Blechbearbeitung Aluminium statt Stahl – umformen ohne Einschränkungen

Autor / Redakteur: Jürgen Leopold / M.A. Frauke Finus

Aluminium statt Stahl stellt in der Automobilindustrie für den Leichtbau eine echte Alternative dar. Bisher aber bedeutet Aluminium statt Stahl, dass man Kompromisse eingehen muss: Aluminium hat eine niedrigere Festigkeit und eine höhere Formbarkeit. Mit dem Hot-Forming-Quench-Verfahren ist jetzt der Schritt von Stahl zu Aluminium ohne Einschränkungen möglich. Ein Forschungsprojekt arbeitet nun an der Entwicklung einer passenden vollständigen Fertigungslinie.

Firmen zum Thema

Verschiedene HFQ-Bauteile.
Verschiedene HFQ-Bauteile.
(Bild: Imperial College London)

Der Ersatz konventionell umgeformter Tiefziehteile aus Stahlblech durch hochfeste Aluminiumbleche eröffnet attraktive Wege, um das Gewicht von Fahrzeugen weiter signifikant zu reduzieren. Das volle Potential für einen breiten Einsatz ist jedoch gegenwärtig begrenzt, da das Umformvermögen hochfesten Aluminiums gegenüber Stahl vergleichbarer Festigkeit noch viel niedriger ist. Damit greift der Konstrukteur immer noch nach dem allseits bewährten Stahl. Die neu entwickelte Hot-Forming-Quench-(HFQ-)-Technik ermöglicht den Schritt von Stahl hin zu Aluminium ohne Verlust an Festigkeit und deutlich geringerem Teilegewicht. Interessant ist, dass sowohl die Blechdicke reduziert als auch die Komplexität vorhandener Blechbautile durch ausscheidungshärtbare, höherfeste Aluminium-Legierungen vergrößert werden kann. HFQ ist eine Methode, die die Warmumformung mit dem Abschrecken im Gesenk kombiniert. Ursprünglich wurde diese Methode an der Universität Birmingham entwickelt, später am Imperial College London weiterentwickelt sowie patentiert und wird zurzeit in Zusammenarbeit mit der Impression Technology Ltd. zur Vermarktung vorbereitet. Mit Bezug auf die notwendige Reduzierung des Flottenverbrauches und der weiteren Verringerung der CO2-Emissionen von Fahrzeugen, fördert die Europäische Union mit 6 Mio. Euro das auf drei Jahre ausgelegte Forschungsprojekt Locolite. Ein Konsortium von 16 Partnern aus 8 europäischen Ländern arbeitet an der Untersuchung, Entwicklung und Verbesserung einer vollständigen Fertigungslinie (eingeschlossen die Konstruktion geeigneter Umformwerkzeuge, automatisiertes Materialhandling, Softwaretools zur Bauteilgestaltung und Materialauswahl), um die HFQ-Technik möglichst einer breiten Anwendung bei gleichzeitiger Kostenreduzierung zu erschließen. Die TBZ-Pariv GmbH ist deutscher Partner im Entwicklungs- Konsortium. Das Potential der HFQ-Technik wird im Rahmen des Projektes anhand ausgewählter typischer Bauteile (Querlenker und Bodenbleche aus dem Automobilbau sowie Verstärker von Tragflügeln aus dem Flugzeugbau) demonstriert. Die Eignung der HFQ-Technologie soll für eine mögliche Massenproduktion aufgezeigt werden.

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.

Bildergalerie
Bildergalerie mit 9 Bildern

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.

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.

Zur Anwendung kam eine 12.000 kN AP&T-Presse. Die Pressenlinie war so konstruiert, dass die Aufheizung der Zuschnitte in einem Siebenzonen-Ofen erfolgte und mittels eines Robotersystems der Transport und die Positionierung der heißen Rohteile in der Presse vorgenommen werden konnte. Versuche fanden mit zwei verschiedenen Aluminiumlegierungen statt. AA6082 war repräsentativ für die Automobilindustrie und AA7075 für die Luftfahrt. Die 925 x 270 mm Rohteile hatten eine Materialdicke von 1,5 mm beziehungsweise 1,6 mm. Unter Produktionsbedingungen sollte die Blechdicke des Rohteiles streng für die HFQ-Umformung kontrolliert werden, damit eine möglichst große Blechfläche in gutem Kontakt mit dem Werkzeug während des Abschreckens steht.

Mit beiden Legierungen wurden Tests sowohl unter den Bedingungen der Kaltumformung als auch unter HFQ-Bedingungen durchgeführt. Die Kaltumformung hochfester Aluminium- Legierungen (hier AA7075) führt zum Versagen bei der Teilefertigung des komplexen Profils mit sichtbaren Rissen an verschiedenen Stellen des Bauteiles. Im Gegensatz dazu kann mittels HFQ das gleiche Teil aus Aluminium erfolgreich umgeformt werden. Im wiederholten HFQ-Prozess mit Rohteilen aus AA6082 und AA7075 wurden gleich gute Ergebnisse erzielt. Unter Nutzung dieser Erfahrungen, laufen weitere Versuche bei den Locolite-Partnern AP&T, PAB Coventry (UK), der Universität Strathelyde (UK) mit Unterstützung weiterer Partner, um das Verfahren für eine breitere industrielle Anwendung zu entwickeln. Besonderes Augenmerk wird dabei auf eine speziell angepasste Einheit zum definierten Aufheizen der Rohteile gelegt.

Entwicklung einer speziellen Simulations-Software

Der Projektpartner ESI integriert HFQ-spezifische Features in die vorhandene Pam-Stamp-Umgebung. Basierend auf der im Imperial College entwickelten neuen Materialmodelle kann der Nutzer dieser Software den komplexeren thermo-mechanischen HFQ-Umformvorgang simulieren. Der griechische Partner Anter automatisiert den Konstruktionsprozess in einem frühen Stadium des Entwicklungsprozesses mit dem Ziel, dass der Konstrukteur basierend auf einem FEM-Feedback (Pam-Stamp) ohne detaillierte Kenntnisse des HFQ-Umformprozesses den teilespezifischen Fertigungsprozess gestalten kann. Dieses weitgehend automatisierte System soll außerdem als Schulungsgrundlage für die Anwendung des HFQ- Prozesses in einer neuen industriellen Umgebung dienen.

Bauteilentwurf und industrielle Anwendungen

Von den Projektpartner CRF (Italien), Lotus (UK) und Hellenic Aerospace Industry (Griechenland) werden Bauteile identifiziert, die gegenwärtig schwierig und nur mit hohem Aufwand herstellbar sind und durch Anwendung der HFQ-Technologie zu Gewichts- und Kosteneinsparungen führen können. Möglichkeiten der Verfahrenssubstitution (Zerspanen durch HFQ) werden geprüft und es ist vorgesehen, dass in obigen Firmen eine HFQ-angepasste Konstruktionsmethodik erprobt wird. Der Projektpartners MAR (Frankreich) bringt seine Erfahrungen bezüglich der Auswahl geeigneter Aluminiumlegierungen bauteilbezogen ein. ITL (UK) und DIAG Group (Italien) unterstützen das Projektkonsortium bei Messe- und Tagungsaktivitäten, um HFQ breiter bekannt zu machen.

Gegenwärtig erfordert der HFQ-Prozess den Einsatz von Schmierstoffen. Die Projektpartner AIN (Spanien), S. C. Plasmaterm (Rumänien), die Universität Birmingham und TBZ-Pariv (Deutschland) arbeiten an Möglichkeiten robuster Werkzeugbeschichtungen. Unter Berücksichtigung einer langen Werkzeuglebensdauer werden Möglichkeiten schmierstoffarmen beziehungsweise -freien Umformung untersucht. Um die Investitionskosten beim Einsatz der HFQ-Technologie zu senken, wird dabei auch der Einsatz kostengünstiger Werkzeugwerkstoffe untersucht, um sowohl Bauteilgröße als auch die Komponentenvielfalt weiter zu erhöhen. Dabei spielt die Schicht- Substrate-Optimierung eine besondere Rolle.

Betrachtung des kompletten Fertigungsprozesses

Alle genannten Aktivitäten sollen künftige Nutzer in die Lage versetzen, den kompletten Fertigungsprozess der Teilefertigung mittels HFQ zu planen. Die Simulation der Komponentenherstellung und die Werkzeugoptimierung tragen dazu bei, die Kosten und die Zeit zur Einführung der HFQ-Technologie zu senken. Weitere Schritte zur Senkung von Kosten wird im automatisierten Rohteil- beziehungsweise Bauteilhandling, präziser Aufheiztechnologien sowie zugehöriger Steuerungs- und Regelungssysteme gesehen, die unter Leitung der Universität Strathclyde (UK) erfolgen. Mit Hilfe von Kostenmodellen (Material, Bauteilkonstruktion, Fertigungskosten) werden gegenwärtige Herstellungstechnologien mit denen der neuentwickelten verglichen.

(ID:43490761)