Blechbearbeitung

Aluminium statt Stahl – umformen ohne Einschränkungen

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Bei Anwendung der gegenwärtigen Kaltumformtechnolgie müssen beim Ersatz von Stahl durch hochfestes Aluminium Kompromisse bezüglich der geringeren Formbarkeit von hochfesten Aluminium im Vergleich zu Stahl eingegangen werden. Normalerweise erfordert der Übergang von Stahl- zu Aluminium-Blechbauteilen Kompromisse bezüglich niedrigerer Festigkeit und höherer Formbarkeit, Unterteilung der ursprünglichen Stahlteile in verschiedene gering verformte Aluminium-Sektionen, die durch Schweißen, Kleben oder Nieten verbunden werden, Durchführung des Umformprozesses über verschiedene Stufen (Inkrementelle Umformung) um eine bessere Kontrolle des Materialflusses zu sichern. Oft sind diese Methoden jedoch unzureichend und es müssen Kompromisse bezüglich der Geometrie eingegangen werden, zum Beispiel bei der Vergrößerung des Übergangsradius. Hinzu kommt, dass bei der Konstruktion des Umformwerkzeuges die oft beträchtliche Rückfederung des Aluminiumteiles berücksichtigt werden muss. Dies alles beschränkt aktuell noch den Vorteil von Aluminium für massereduzierte Karosserieteile und Fahrzeugchassis. Bei geringem Produktionsvolumen ist die superplastische Umformung eine Alternative, jedoch mit einer geringen Produktionsrate. Großes Potential wird in der Warmumformung gesehen, führt doch eine Erhöhung der Umformtemperatur zu einer besseren Umformbarkeit. Bisher gibt es nach oben Grenzen infolge sinkender Bauteilfestigkeit. Die Warmumformungstechnik HFQ vermeidet diese Nachteile und ermöglicht größere Ziehtiefen und kleinere Übergangsradien. Hinzu kommt, dass HFQ den Umform- und Ausscheidungshärtungsprozess vereint, wodurch die Mikrostruktur der Legierung sich nicht verschlechtert, wie im Falle der traditionellen Warm- oder Heißumformung. Die Rückfederung wird erheblich verringert. Die Technik wurden bisher im Labormaßstab und für ausgewählte Automobilteile demonstriert. Das Ziel des Locolite-Projektes ist es nun, die komplette Zulieferkette zum HFQ-Prozesses zu analysieren, die für eine effektive automatisierte Massenproduktion von Bauteilen der Class-D- und Class-C-Fahrzeugen geeignet ist.

Der HFQ-Umformprozess

Der HFQ-Prozess ist eine Warmumformung mit einem ähnlichen Aufbau der Presslinie wie dies bei der Warmumformung von Borstahl üblich ist. Jedoch unterscheiden sich die ablaufenden Werkstoffmechanismen dieser beiden Prozesse grundlegend.

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Der Prozess kann wie folgt schematisch charakterisiert werden:

  • Zuerst wird das Rohteil in die gewünschte Abmessung aus einem Aluminiumblech geschnitten.
  • Anschließend auf die Lösungsglüh-Temperatur (SHT) (Solution Heat Treatment Temperature) (für die meisten Legierungen zwischen 450 °C und 525 °C) erhitzt und definiert gehalten.
  • Im Anschluss in eine Presse eingelegt und mit den gekühlten Umformwerkzeugen verformt und abgeschreckt.
  • In den geschlossenen Umformwerkzeugen wird das verformte Teil schnell abgekühlt.
  • Wenn eine aushärtbare Legierung verwendet wird, muss im Anschluss das Teil wärmebehandelt werden, um seine volle Festigkeit zu erreichen.

Das Erwärmen bis auf die SHT-Temperatur ermöglicht den Legierungselementen in das Aluminium zu diffundieren und eine stabile homogene Mikrostruktur zu erzeugen. Die Mikrostruktur wird während der Umformung und Abschreckung erhalten und es wird ein übersättigter Zustand erzeugt, der durch Warmaushärten auf eine hohe Festigkeit gebracht werden kann. Die Zähigkeit des Aluminiums wird substantiell gesteigert, weil es in einer Mischkristallform vorliegt und durch Hochgeschwindigkeits-Umformung diese Zähigkeit in eine exzellente Umformbarkeit umgewandelt wird. Rückfederungen als auch Eigenspannungen sind extreme gering in den HFQ-umgeformten Teilen, da der Umformprozess bei hohen Temperaturen stattfindet und die Fließspannung gering ist. Die vernachlässigbare Rückfederung bedeutet, dass die Konstruktion des Umformwerkzeuges kaum eine Rückfederungskompensation bedarf, sodass das Werkzeug auf das net- shape-Profile des gewünschten Endteiles gefertigt werden kann.

Entwicklung im Locolite-Projekt

Inzwischen wurde die HFQ-Technologie erfolgreich außerhalb des Labors angewendet und eine Vermarktung durch die Impression Technologies Ltd. begonnen. Verschiedene mittels HFQ gefertigte Teile sind zum Beispiel Flugzeugteile und Werkstücke aus dem Automobilbau. Alle diese Bauteile wurden auch kalt umgeformt und wiesen dabei nachweislich verschiedene Risse auf. Dies konnten mit dem neuen Verfahren vermieden werden.

Erfolgreiche Umformversuche fanden im neuen AP&T-Werk in Ulricehamm (Schweden) statt. AP&T stellt Pressen und Umformwerkzeuge her und ist Erfahrungsträger für die Warmumformung von Presshärt- Stählen. Im Locolite-Projekt optimiert AP&T eine Umformlinie für die Massenproduktion unter Einschluss einer Baugruppe zur Rohteilaufheizung, einer Roboter basiereten Rohteil-Handhabung und speziell optimierten Presseneigenschaften. Das zweiteilige Umformwerkzeug, ein auf dem Maschinenbett montiertes unteres Werkzeug sowie am Pressenkopf montiertes Oberwerkzeug, hat der italienische Projektpartner CRF bereitgestellt. Das Werkzeug ist ein Allzweck-Forschungswerkzeug, welches zum Umformen von hinteren Querträgern im Automobilbau verwendet wird. Der besondere Vorteil der neuen Technologie für hochfestes Aluminium in einer Rohbaustruktur forciert bei Fiat sowohl den Fahrzeugleichtbau als auch die Reduzierung der Abgasemission.

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