Umformtechnik – Grundlagen, Verfahren, Anwendungen und Zukunftsperspektiven

Einleitung

Die Umformtechnik ist eine der wichtigsten Säulen der modernen Fertigungstechnik. Sie ermöglicht die Herstellung komplexer Bauteile mit hoher Maßgenauigkeit, Festigkeit und Wirtschaftlichkeit. Ob in der Automobilindustrie, im Maschinenbau, in der Luftfahrttechnik oder in der Elektroindustrie – überall, wo metallische oder nichtmetallische Werkstoffe in Form gebracht werden müssen, spielt die Umformtechnik eine entscheidende Rolle.

Im Gegensatz zu spanenden Verfahren, bei denen Material durch Schneiden oder Fräsen entfernt wird, basiert die Umformtechnik auf dem Prinzip der plastischen Verformung. Das bedeutet, dass der Werkstoff seine Masse und sein Volumen beibehält, aber durch äußere Kräfte gezielt in eine neue Form gebracht wird. Dadurch entsteht kaum Abfall, und die Struktur des Werkstoffes bleibt weitgehend erhalten – was zu einer hervorragenden Festigkeit und Qualität der Produkte führt.

Dieser Artikel behandelt umfassend die Grundlagen, Verfahren, Werkstoffe, Maschinen, Qualitätsaspekte, wirtschaftliche Bedeutung sowie die Zukunft der Umformtechnik.

1. Grundlagen der Umformtechnik

1.1 Definition

Die Umformtechnik umfasst alle Fertigungsverfahren, bei denen ein fester Körper durch plastische Verformung seine Form verändert, ohne dass Material hinzugefügt oder abgetragen wird. Das Verfahren nutzt mechanische Kräfte, die die Elastizitätsgrenze des Werkstoffs überschreiten, sodass dieser bleibend verformt wird.

Nach der DIN 8580 gehört die Umformtechnik zur Hauptgruppe der Fertigungsverfahren, die in „Urformen“, „Umformen“, „Trennen“, „Fügen“, „Beschichten“ und „Stoffeigenschaften ändern“ unterteilt wird.

1.2 Prinzip der Umformung

Beim Umformen wird ein Werkstoff – meist Metall – durch äußeren Druck, Zug oder Schub in eine neue Geometrie gebracht. Entscheidend ist, dass das Volumen während der Umformung konstant bleibt.

Grundlegende physikalische Größen sind:

Spannung (σ): Kraft pro Fläche
Dehnung (ε): Maß für die Längenänderung
Fließspannung: Materialeigenschaft, die beschreibt, ab welcher Belastung das Material zu fließen beginnt

Je nach Temperatur unterscheidet man:

Kaltumformung (unterhalb der Rekristallisationstemperatur)
Warmumformung (oberhalb der Rekristallisationstemperatur)
Halbwarmumformung (zwischen beiden Bereichen)

2. Einteilung der Umformverfahren

Die Umformtechnik wird nach der Art der Beanspruchung klassifiziert. Nach DIN 8582 ergeben sich folgende Hauptgruppen:

2.1 Druckumformen

Hier wirken hauptsächlich Druckkräfte auf das Werkstück.
Typische Verfahren:

Schmieden
Walzen
Gesenkschmieden
Fließpressen

2.2 Zugdruckumformen

Kombination aus Zug- und Druckbeanspruchung, häufig bei Blechen:

Tiefziehen
Drücken
Streckziehen

2.3 Zugumformen

Reine Zugbeanspruchung, typisch bei Draht- und Rohrherstellung:

Drahtziehen
Rohrausziehen

2.4 Biegeumformen

Hier entstehen durch Biegemomente Formänderungen:

Abkanten
Rundbiegen
Profilbiegen

2.5 Schubumformen

Beanspruchung durch Schubspannungen:

Verdrillen
Torsionsumformen

3. Hauptverfahren der Umformtechnik im Detail

3.1 Schmieden

Beim Schmieden wird Metall unter hoher Temperatur und Kraft plastisch verformt.
Arten:

Freiformschmieden: Formänderung ohne feste Form, flexibel für große Werkstücke
Gesenkformen: Material wird in eine vorgegebene Matrize gedrückt

Vorteile:

Hohe Festigkeit durch gerichteten Faserverlauf
Geringe Porosität
Gute Materialausnutzung

Anwendungsbeispiele:
Kurbelwellen, Achsen, Zahnräder, Werkzeuge, Ventile

3.2 Walzen

Das Walzen ist eines der ältesten und effizientesten Umformverfahren. Dabei wird Material zwischen rotierenden Walzen hindurchgeführt.

Arten:

Längswalzen: Reduktion der Dicke, Erhöhung der Länge
Querwalzen: Erzeugung rotationssymmetrischer Teile
Schrägwalzen: Herstellung von Rohlingen und Rohren

Anwendung:
Herstellung von Blechen, Drähten, Profilen und Trägern

3.3 Tiefziehen

Beim Tiefziehen wird ein flaches Blech durch eine Matrize in eine Vertiefung gezogen, um Hohlkörper zu erzeugen.

Wichtige Faktoren:

Ziehverhältnis
Reibung
Ziehradius
Blechdicke

Beispiele:
Getränkedosen, Karosserieteile, Spülbecken, Gehäuse

3.4 Biegen

Das Biegen ist eine der häufigsten Formen der Umformung. Dabei wird das Werkstück durch Biegemomente dauerhaft verformt.

Verfahren:

Luftbiegen
Gesenkbiegen
Rollbiegen
Rohrbiegen

Vorteile:

Präzise Formgebung
Keine Spanbildung
Hohe Wiederholgenauigkeit

3.5 Fließpressen

Beim Fließpressen wird Material durch eine Matrize gedrückt, wobei es fließt und in eine neue Form gebracht wird.

Varianten:

Vorwärtsfließpressen: Werkstoff fließt in Richtung des Stempels
Rückwärtsfließpressen: Flussrichtung entgegengesetzt
Querfließpressen: Flussrichtung seitlich

Produkte:
Bolzen, Zahnräder, Hülsen, Hohlkörper

4. Werkstoffe in der Umformtechnik

Die Wahl des Werkstoffs ist entscheidend für die Verformbarkeit, Festigkeit und Wirtschaftlichkeit.

4.1 Metalle

Stähle: Hohe Festigkeit, gute Warmumformbarkeit
Aluminium: Leicht, korrosionsbeständig, hervorragend tiefziehbar
Kupfer: Hervorragende Leitfähigkeit, gute Umformbarkeit
Titan: Leicht und fest, schwer umzuformen – bevorzugt in der Luftfahrt

4.2 Kunststoffe

Thermoplaste können bei Hitze plastisch verformt werden, z. B. PVC, PE, PP, ABS.
Diese Verfahren ähneln der Metallumformung, erfordern aber andere Werkzeuge und Temperaturen.

4.3 Verbundwerkstoffe

Kombination aus unterschiedlichen Materialien, etwa CFK (kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff), erfordert spezielle Umformtechniken.

5. Maschinen und Anlagen in der Umformtechnik

5.1 Pressen

Pressen sind zentrale Maschinen der Umformtechnik.
Typen:

Mechanische Pressen: Hohe Geschwindigkeit, geeignet für Serienfertigung
Hydraulische Pressen: Gleichmäßige Kraftverteilung, ideal für große Teile
Servopressen: Präzise Steuerung, energieeffizient

5.2 Walzwerke

Mehrstufige Anlagen zum Walzen von Blechen und Profilen.

5.3 Ziehmaschinen

Erzeugen Drähte, Rohre oder Hohlkörper durch kontrolliertes Ziehen.

5.4 Biegemaschinen

Automatisierte CNC-gesteuerte Systeme für präzises Biegen komplexer Geometrien.

5.5 Werkzeuge

Werkzeuge müssen hohen Belastungen standhalten, daher kommen Werkzeugstähle, Hartmetalle oder Keramiken zum Einsatz.

6. Vorteile der Umformtechnik

Hohe Materialausnutzung – kaum Abfall oder Verschnitt
Hohe Festigkeit – durch Kaltverfestigung und günstigen Faserverlauf
Wirtschaftlichkeit – besonders bei Großserien
Vielfältige Geometrien – komplexe Formen realisierbar
Gute Maßhaltigkeit – präzise und reproduzierbar
Nachhaltigkeit – geringe Energieverluste im Vergleich zu Gießverfahren

7. Nachteile und Herausforderungen

Hohe Werkzeug- und Anlagenkosten bei Kleinserien
Werkzeugverschleiß durch hohe Druck- und Reibungskräfte
Komplexe Prozesssteuerung notwendig
Begrenzte Umformbarkeit bestimmter Werkstoffe
Hoher Energieaufwand bei Warmumformung

8. Qualitätsmanagement in der Umformtechnik

Die Qualität von Umformteilen hängt von zahlreichen Faktoren ab.
Moderne Fertigungsbetriebe setzen auf kontinuierliche Qualitätskontrolle mit digitalen Messsystemen:

3D-Messmaschinen zur Maßprüfung
Ultraschall- und Röntgenprüfungen für innere Fehler
Oberflächeninspektion zur Erkennung von Rissen
Inline-Monitoring während des Prozesses

Durch Datenanalyse und KI-gestützte Überwachung können Abweichungen frühzeitig erkannt und korrigiert werden.

9. Digitalisierung und Industrie 4.0 in der Umformtechnik

Die Industrie 4.0 revolutioniert auch die Umformtechnik.

Wichtige Entwicklungen:

Digitale Zwillinge: Virtuelle Nachbildung von Werkzeugen und Prozessen
Sensorik und Datenanalyse: Erfassung von Temperatur, Druck, Verschleiß
Künstliche Intelligenz: Optimierung der Prozessparameter in Echtzeit
Additive Fertigung kombiniert mit Umformen: Herstellung hybrider Komponenten

Diese Technologien führen zu höherer Effizienz, besserer Qualität und niedrigeren Kosten.

10. Nachhaltigkeit in der Umformtechnik

Umweltfreundliche Produktion ist heute ein Muss.
Nachhaltige Ansätze in der Umformtechnik umfassen:

Energieeffiziente Pressen und Antriebe
Recyclingfähige Materialien
Reduktion von Schmierstoffen durch Trockenumformung
Wärmerückgewinnungssysteme

Durch optimierte Prozesse können Energieverbrauch und CO₂-Ausstoß erheblich reduziert werden.

11. Wirtschaftliche Bedeutung der Umformtechnik

Die Umformtechnik ist ein entscheidender Wirtschaftsfaktor – insbesondere in Deutschland, wo sie in der Automobil-, Maschinenbau- und Luftfahrtindustrie eine Schlüsselfunktion erfüllt.
Mehr als 40 % aller Metallteile in industriellen Produkten werden durch Umformverfahren hergestellt.

Unternehmen profitieren von:

Hoher Produktivität
Geringeren Stückkosten
Exzellenter Qualität und Wiederholbarkeit

12. Zukunft der Umformtechnik

Die Zukunft ist geprägt von Automatisierung, Digitalisierung, Nachhaltigkeit und Leichtbau.
Künftige Trends:

Smart Factories: Vollautomatisierte Produktionslinien mit selbstlernenden Maschinen
Neue Werkstoffe: Umformung von Magnesium, Titan und Faserverbundstoffen
Hybride Verfahren: Kombination von Umformung und additiver Fertigung
Vernetzte Produktion: Echtzeitüberwachung über das Industrial Internet of Things (IIoT)

Die Umformtechnik wird somit noch effizienter, präziser und ressourcenschonender.

Fazit

Die Umformtechnik ist und bleibt eine der tragenden Säulen der industriellen Fertigung. Sie vereint ökonomische Effizienz, technische Präzision und Nachhaltigkeit in einem einzigen Prozessprinzip.

Ob beim Schmieden einer Kurbelwelle, beim Tiefziehen einer Karosserie oder beim Walzen eines Stahlblechs – die Umformtechnik ist überall präsent. Sie ermöglicht die Produktion von Hochleistungsbauteilen, die unseren Alltag prägen – von Autos über Flugzeuge bis hin zu Haushaltsgeräten.

Mit dem Einzug von Industrie 4.0, künstlicher Intelligenz und digitalen Zwillingen steht die Branche an der Schwelle zu einer neuen Ära: einer Fertigung, die intelligenter, effizienter und nachhaltiger ist als je zuvor.

Die Zukunft der Umformtechnik liegt in der Verbindung von Tradition und Innovation – einem Zusammenspiel aus jahrzehntelangem Know-how und modernster Technologie.