsverfahren weiterbearbeitet.
Durch die mechanische Beanspruchung beim Kaltwalzen wird die Kristallstruktur des Metalls dauerhaft verändert. Dadurch erhöht sich die Festigkeit und in der Regel auch die Korrosionsbeständigkeit.
Eine kaltgewalzte Edelstahlspule kann präzise gefertigt werden, sodass das Metall innerhalb äußerst enger Toleranzen bearbeitet werden kann. Beim Präzisionsstanzen selbst werden Stanzwerkzeuge eingesetzt, um das Metall zu formen – dieser Vorgang erfolgt in der Regel bei Raumtemperatur und zählt daher zu den Kaltprozessen.
Im Vergleich zu warmgewalztem Stahl weist kaltgewalzter Stahl Eigenschaften auf, die ihn für die wachsenden Anforderungen des Präzisions-Metallstanzens besonders geeignet machen. Dazu gehören:
Bei der Auswahl des Metalls sollten die jeweiligen Vor- und Nachteile sowie die Anforderungen an das Bauteil sorgfältig abgewogen werden. So ist Aluminium weicher und leichter als Edelstahl und ein guter elektrischer Leiter, während Edelstahl deutlich höhere Temperaturen und korrosivere Umgebungen aushält.
Titan hingegen ist leicht, dabei aber deutlich stärker und langlebiger als Aluminium. Dadurch eignet sich Titan besonders für die Luft- und Raumfahrt, das Militär und die Verteidigung, wo ein hohes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht erforderlich ist.
Titan ist zudem korrosionsbeständig und auch für medizinische Implantate im menschlichen Körper geeignet. Letztlich gilt es, die Legierung und deren Eigenschaften optimal auf die Anforderungen der jeweiligen Anwendung abzustimmen.
Zu den wichtigsten Faktoren bei der Materialauswahl für das Präzisions-Metallstanzen zählen die Duktilität und Umformbarkeit, die Zugfestigkeit, die Zerspanbarkeit und die Kaltverfestigungsrate eines Metalls.
Das Umformen erfolgt in einem Bereich zwischen der Streckgrenze und der Zugfestigkeit des Werkstoffs. Wird die Streckgrenze nicht überschritten, findet keine Umformung statt. Ein Überschreiten der Zugfestigkeit führt wiederum zum Bruch des Materials. Insbesondere bei hochfesten Werkstoffen ist dieses Fenster sehr klein.
Die Korngröße eines Materials wird oft als Indikator für die Umformbarkeit herangezogen; eine gleichmäßige Korngröße ist für Umformprozesse besonders wünschenswert. Die Korngröße kann im Umwalzwerk durch genaue Kontrolle der Temperatur des Glühofens und der Geschwindigkeit des Bandlaufs sehr präzise eingestellt werden.
Die Zugfestigkeit gibt an, welche Kraft ein Material aushalten kann, ohne zu brechen. Einige Metalle sind von Natur aus stärker als andere; die Festigkeit hängt von den Legierungselementen ab. Es ist wichtig, die Zugfestigkeit des gewählten Metalls zu berücksichtigen, damit es den Belastungen während Herstellung und Anwendung standhält.
Die Zerspanbarkeit beschreibt, wie einfach sich ein Material bearbeiten oder formen lässt. Eigenschaften, die die Leistungsfähigkeit eines Werkstoffs erhöhen, reduzieren oft seine Zerspanbarkeit. Hersteller sollten daher die Bearbeitbarkeit des Metalls nach Berücksichtigung aller wichtigen Bauteilanforderungen in die Auswahl einfließen lassen.
Ein gut zerspanbarer Werkstoff lässt sich leicht bearbeiten und sorgt für eine hochwertige Oberfläche, was die Kosten senkt. Dennoch muss das Material in erster Linie die Anforderungen des Bauteils erfüllen – die Zerspanbarkeit allein sollte nicht ausschlaggebend sein.
Beim Umformen oder Stanzen verändert sich das Gefüge des Metalls: Das Material wird härter oder spröder. Die Geschwindigkeit dieser Veränderung bezeichnet man als Kaltverfestigung. Je nachdem, wie stark das Metall verformt und wie intensiv es bearbeitet wird, kann ein Zwischenglühen erforderlich sein, um die Materialeigenschaften wiederherzustellen und Risse oder andere Defekte zu vermeiden.
Beim Präzisions-Metallstanzen werden verschiedene Umformverfahren eingesetzt, um Bauteile aus Metallen und Metalllegierungen herzustellen. Das Verfahren ist äußerst vielseitig und ermöglicht die Fertigung komplizierter und filigraner Komponenten mit hoher Präzision und Wiederholgenauigkeit.
Tiefgezogene Bauteile sind besonders robust, da das Metall beim Umformprozess extremen Kompressionsbelastungen ausgesetzt wird. Die Grundstruktur tiefgezogener Metalle ist meist stark verdichtet und weist eine äußerst harte Kristallstruktur auf.
Ein praxisorientierter Leitfaden hilft Herstellern, die optimalen Materialien und Verfahren auszuwählen.
Nachfolgend eine Liste der gängigsten Umformverfahren beim Präzisions-Metallstanzen:
Die Zusammenarbeit von Ingenieuren aus dem Stanzbereich und von Präzisions-Umwalzwerken ist besonders im Rahmen der Entwicklung neuer Produkte und Prozesse äußerst wertvoll.
