Das Fraunhofer IWU zeigt mit dem Projekt smartROLL, dass Präzisionsbauteile auch ohne große Pressen gefertigt werden können. Hohlprägewalzen verspricht bis zu 70 Prozent geringere Kosten – bei gleicher Qualität und digital überwachtem Prozess.
Redaktion ProduktionRedaktionProduktion
Wärmetauscher für Rechenzentren: Für die Herstellung der Kühlrippen könnte auch das Hohlprägewalzverfahren eingesetzt werden.iStock - Vorasate
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Summary: Das Projekt smartROLL unter Leitung des Fraunhofer IWU zeigt, dass sich komplexe Präzisionsbauteile mit dem Hohlprägewalzen deutlich kostengünstiger herstellen lassen als mit klassischen Pressverfahren. Durch den Linienkontakt der Walze werden geringere Umformkräfte benötigt, wodurch Anlagen- und Werkzeugkosten erheblich sinken können. Gleichzeitig sorgen Sensorik, Datenfusion und maschinelles Lernen für eine inlinefähige Prozessüberwachung und adaptive Regelung, die eine gleichbleibend hohe Bauteilqualität ermöglicht.
Große Pressanlagen gelten in der industriellen Umformtechnik seit Jahrzehnten als Standard, wenn komplexe Metallbauteile präzise gefertigt werden sollen. Doch Pressen benötigen viel Platz, hohe Umformkräfte und teure Werkzeuge. Das Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU arbeitet gemeinsam mit Partnern daran, diese etablierte Logik zu hinterfragen.
Im Forschungsprojekt smartROLL verfolgen die Beteiligten das Ziel, Präzisionsbauteile künftig mithilfe des Hohlprägewalzens herzustellen – und damit deutlich wirtschaftlicher. Bauteile wie Wärmetauscherplatten für Rechenzentren, Kühlplatten für Leistungselektronik oder Steckerelemente in der Automobilindustrie könnten so laut Projektteam bis zu 70 Prozent günstiger produziert werden – ohne Einbußen bei der Qualität.
Der zentrale Unterschied zwischen Pressen und Walzen liegt in der Art des Kontakts mit dem Werkstück. Während ein Presswerkzeug das Material großflächig verformt, arbeitet eine Walze mit einem linienförmigen Kontakt. Dadurch sinken die erforderlichen Umformkräfte erheblich. Gleichzeitig lassen sich die Anlagen kompakter gestalten und die Werkzeuge kostengünstiger herstellen. Nach Angaben der Projektpartner liegen die Kosten für Walzwerkzeuge bei etwa 40 bis 50 Prozent eines klassischen Umformwerkzeugs. Auch der Platzbedarf der Anlagen fällt deutlich geringer aus – ein zusätzlicher wirtschaftlicher Vorteil. Entscheidend ist allerdings, dass die Präzision der Bauteile den hohen Anforderungen der industriellen Serienfertigung entspricht. Genau hier setzt das Projekt smartROLL an.
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Inline-Überwachung für stabile Prozesse
Ein Schwerpunkt des Projekts ist die Entwicklung eines Systems zur wirkstellennahen und inlinefähigen Prozessüberwachung. Ziel ist es, sämtliche relevanten Zustands- und Prozessgrößen während des Walzprozesses kontinuierlich zu erfassen, auszuwerten und zu bewerten. Dafür werden verschiedene Sensorquellen miteinander kombiniert. Dazu gehören beispielsweise nachgerüstete Sensoren in der Maschine, etwa Dehnungssensoren an Walzenlagerungen, ebenso wie Sensoren direkt im Walzwerkzeug, beispielsweise für Drehwinkel, Beschleunigung oder Kräfte. Ergänzt wird diese Sensorik durch bereits vorhandene Messsysteme, etwa zur Erfassung von Drehmoment oder Drehwinkel. Erst durch die systematische Zusammenführung dieser Daten entsteht ein umfassendes Bild des Maschinen- und Prozesszustands.
Datenfusion und maschinelles Lernen
Kontinuierliche Fertigung im Hohlprägewalzverfahren: hochpräzise, hochratenfähig und energieeffizient.Fraunhofer IWU
Auch die Metallteile von Automotive-Steckern kommen für dieses Fertigungsverfahren infrage.Fraunhofer IWU
Die Herausforderung besteht darin, zahlreiche Sensordaten sinnvoll miteinander zu verknüpfen. Im Projekt smartROLL kommen Datenfusionsmethoden zum Einsatz, die heterogene Informationen aus verschiedenen Quellen zusammenführen und gemeinsam auswerten. Um Prozessabweichungen eindeutig identifizieren zu können, werden die Wirkmechanismen des Hohlprägewalzens sowie Eigenschaften von Maschine und Werkzeug in mathematische Modelle überführt. Diese Modelle bilden die Grundlage eines Diagnosesystems, das auf Methoden des maschinellen Lernens, etwa Support Vector Machines, basiert. Es kann Anomalien in den Sensordaten erkennen und sie konkreten Ereignissen zuordnen – etwa Werkzeugverschleiß, Prozessinstabilitäten oder Qualitätsabweichungen im Bauteil.
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Digitaler Zwilling für adaptive Prozessregelung
Die entwickelten Modelle und Auswertealgorithmen werden in die Maschinensteuerung der Versuchsanlage integriert und dort echtzeitfähig ausgeführt. Dadurch entsteht ein digitaler Zwilling des Walzprozesses, der den Zustand von Maschine, Werkzeug und Prozess kontinuierlich abbildet. Auf dieser Grundlage lässt sich eine adaptive Prozessregelung realisieren. Erkennt das System Schwankungen in Prozess-, Maschinen- oder Qualitätsparametern, können die relevanten Stellgrößen automatisch angepasst werden. Diese Anpassungen erfolgen innerhalb einer geschlossenen Regelschleife und tragen dazu bei, die Bauteilqualität zu stabilisieren sowie die Gesamtanlageneffektivität zu erhöhen.
Anwendung in der Wasserstofftechnologie
Bipolarplatten für Elektrolyseure und Brennstoffzellen gelten als Kernelemente von Wasserstoffsystemen und haben großen Einfluss auf deren Wirkungsgrad. In der Referenzfabrik.H2 haben das Fraunhofer IWU und seine Partner gezeigt, dass sich Bipolarplatten mithilfe des Hohlprägewalzens grundsätzlich für die Großserie fertigen lassen. Im Projekt smartROLL geht es darum, die Prozessstabilität und Produktqualität weiter zu verbessern.
Neue Perspektiven für die industrielle Umformtechnik
Gelingt es, die Technologie in der industriellen Praxis zu etablieren, könnte das Hohlprägewalzen die Herstellung vieler Präzisionsbauteile grundlegend verändern. Die Kombination aus mechanischer Innovation, intelligenter Sensorik und datenbasierter Prozessregelung eröffnet neue Möglichkeiten für eine effizientere Fertigung. Besonders Branchen mit hohen Stückzahlen und anspruchsvollen Bauteilgeometrien – etwa Wasserstofftechnologie, Leistungselektronik oder Rechenzentrumstechnik – könnten von der Technologie profitieren. Damit zeigt smartROLL, dass die Zukunft der Umformtechnik nicht nur in neuen Maschinenkonzepten liegt, sondern vor allem in der intelligenten Verknüpfung von Produktionstechnik und digitaler Prozessanalyse.
Quelle: Fraunhofer IWU
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FAQ zum Hohlprägewalzen und zum Projekt smartROLL
1. Was ist Hohlprägewalzen?
Hohlprägewalzen ist ein Umformverfahren, bei dem Metallbauteile mithilfe von Walzen statt mit Presswerkzeugen geformt werden. Dabei wirkt die Walze nur mit einem Linienkontakt auf das Material, wodurch geringere Umformkräfte erforderlich sind.
2. Welche Vorteile hat das Hohlprägewalzen gegenüber Pressverfahren?
Das Verfahren benötigt deutlich geringere Umformkräfte, kompaktere Anlagen und kostengünstigere Werkzeuge. Dadurch können Produktionskosten um bis zu 70 Prozent reduziert werden.
3. Welche Rolle spielt das Projekt smartROLL?
Im Forschungsprojekt smartROLL entwickeln das Fraunhofer IWU und seine Partner ein System zur digitalen Prozessüberwachung und -regelung, um das Hohlprägewalzen für hochpräzise Serienfertigung nutzbar zu machen.
4. Wie wird die Qualität der Bauteile beim Walzen sichergestellt?
Durch Sensorik in Maschine und Werkzeug werden Prozessdaten kontinuierlich erfasst. Diese Daten werden mithilfe von Datenfusion und maschinellem Lernen analysiert, um Abweichungen frühzeitig zu erkennen und den Prozess automatisch anzupassen.
5. Was ist ein digitaler Zwilling im Walzprozess?
Ein digitaler Zwilling ist ein virtuelles Modell der Maschine und des Prozesses. Es verarbeitet Sensordaten in Echtzeit und ermöglicht eine adaptive Prozessregelung zur Stabilisierung der Bauteilqualität.
6. Für welche Bauteile eignet sich das Hohlprägewalzen besonders?
Das Verfahren eignet sich für komplexe Präzisionsbauteile wie Wärmetauscherplatten für Rechenzentren, Kühlplatten für Leistungselektronik, Steckerelemente in der Automobilindustrie oder Bipolarplatten für Wasserstoffsysteme.
7. Warum sind Bipolarplatten ein wichtiger Demonstrator?
Bipolarplatten sind zentrale Komponenten von Elektrolyseuren und Brennstoffzellen. Ihre Fertigungsqualität beeinflusst maßgeblich die Effizienz von Wasserstoffsystemen und eignet sich daher gut, um die Leistungsfähigkeit des Verfahrens zu demonstrieren.
