Die Kunst und Wissenschaft des Blechbiegens

Eine Motorhalterung. Ein robustes Gehäuse. Eine 43,7°-Halterung. Für den durchschnittlichen Hack ist mindestens ein abgewinkeltes Metallteil erforderlich, und das beste Werkzeug zur Herstellung eines solchen ist immer noch die gute alte Abkantpresse. Das Biegen von Teilen erfordert ein paar zusätzliche Überlegungen bei der Gestaltung und Anordnung der Abwicklungen. Wenn Sie also mehr über Biegezugaben, Biegeabzüge und das Biegen präziser Teile auch ohne Presse erfahren möchten, lesen Sie weiter.

Die gebräuchlichsten Biegemethoden, aber sicherlich nicht die einzigen, sind das Luftbiegen und das Bodenbiegen. Sie können auf derselben Abkantpresse durchgeführt werden und erfordern für den allgemeinen Werkstattgebrauch normalerweise nicht mehr als 25 Tonnen Druck. Eine Abkantpresse verfügt außerdem über einen manuellen oder CNC-gesteuerten Hinteranschlag, der eine genaue Positionierung der Biegelinie ermöglicht. Wie bei allen Pressen täuscht auch das Gefahrenpotenzial von Abkantpressen ein wenig. Sie sehen ruhig aus und bewegen sich langsam, aber sobald ihre Kraft auf das Material trifft, kann es sehr schnell gehen.

Wenn Sie jedoch keinen Zugang zu einer Abkantpresse haben, haben Sie nicht ganz Pech. Es gibt Schlitztechniken, bei denen das Material an der Biegelinie gerade so weit geschwächt wird, dass nur mit einem Schraubstock eine schöne Biegung in bis zu 1/4 Zoll dicken Stahl erfolgen kann.

Beim Luftbiegen werden ein Stanzwerkzeug und eine häufig V-förmige Untermatrize verwendet. Das Profil des Stempels definiert den Biegeradius, während die Schlagtiefe den Biegewinkel definiert. Da die Hubtiefe an der Maschine einstellbar ist, können Sie beim Luftbiegen Blechmaterial in einem beliebigen Winkel biegen, ohne die Matrize oder die Stanzwerkzeuge auszutauschen. Die Öffnung der Untermatrize sollte je nach Materialstärke und Biegeradius angemessen gewählt werden, als Faustregel gilt das 6- bis 12-fache der Materialstärke. Dadurch werden gute Ergebnisse und eine lange Lebensdauer des Werkzeugs gewährleistet. Sie werden jedoch schnell merken, dass selbst professionelle Werkstätten ihre 3/4“-Untermatrize für fast alles verwenden, das war's also. Nach dem Loslassen des Stempels federt das Material etwas zurück, was durch Überbiegen des Materials ausgeglichen werden muss. Das Luftbiegen ist im Hinblick auf die Winkelgenauigkeit nicht besonders gut, kann jedoch ohne Umrüsten an unterschiedliche Materialien, Materialstärken und Biegewinkel angepasst werden.

Genau wie beim Luftbiegen werden beim Bodenschneiden ein Stempel und eine V-förmige Untermatrize verwendet. Der Stempel drückt das Material jedoch gegen die Innenflächen der unteren Matrize, sodass der Winkel des unteren Werkzeugs den Biegewinkel definiert. Daher erfordert das Verfahren separate Unterwerkzeuge und Umrüstungen für jeden Biegewinkel sowie deutlich mehr Druck. Es ist jedoch genauer und hat eine geringere Rückfederung als das Luftbiegen. Was Sie normalerweise in einer Allzweckwerkstatt oder einem Makerspace vorfinden, ist eine Abkantpresse, die mit einer 90°-Untermatrize zum Tiefbiegen ausgestattet ist, und für jeden Biegewinkel, der kleiner als 90° ist, wird dieselbe Matrize zum Luftbiegen verwendet. Da beim Durchschlagen jedoch größere Kräfte erforderlich sind, ist es auch wichtiger, die richtigen Matrizen zu verwenden. Eine Faustregel besagt, dass die 8-fache Materialstärke für eine gute Öffnung der unteren Matrize sorgt. Da die geometrisch korrekte Öffnung jedoch auch vom Biegeradius abhängt, gibt es bessere Möglichkeiten, die Öffnungsweite zu berechnen.

Um den Biegebereich zu definieren und die zum Biegen eines Teils aus Blech erforderliche Kraft auf etwas zu reduzieren, das Sie ohne Abkantpresse handhaben können, können Schlitze an der Biegelinie geschnitten werden, um das Material gezielt zu schwächen. Es ähnelt dem Biegen der Schnittfuge, ist jedoch weniger dünn. Das Schlitzen ist eine großartige Technik, um maßgeschneiderte Metallgehäuse und -rahmen für kleine Roboterprojekte und sogar große, unbelastete Strukturen zu erhalten. Da es jedoch offensichtlich das Material schwächt, ist es für schwer tragende Teile, die auf die strukturelle Integrität des Biegebereichs angewiesen sind, ein Tabu. Es gibt sogar patentierte Methoden, die bestimmte Schlitzmuster verwenden, und selbst wenn die Idee dahinter recht einfach ist, können sie ziemlich genial sein.

Je nach Biegewinkel und -radius verformt sich das Material im Biegebereich. Um die endgültigen Teileabmessungen zu erhalten, die wir anstreben, müssen wir dies im Voraus berücksichtigen. Die meisten professionellen CAD-Tools wie Solidworks oder Rhino erledigen die gesamte Biegeberechnung für Sie, aber leider erfordern viele andere gute Tools wie Fusion 360, OpenSCAD oder FreeCAD, dass Sie zusätzliche Plugins erwerben, Online-Rechner verwenden usw rechnen Sie mit der Hand.

Gehen wir zunächst einmal davon aus, dass Sie eine 90°-Klammer aus einem unendlich dünnen Stück Material oder praktischerweise aus einem Stück Papier bauen möchten. Da es so dünn ist, enthält es eigentlich kein Material und lässt sich daher ohne Materialverformungen biegen. Um es noch einfacher zu machen, wählen wir einen Biegeradius von 0, was zu einer Falte führt. In diesem theoretischen Fall entspricht die Länge L des Streifens, den wir ausschneiden müssen, der Summe der beiden Seiten der Halterung, A und B.

Wenn wir nun einen Biegeradius hinzufügen, besteht unsere Halterung nicht mehr aus zwei geraden Seiten A und B, sondern aus zwei verkürzten Schenkeln, die ich a und b nennen werde. Die Beine sind durch einen Bogen der Länge c verbunden. So weit, ist es gut.

Um über das Biegen eines Metallblechs mit beträchtlicher Dicke nachzudenken, konzentrieren Sie sich auf ein imaginäres zentrales Blech, die sogenannte neutrale Linie oder neutrale Achse, innerhalb der Dicke. Diese neutrale Linie verhält sich genauso wie das dünne Blech oben und bleibt beim Biegen unverformt. Die einzigen beiden Dinge, die wir beachten müssen, sind, dass die Materialstärke t den Biegeradius r' der Neutrallinie um die halbe Materialstärke verschiebt und unsere Beine a und b etwas kürzer werden. Reale Materialien wie Stahl und Aluminium verhalten sich nicht genau wie diese Mittellinie, aber das Konzept der neutralen Linie ist dennoch nützlich, um sie zu beschreiben.

Wie immer verhalten sich reale Materialien nicht so einfach wie unsere Modelle. Nachdem das Material zwischen den gehärteten Stahlwerkzeugen der Presse seine neue Form angenommen hat, wird diese zentrale Neutrallinie durch die Wechselwirkung ziemlich durcheinander gebracht. Ohne ein detailliertes und recht komplexes Modell der Materialeigenschaften können wir den Verlauf der Neutrallinie nach der Biegung nicht wirklich kennen. Der Einfachheit halber kann eine imaginäre neutrale Linie basierend auf einer vereinfachten Näherung verwendet werden, um die Länge des flachen Musters vorherzusagen:

Dazu wird ein Korrekturfaktor k eingeführt. Der Faktor versetzt das neutrale Linienstück im Biegebereich von seinem Mittelpfad, bis es die Länge des entsprechenden Bereichs des flachen Musters hat. Der k-Faktor wird empirisch für ein bestimmtes Material, eine bestimmte Materialstärke, einen bestimmten Biegeradius und eine bestimmte Biegemethode ermittelt. Es spiegelt alle realen, aber unbekannten Verzerrungen im Biegebereich wider.

Da der k-Faktor von mehreren Faktoren abhängt, werden Tabellen mit empirisch ermittelten k-Faktoren für gegebene Setups verwendet. Mithilfe des k-Faktors können wir nun die Biegezugabe „BA“ berechnen, also die Länge des Flachmaterials, die in den Biegebereich reicht. Es ist einfach die Bogenlänge des „imaginären“ neutralen Linienstücks, die um den k-Faktor ausgeglichen wurde:

Natürlich ist die Näherung nur so realistisch wie der verwendete k-Faktor, und es ist sinnvoll, eine eigene Tabelle mit k-Werten für die Materialien zu führen, mit denen Sie arbeiten möchten. Folgende Werte sind jedoch ein guter Ausgangspunkt:

Beim Schlitzen von Blech an der Biegeachse verringert sich die durchschnittliche Dichte des Materials im Biegebereich. Es gibt keine bestimmte Regel dafür, wie stark das Material geschwächt werden sollte, aber als Faustregel ist eine Dichte von 20 % für bis zu 1/8″ Stahl eine gute Wahl. Bei einer Dichte von 20 % beträgt die Brückenbreite w 1/4 der Schlitzlänge s, wie in der Grafik unten dargestellt. Für die Stegbreite w empfehle ich, 3/4 der Materialstärke T nicht zu unterschreiten.

Bei der Verwendung von geraden Schlitzen ist der Biegebereich im flachen Muster so breit wie die Schlitzbreite d, sodass in diesem Fall für alle praktischen Zwecke die Schlitzbreite gleich der Biegezugabe ist. Abhängig vom gewünschten Biegeradius kann die Schlitzbreite berechnet werden:

Allerdings sollte der Radius nicht zu groß sein und als Faustregel unter 2/3 der Materialstärke liegen.

Schlitze können so geformt werden, dass die Biegung vorhersehbarer und materialunabhängiger gesteuert wird. Auch wenn das Schneiden nicht gerader Schlitze in Metall trivial klingt, gibt es auf diesem Gebiet immer noch zahlreiche Patente. Für Bildungszwecke und DIY-Projekte können die entsprechenden Patente von Industrial Origami Inc. immer noch eine großartige Ressource sein. Sie enthalten einen ganzen Katalog intelligenterer Schlitzmuster, wie die Smiley-Form, das selbstindexierende Scharnier, ein gedrehtes Scharnier und andere Origami-ähnliche Methoden.

Die meisten Muster sind so gestaltet, dass sich das Material nach der Biegung selbständig an sich selbst ausrichtet. Beispielsweise verkürzen sich die diagonalen Brücken des Smiley-Musters, wenn sie durch das Biegen verdreht werden, wodurch die beiden flachen Seiten effektiv Kante an Kante zusammengezogen werden, sodass praktisch kein Biegeradius und keine materialabhängige Biegezugabe berücksichtigt werden müssen. Diese Methode ermöglicht sehr genaue Biegungen mit vernachlässigbaren Verformungen und bemerkenswert stabilen Teilen. Die Formel für den äußeren Rückschlag kann weiterhin verwendet werden, und da der OSSB rein geometrisch ist, sind keine K-Faktor-Tabellen erforderlich.

Um die Länge L unseres flachen Musters zu erhalten, müssen wir die Länge unserer geraden Beine a und b kennen. Wenn Sie ein Teil mit CAD entwerfen, können Sie die Abmessungen natürlich einfach aus Ihrem CAD-Tool ablesen. Wenn Sie jedoch lediglich eine technische Zeichnung mit nur den wesentlichen Maßen haben – oder eine Skizze auf einer Serviette – müssen Sie dies manuell tun.

Der Unterschied zwischen einer Seitenlänge (A oder B) einer Biegung und ihrem Schenkel (a oder b) wird als äußerer Rückschlag oder „OSSB“ bezeichnet. Die Beinlängen sind also definiert als:

a = A – OSSB

b = B – OSSB

An dieser Stelle gibt es zwei unterschiedliche Definitionen der Seitenlängen A und B, die üblicherweise verwendet werden und vom Biegewinkel abhängen. Bei Biegewinkeln kleiner als 90° werden sie normalerweise als die Länge vom Scheitelpunkt bis zur Kante definiert, bei Biegewinkeln größer als 90° werden sie normalerweise von der Tangente der Biegung zur Kante gemessen. Bei einem Biegewinkel von 90° sind diese beiden gleich. In allen Formeln und Beispielen werden Grad für den Biegewinkel α verwendet.

Bei einem Biegewinkel α kleiner als 90° und im Allgemeinen, wenn A und B vom Scheitelpunkt bis zum Rand dimensioniert werden, hängt die Formel für den Außenrücksprung immer vom Biegewinkel ab:

Bei Biegewinkeln größer als 90° und im Allgemeinen, wenn A und B von der Tangente der Biegung zur Kante bemaßt werden, ist der äußere Rücksprung unabhängig vom Biegewinkel:

Sofern Sie nicht an eine bestimmte Norm gebunden sind, können Sie A und B immer noch vom Scheitelpunkt bis zum Rand bemaßen und die erste Formel verwenden, auch wenn Ihr Biegewinkel größer als 90° ist, solange er kleiner als 180° ist. Bei größeren Winkeln wird dies jedoch äußerst unpraktisch, da sich der Scheitelpunkt weit von der Biegung entfernt.

Schließlich können wir alles zusammenfügen und die flache Musterlänge L berechnen, auf die wir das Metall schneiden müssen, indem wir die Teile zusammenfügen:

In der Praxis ist die Länge des flachen Musters immer kürzer als die Summe von A und B, sodass alles oben Genannte in der Differenz zwischen A + B und L zusammengefasst werden kann, die als Biegeabzug „BD“ bezeichnet wird.

Wenn Sie also die Grundlagen zu Biegezugaben und Biegeabzügen kennen, sollten Sie in der Lage sein, mit einer Abkantpresse oder der Schlitzmethode und einem Schraubstock Ihr eigenes individuelles Stahlgehäuse, Ihren Roboterrahmen oder Ihre eigene Montagehalterung zu bauen. Und Sie müssen keinen Laser- oder Plasmaschneider besitzen, um individuelle Formen aus Edelstahl oder Aluminium zu erstellen. Lokale Werkstätten und Online-Dienste speisen Ihr Design gerne in ihre hochautomatisierte Fertigungspipeline ein und selbst kleine Mengen können erschwinglich werden. Um dies abzurunden, genießen Sie die folgende Videoeinführung zur Abkantpresse von Dan Gelbart: