Stanzen ist ein Kaltumformungsverfahren, aber das bedeutet nicht, dass Wärme keine Rolle spielt. Bei jedem Pressenhub wird Energie als Hitze frei, und diese Wärme verursacht interne Spannungen, die die Maßhaltigkeit, die Lebensdauer des Werkzeugs und die mechanischen Eigenschaften des Endprodukts beeinflussen. In diesem Artikel erklären wir, wie thermische Spannungen beim Stanzen entstehen, welche Faktoren sie verstärken und wie Sie sie kontrollieren.

Was thermische Spannung beim Stanzen bedeutet

Fließpressen ist ein Kaltumformverfahren, bei dem Metall ohne externe Wärmequelle in eine Matrize gepresst wird. Dennoch entsteht Hitze, und diese Hitze spielt eine größere Rolle, als viele Hersteller erwarten. Bei jedem Pressenhub verformt sich das Material plastisch, und ein Teil der benötigten Energie wird als Wärme freigesetzt. Dieses Phänomen ist untrennbar mit jedem Metallbearbeitungsverfahren mit einer Stempelpresse und verdient daher gezielte Aufmerksamkeit.

Je härter das Material, desto größer der Widerstand und desto mehr Wärme wird lokal freigesetzt. Bei hochfesten Materialien wie martensitischem nichtrostendem Stahl oder kaltgewalztem Baustahl sieht man diesen Effekt am stärksten. Die Temperatur im Material steigt lokal an, und danach kühlt das Bauteil schnell ab. Diese schnelle Abkühlung erzeugt interne Spannungsunterschiede, die sogenannten thermischen Eigenspannungen.

Ein konkretes Beispiel: Beim Stanzen einer Befestigungsklemme aus 1,5 mm kaltgewalztem Stahl mit einer hohen Hubfrequenz baut der Streifen schrittweise Wärme auf. Die Teile oben auf dem Stapel kühlen langsamer ab als die Teile, die direkt auf dem kühlen Produktionstisch liegen. Das Resultat sind subtile Maßabweichungen zwischen dem ersten und dem fünfhundertsten Bauteil im Lauf.

Warum die Schlagfrequenz die Spannung verstärkt

Die Geschwindigkeit der Presse bestimmt mit, wie schnell sich Wärme ansammelt. Bei einer niedrigen Hubfrequenz hat das Material mehr Zeit, Wärme über das Band und das Werkzeug abzuführen. Bei einer hohen Hubfrequenz staut sich die Wärme, bevor eine Abführung stattfindet.

Dies gilt insbesondere beim progressiven Stanzen mit hohen Produktionsgeschwindigkeiten. Angenommen, Sie verarbeiten einen Kupferkontaktstreifen mit einer Hubfrequenz von 400 Hüben pro Minute. Kupfer leitet Wärme gut, was von Vorteil ist. Aber bei weniger leitfähigen Materialien wie rostfreiem Stahl oder bestimmten Aluminiumlegierungen steigt die Temperatur im Werkzeug und im Streifen schnell an.

Bei Eurotechniek berücksichtigen wir beim Einrichten eines neuen Werkzeugs die optimale Hubfrequenz für das spezifische Material. Das ist keine Annahme, sondern ein Ergebnis von Messdaten aus früheren Durchläufen mit vergleichbaren Materialien und Geometrien. Zu schnell zu produzieren spart keine Zeit, wenn man hinterher Ausschuss oder Korrekturen hat.

Die Rolle des Werkzeugs bei der Bewältigung von Spannungen

Das Werkzeug selbst hat großen Einfluss darauf, wie thermische Spannung sich entwickelt und ausbreitet. Eine Matrize, die schlecht kühlt oder Wärme ungleichmäßig abführt, verstärkt das Problem. Die Kontaktzone zwischen dem Material und der Stempelseite ist der kritische Punkt, denn dort findet die plastische Verformung statt und dort konzentriert sich die Wärme.

Werkzeuge mit einer guten Oberflächengüte und der richtigen Beschichtung reduzieren die Reibung und damit auch die Wärmeentwicklung. Eine TiN-Beschichtung oder eine vergleichbare Hartstoffbeschichtung senkt den Reibungskoeffizienten und schützt gleichzeitig die Stempelkante vor vorzeitigem Verschleiß. Das hat einen doppelten Vorteil: geringere Wärmeentwicklung und längere Werkzeugstandzeit.

Bei komplexen Geometrien, wie Bauteilen mit tiefen Ziehteilen oder scharfen Biegungen, konzentriert sich die Verformung auf kleine Zonen. Diese Zonen erwärmen sich am schnellsten. Im Design des Werkzeugs berücksichtigt man dies, indem man die Radien an diesen Positionen bewusst etwas größer wählt als die minimale Zeichnungsanforderung. Das streut die Verformung über eine größere Oberfläche und senkt die Spitzentemperatur lokal.

Schmierung als aktives Steuerungsinstrument

Schmierung ist bei vielen Stanzprozessen Standard, aber die Auswahl und Anwendung des Schmiermittels bestimmen, wie effektiv der thermische Effekt begrenzt wird. Ein gutes Schmiermittel verringert die Reibung, kühlt die Kontaktoberfläche und verhindert, dass das Material an der Stempelseite klebt.

Der Schmierfilm muss homogen sein. Wenn der Film an bestimmten Stellen zu dünn ist, steigt die Reibung lokal an und es entsteht ein Hotspot im Werkzeug. Wenn der Film zu dick ist, beeinflusst er die Maßgenauigkeit der gestanzten Geometrie. Die richtige Viskosität hängt von der Materialart, der Hubfrequenz und der Geometrie des Teils ab.

Wir betrachten bei Eurotechniek pro Projekt die passende Schmierspezifikation. Bei einem Kunden in der Automobilbranche stanzten wir Zugteile aus Aluminium für ein Dichtungssystem. Die ersten Durchläufe zeigten mikroskopische Risse im Zughand. Nach Anpassung des Schmiermittels und einer Senkung der Hubfrequenz um fünfzehn Prozent verschwand der Defekt vollständig. Die Maßhaltigkeit blieb über die gesamte Serie stabil.

Materialverhalten und der Einfluss der Rekristallisation

Nicht jedes Metall reagiert gleich auf die Wärmeentwicklung beim Stanzen. Die Mikrostruktur des Materials spielt eine entscheidende Rolle. Kaltgewalzter Stahl hat durch den Walzprozess bereits interne Spannungen. Diese Spannungen sind im Gleichgewicht, aber der Stanzprozess kann dieses Gleichgewicht stören.

Bei Materialien mit einer niedrigen Rekristallisationstemperatur, wie bestimmten Legierungen aus Aluminium oder Magnesium, kann die Wärme, die während des Stanzens freigesetzt wird, bereits ausreichen, um die Mikrostruktur lokal zu verändern. Dies beeinflusst die mechanischen Eigenschaften des Endprodukts, auch wenn das Bauteil optisch korrekt aussieht.

Für kritische Anwendungen beispielsweise in der Luftfahrt oder im medizinischen Sektor ist dies ein ernsthafter Designpunkt. Sie spezifizieren dann nicht nur die chemische Zusammensetzung und Härte des Basismaterials, sondern auch den thermomechanischen Zustand. Eurotechniek fragt nach dieser Art von Spezifikationen, bevor wir ein Werkzeug entwerfen. Es verhindert Überraschungen nach der Genehmigung der ersten Serienmuster.

Eigenspannungen nach dem Stauchprozess messen und kontrollieren

Thermische Eigenspannungen sind nicht immer direkt sichtbar. Ein Bauteil, das direkt von der Presse maßhaltig ist, kann sich nach einiger Zeit verformen, wenn die inneren Spannungen freigesetzt werden. Dies nennt man Relaxation und sie tritt bei der Lagerung, beim Transport oder bei der ersten thermischen Belastung in der Anwendung auf.

Es gibt verschiedene Methoden, um Eigenspannungen zu messen. Röntgendiffraktion gibt ein genaues Bild der Oberflächenspannung. Konturmethoden machen tiefere Spannungsprofile sichtbar. Für die meisten industriellen Stanzprozesse genügt eine Kombination aus Maßkontrolle direkt nach der Presse, nach der Lagerung und nach einem thermischen Zyklus.

Wenn Eigenspannungen zu hoch sind, können Sie diese durch Spannungsarmglühen reduzieren. Das ist eine Wärmebehandlung, bei der das Bauteil kurz auf eine Temperatur unterhalb der Umkristallisationsgrenze gebracht wird. Die internen Spannungen gleichen sich aus, ohne dass sich die Geometrie oder Härte signifikant verändert. Bei Eurotechniek wenden wir dies an, wenn die Kundenspezifikation dies erfordert oder Messdaten Anlass dazu geben.

Häufig gestellte Fragen zu thermischer Spannung beim Stanzen

Wie merke ich in der Praxis, dass thermische Spannung ein Problem ist?

Die häufigsten Anzeichen sind Maßabweichungen, die im Laufe des Produktionslaufs größer werden, Teile, die nach der Lagerung leicht verzogen sind, oder Risse, die erst nach einiger Zeit sichtbar werden. Manchmal sieht man auch, dass die Teile am Anfang und am Ende eines Laufs an denselben kritischen Maßpunkten unterschiedlich messen. Dies sind Indizien dafür, dass der Wärmeaufbau im Werkzeug oder im Band eine Rolle spielt.

Sind alle Metallarten gleich anfällig für thermische Spannungen beim Pressen?

Nein. Werkstoffe mit einer niedrigen Wärmeleitfähigkeit, wie austenitischer nichtrostender Stahl, sind anfälliger als Werkstoffe, die Wärme schnell abführen, wie Kupfer oder Aluminium. Je härter das Werkstoff und je größer die Verformung pro Schritt, desto mehr Wärme wird freigesetzt. Bei der Auswahl des Grundwerkstoffs berücksichtigen Sie dies im Design, insbesondere bei hohen Hubfrequenzen oder komplexen Geometrien.

Kann ich thermische Spannungen beim Stanzen vollständig vermeiden?

Vollständige Vermeidung ist nicht realistisch. Jede plastische Verformung geht mit Wärmeentwicklung einher. Man kann den Effekt jedoch auf ein Niveau kontrollieren, das die Qualitätsanforderungen nicht gefährdet. Die richtige Kombination aus Schlagfrequenz, Schmierung, Werkzeugbeschichtung und eventuell einer Nachbehandlung wie dem Spannungsarmglühen ist dafür der Standardansatz.

Die Kontrolle über Ihren Stanzprozess beginnt beim richtigen Wissen

Thermische Spannung ist ein reales Phänomen, das bei jedem Stanzprozess eine Rolle spielt. Ihre Beherrschung erfordert Kenntnisse über Materialien, Werkzeugentwicklung und Prozessparameter. Wer das richtig einstellt, verhindert Ausschuss, verlängert die Werkzeuglebensdauer und liefert stabile Qualität über die gesamte Serie.

Wenden Sie sich an Eurotechniek, wenn Sie Fragen zu Ihrem Stanzprozess haben oder eine Zeichnung auf Risiken hinsichtlich thermischer Spannung und Maßhaltigkeit überprüfen lassen möchten.