IHU Mit Innenhochdruck zu höchstfesten Aluprofilen

Autor / Redakteur: Alexander Paul und Markus Werner / Stéphane Itasse

Der erhöhte Bedarf nach Leichtbau rückt Aluminium wieder verstärkt in den Fokus. Hochfeste Alulegierungen bieten besonders im Automobilbau viel Potenzial zur Gewichtseinsparung. Nachteil: das gegenüber Stahl eingeschränkte Umformvermögen. Forscher haben deshalb ein Verfahren entwickelt, mit dem sich Rohre aus höchstfesten Aluminiumlegierungen preiswert und zu komplexen Geometrien umformen lassen. Im Mittelpunkt stehen Legierungen der Gruppe 7xxx.

Anbieter zum Thema

IHU-Anlage am Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU in Chemnitz, auf der die Versuche mit 7xxx-Aluminiumlegierungen durchgeführt wurden.
IHU-Anlage am Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU in Chemnitz, auf der die Versuche mit 7xxx-Aluminiumlegierungen durchgeführt wurden.
(Bild: Fraunhofer-IWU)

Die rohrförmigen Profile aus Aluminiumlegierungen der höchstfesten Gruppe 7xxx werden per Innenhochdruck-Umformung (IHU) mittels Stickstoff in ihre endgültige Form gebracht. Neu dabei ist die Nutzung nicht beheizter oder sogar vorgekühlter Werkzeuge. So werden die Bauteile abgeschreckt und bekommen nach der anschließenden Auslagerung große Festigkeit. Probleme wie Anhaftung und Reibung werden so reduziert. Zudem lässt sich mit dieser Methode wirtschaftlicher arbeiten als mit beheizten Werkzeugen.

Schwere Umformbarkeit hat Verwendung von 7xxx-Aluminiumlegierungen beschränkt

Aluminium spielt für den Leichtbau im Allgemeinen sowie für den Automobilbau im Speziellen eine entscheidende Rolle. Aufgrund der weiter steigenden Anforderungen gelangen auch 7xxx-Legierungen in den Fokus der Automobilindustrie. Im Flugzeugbau werden sie seit Jahrzehnten eingesetzt, wobei die Bauteile ausschließlich spanend hergestellt werden. Die eingeschränkten Umformeigenschaften sind derzeit noch ein wesentlicher Grund dafür, Bauteile aus diesen Legierungen nicht umformend aus Blechen und Profilen herzustellen. Darin liegt auch die Ursache für den geringen Verbreitungsgrad in der Automobilindustrie.

Bildergalerie

Innovationspotenzial liegt allerdings in der Anwendung der temperierten Innenhochdruck-Umformung – des Hot Metal Gas Forming – von 7xxx-Aluminiumprofilen. Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU haben jetzt erstmalig nachgewiesen, dass eine Umformung von komplexen Geometrien in einem einstufigen Prozess möglich ist. Der Schlüssel dazu ist das Lösungsglühen mit anschließendem Handling der Halbzeuge in dem Umformwerkzeug und eine schnelle Innendruckerhöhung.

Aluminium stellt hohe Anforderungen an die IHU-Prozessführung

Eine entscheidende Rolle spielt die Prozessführung, um die Bauteile qualitätsgerecht und wirtschaftlich zu fertigen. Denn im Vergleich zu den meisten Stählen weisen Aluminiumlegierungen eine geringere Bruchdehnung und ein geringeres Verfestigungsverhalten auf. Deshalb muss eine sehr exakte Regelung zwischen Innendruck und Nachschiebeweg erfolgen. Beim Weiten des Rohres treten Zugspannungen auf und das Material wird hauptsächlich gestreckt. Durch das Nachschieben wird ein axialer Materialfluss erreicht, der örtlich zu Druckspannungen führt, die wiederum das Umformvermögen des Werkstoffes erhöhen. Das werkstoffbedingt kleine Prozessfenster zur Umformung kann so deutlich vergrößert werden. Die Druckerhöhung geschieht dabei in kleinen Inkrementen, gleichzeitig steigt der Nachschiebeweg überproportional zur Druckerhöhung.

Die Chemnitzer Forscher schreckten die Werkstoffe EN AW-7020 T6 und EN AW-7075 T6 in einem Umformwerkzeug bei Raumtemperatur mit dem Hot Metal Gas Forming and Quenching (HMGF-Q) ab und formten sie in einem Schritt um. Als Wirkmedium verwendeten die Wissenschaftler Stickstoff. Die Ausgangswanddicken der untersuchten Rohre lagen bei 2,5 und 4,5 mm. Nach der IHU fand eine Kalt- beziehungsweise Warmauslagerung statt. Im Anschluss an die Wärmebehandlung entnahmen die Wissenschaftler der Demonstratorgeometrie Zugproben, mit deren die Hilfe die mechanischen Kennwerte bestimmt wurden: Für den EN AW-7020 konnte dabei eine maximale Festigkeit von 375 N/mm² bei einer Restdehnung von 12 % gemessen werden.

Der EN AW-7075 konnte die Festigkeiten sogar noch toppen und erreichte 550 N/mm² bei einer Restdehnung von 10 %. Mit diesen Werten konnten die Spezialisten zeigen, dass die kritische Abkühlgeschwindigkeit von 100 K/s während der kombinierten Umformung und Abschreckung für den EN AW-7075 erzielt wurde. Zusätzlich wurden die umgeformten Bauteile hinsichtlich ihrer Wanddicken, ihres Gefüges und ihrer Formgenauigkeit analysiert und ausgewertet.

Modernisierte IHU-Presse hilft den Forschern mit ihrer Flexibilität

Dabei konnte eine modernisierte HS3-Presse Typ 1500 IHU von Dunkes/AP&T mit Maximator-Stickstoffverdichteranlage bei der Prozessführung ihre Flexibilität ausspielen. Von der Ofenentnahme bis zum Umformstart wurden nur 10 s benötigt, wodurch eine starke Bauteilabkühlung verhindert werden konnte. Die Abkühlrate während des Handlings wurde mit 2 K/s gemessen. In weiteren Forschungsprojekten widmen sich die Wissenschaftler nun wirtschaftlich sinnvollen Pro­zessrouten für diese Werkstoffklasse. Dabei interessieren sie besonders der Gefügezustand respektive die Temperaturführung vor, während und nach der Umformung. Indem Umformdruck, Umformtemperatur und Druckaufbaugeschwindigkeit variiert werden, sollen die Umformgrenzen der Aluminiumlegierungen EN AW-7020 und EN AW-7075 bei IHU von rohrförmigen Halbzeugen ermittelt werden. Ziel ist eine möglichst hohe Bruchdehnung bei höchsten Festigkeiten.

Die Chemnitzer Forscher haben auf dem Gebiet der Innenhochdruck-Umformung von Rohren und Blechen lange Erfahrung und arbeiten mit einer einzigartigen technischen Ausstattung: Am Institut ist das Verfahren seit mehr als 20 Jahren Gegenstand der Forschung. Für die Wirkmedienumformung stehen in Chemnitz zwei Hydraulikpressen zur Verfügung, die sowohl eine Peripherie zur Temperierung von Werkzeugen und Bauteilen als auch zu deren Handling umfassen. Die Anlagen erlauben die Umformung eines großen Bauteilspektrums: von kleinen Komponenten mit einem Gewicht von wenigen Gramm bis hin zu großen mit einem Gewicht bis zu 50 kg. Die Technik ermöglicht zudem die Verarbeitung einer großen Materialvielfalt, von Stahl über Kunststoffe bis hin zu deren Kombinationen in Form von Werkstoff-Hybridbauteilen.

Bildergalerie

In den vergangenen beiden Jahrzehnten hat sich das IHU-Verfahren in der Industrie etabliert. Die Bauteile werden überwiegend im Automobilbau, in der Möbelindustrie und in der Heizungs- und Sanitärtechnik eingesetzt. Weitere Einsatzgebiete sind die Luft-, Raumfahrt- und Medizintechnik. Einer der stärksten Vorteile der IHU-Technik liegt in der enormen Gestaltungsfreiheit bei den Bauteilgeometrien, die sich mit anderen Fertigungsverfahren gar nicht oder nur unter erheblichem Aufwand realisieren lassen. Per IHU gefertigte Bauteile weisen zudem eine sehr hohe Steifigkeit bei hervorragender Form- und Wiederholgenauigkeit auf.

Sowohl die Innenhochdruck-Umformung von Rohren und Hohlprofilen als auch die IHU von Blechen sind oberflächenschonende Verfahren, denn das Wirkmedium greift reibungsfrei am Halbzeug an. Lediglich beim aktiven Nachschieben im IHU-Prozess und beim Blecheinzug treten Relativbewegungen zwischen Werkzeug und Halbzeug auf.

* Alexander Paul und Markus Werner sind Wissenschaftler im Bereich Wirkmedienumformung und Werkzeugkonzepte am Fraunhofer-IWU in 09126 Chemnitz

Artikelfiles und Artikellinks

(ID:44710810)