Stell dir vor, ein Stahlrohling wird mit einem Druck von über 5.000 Megapascal durch eine enge Werkzeugöffnung gepresst, und am Ende entsteht ein präzises Bauteil mit nahezu perfekter Oberflächenqualität. Kein Zerspanen, kein Schweißen, kein langer Umweg. Genau das ist die faszinierende Realität beim Fließpressen, einem Fertigungsverfahren, das in der Massivumformung seit Jahrzehnten eine Schlüsselrolle spielt und trotzdem außerhalb der Fachkreise kaum bekannt ist. Wer einmal verstanden hat, unter welchen extremen Bedingungen Fließpresswerkzeuge arbeiten müssen, schaut auf einfache Metallteile im Alltag ganz anders.
Was steckt hinter dem Verfahren eigentlich drin?
Fließpressen ist nach DIN 8583 ein Massivumformverfahren und gehört zur Untergruppe „Durchdrücken”. Das bedeutet: Ein metallischer Werkstoff wird unter hohem Druck durch eine formgebende Werkzeugöffnung gezwungen, wobei er seine endgültige Form annimmt. Das Besondere daran ist, dass das Material nicht abgetragen, sondern gezielt umgeformt wird. Gefüge, Festigkeit und Oberfläche verändern sich dabei auf eine Art, die spanende Verfahren schlicht nicht erreichen können.
Man unterscheidet grundsätzlich zwischen Kalt-, Warm- und Halbwarmfließpressen, je nach Temperatur, bei der der Umformprozess stattfindet. Beim Kaltfließpressen liegt die Temperatur unterhalb der Rekristallisationstemperatur des Werkstoffs, was besonders hohe Anforderungen an die Werkzeuge stellt. Denn ohne die Plastifizierung durch Wärme sind die einwirkenden Kräfte enorm.
Drücke jenseits der Vorstellungskraft: Die Belastungen im Werkzeug
Hier wird es technisch interessant. Beim Fließpressen können in der Matrize und am Stempel Kontaktnormalspannungen von über 5.000 MPa auftreten. Zum Vergleich: Der Reifendruck eines normalen PKW liegt bei etwa 0,002 MPa. Die Größenordnung, von der wir beim Fließpressen sprechen, ist also schwindelerregend hoch.
Diese extremen Innendrücke sorgen dafür, dass eine ganze Reihe von Verschleißmechanismen gleichzeitig auf das Werkzeug einwirken. Abrasion, Adhäsion, Ermüdungsrisse, plastische Verformung: All das geschieht innerhalb weniger Millisekunden, Zyklus für Zyklus. Kein Wunder also, dass die Anfertigung hochwertiger Fließpresswerkzeuge ausgesprochen kostspielig ist und dass die Werkzeugstandzeit in der Serienproduktion zu einem zentralen wirtschaftlichen Faktor wird.
Besonders kritisch ist die Stempelspitze, die bei jedem Hub direkt mit dem Rohling in Kontakt kommt und die volle Umformkraft aufnehmen muss. Ein vorzeitiger Ausfall an dieser Stelle kann die gesamte Produktion stoppen. Daher ist die Materialwahl für Stempel und Matrize keine Nebensache, sondern ein zentrales Konstruktionsmerkmal.
Werkstoffwahl: Warum Hartmetall zunehmend den Stahl verdrängt
Klassischerweise wurden Fließpresswerkzeuge aus hochlegierten Werkzeugstählen gefertigt. Das funktioniert in vielen Anwendungen nach wie vor gut. Doch die Grenzen werden schnell sichtbar, wenn es um besonders harte Werkstoffe, hohe Stückzahlen oder anspruchsvolle Geometrien geht.
Drei Entwicklungen prägen die aktuelle Praxis bei der Werkstoffwahl:
- Pulvermetallurgisch hergestellte Werkzeugstähle gewinnen gegenüber konventionell erschmolzenen Stählen an Bedeutung. Sie bieten einen deutlich homogeneren Aufbau, gleichmäßigere Karbidverteilung und damit überlegenen Verschleißwiderstand sowie höhere Ermüdungsfestigkeit.
- Hartmetalle, insbesondere Wolframkarbid-Kobalt-Verbundstoffe, kommen verstärkt bei Matrizen und Stempeln zum Einsatz, wo Druckbeständigkeit oberstes Gebot ist. Ihre Druckfestigkeit übersteigt die von Werkzeugstählen erheblich.
- Beschichtungen und Oberflächenbehandlungen ergänzen den Grundwerkstoff, um tribologische Eigenschaften zu verbessern und Reibung sowie Verschleiß im Kontaktbereich zu minimieren.
Die Entscheidung zwischen Stahl und Hartmetall ist dabei keine pauschale Frage. Sie hängt vom Umformwerkstoff, der Stückzahl, der Geometrie und natürlich dem Budget ab. Wer sich tiefer mit den Herstellern und Lieferanten von Fließpresswerkzeugen beschäftigen will, findet in unserem Überblick zu Herstellern von Fließpresswerkzeugen weiterführende Informationen zu Anbietern und ihren Spezialisierungen.
Der Markt dahinter: Deutschland als globale Größe
Die wirtschaftliche Bedeutung von Fließpresswerkzeugen lässt sich nur richtig einordnen, wenn man den Gesamtmarkt der Massivumformung betrachtet. Rund 230 Unternehmen sind in Deutschland mit Massivumformverfahren aktiv, darunter Gesenkschmieden, Kaltfließpressen, Freiformschmieden und Ringwalzen. Jährlich werden dabei 3 Millionen Tonnen Material umgeformt, der Gesamtwert der produzierten Güter liegt bei beeindruckenden 7 Milliarden Euro.
Damit ist Deutschland nicht nur europäischer Marktführer in diesem Segment, sondern weltweit die Nummer drei. Abnehmer sind vor allem die Automobil- und Zulieferindustrie, der Maschinenbau sowie die Luft- und Raumfahrt. Überall dort, wo es auf Präzision, Materialeigenschaften und Reproduzierbarkeit ankommt, ist das Fließpressen kaum wegzudenken.
Diese Zahlen machen deutlich: Wer hier an Werkzeugen spart oder auf schlechte Qualität setzt, riskiert Ausfälle in Produktionslinien, die täglich tausende Teile liefern müssen. Die Werkzeugkosten sind zwar hoch, aber gemessen an den möglichen Stillstandskosten in der Automobilproduktion, ein kalkulierbares Investment.
Normen und Sicherheit: Der rechtliche Rahmen
So komplex die Technik, so klar der Rechtsrahmen. Für Pressenanlagen, auf denen Fließpresswerkzeuge eingesetzt werden, gelten verbindliche Sicherheitsnormen. Die Normenreihe DIN EN ISO 16092 regelt die Sicherheitsanforderungen für Pressenanlagen in mehreren Teilen. Teil 1 behandelt allgemeine Anforderungen (2018), Teil 2 befasst sich mit mechanischen Pressen (2020) und Teil 3 mit hydraulischen Pressen (2018).
Neu in Verkehr gebrachte Pressen müssen außerdem die Anforderungen der EG-Maschinenrichtlinie 2006/42/EG erfüllen. Diese Richtlinie definiert grundlegende Sicherheits- und Gesundheitsschutzanforderungen und ist für alle Hersteller und Importeure von Pressenanlagen im europäischen Binnenmarkt verbindlich. Wer eine neue Anlage in Betrieb nimmt, kommt an dieser Prüfung nicht vorbei.
Für den Werkzeugbauer selbst bedeutet das: Die Schnittstellen zwischen Werkzeug und Maschine müssen normgerecht ausgeführt sein. Passungen, Aufspannungen, Sicherungskonzepte gegen unbeabsichtigtes Lösen, all das ist kein Ermessensspielraum, sondern Teil der Konformitätsprüfung.
Konstruktion und Auslegung: Worauf Ingenieure wirklich achten
Ein Fließpresswerkzeug ist mehr als Stempel plus Matrize. Die Auslegung beginnt mit der Analyse des Umformgrades, der Reibungsverhältnisse und der zu erwartenden Spannungsverteilung im Werkzeug. Moderne FEM-Simulationen ermöglichen es heute, Schwachstellen im Werkzeugdesign zu erkennen, bevor der erste Prototyp gefertigt wird.
Ein oft unterschätzter Aspekt ist das Vorspannkonzept bei Matrizen. Da Keramik und Hartmetall hohe Druckfestigkeit, aber begrenzte Zugfestigkeit aufweisen, werden Matrizen häufig in Schrumpfringen eingebaut. Dieser Verbund erzeugt eine Druckvorspannung, die der werkzeuginternen Zugbeanspruchung entgegenwirkt und die Lebensdauer erheblich verlängert.
Auch die Schmierstoffwahl beeinflusst die Werkzeugstandzeit massiv. Beim Kaltfließpressen haben sich Zinkphosphatierungen in Kombination mit reaktiven Schmierseifen bewährt. Beim Warmfließpressen kommen hingegen Grafitschmierstoffe oder Glaspulver zum Einsatz, die auch bei hohen Temperaturen noch ausreichende Trenneigenschaften bieten.
Am Ende läuft vieles auf eine einfache Erkenntnis hinaus: Das beste Werkzeug ist das, das zum Prozess, zum Material und zur Maschine passt. Standardlösungen gibt es zwar, aber die wirklich effizienten Produktionen entstehen aus sorgfältig aufeinander abgestimmten Systemen. Und das beginnt mit dem Werkzeug.
