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Mit Leichtigkeit durch 520°C: Die Aluminium-Wärmebehandlung

| Autor/ Redakteur: Stefan Zacher / Frauke Finus

McKinsey geht in einer Studie davon aus, dass die Autobranche ihren Aluminium-Verbrauch bis zum Jahr 2030 auf 16,9 Mio. t verdreifachen wird. Der große Vorteil des Materials im Leichtbau: Seine Eigenschaften lassen sich gezielt beeinflussen.

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Gestellentwicklung in der 3D-Simulation.
Gestellentwicklung in der 3D-Simulation.
( Bild: Newalu )

Schon als Grundrohstoff hat Aluminium anderen Werkstoffen vieles voraus: Es hat eine geringe Dichte, ist also leicht, und es ist beständig. Der vielleicht wichtigste Vorteil: Die meisten seiner Eigenschaften lassen sich gezielt beeinflussen. Das macht sich seit 20 Jahren ein Mittelständler aus Deutschland zunutze – mit Wärmebehandlung.

Newalu verarbeitet im Mehrschichtsystem rund drei Millionen Bauteile pro Jahr an drei Standorten in Nordrhein-Westfalen und Bayern – etwa Karosserieteile und Motoren für Automobilhersteller wie Audi, BMW, Mercedes-Benz und VW. Das Gewicht eines Fahrzeugs lässt sich dank Aluminium-Leichtbau um über 60 kg reduzieren. Kleinere Motoren erbringen höhere Leistungen– bei geringerem Verbrauch und reduzierten Schadstoffemissionen. Leichtbau ist dabei nicht der einzige Vorteil des Werkstoffs: Aluminium kann in fast jede erdenkliche Form gegossen werden. Das ermöglicht komplexe, multifunktionale Bauteile, die Automobilhersteller früher aus separaten Einzelkomponenten teuer zusammenfügen mussten. Doch erst durch die Wärmebehandlung erhält ein Gussbauteil die notwendige Festigkeit und Reduktion der Eigenspannung. Sogar als Substitutionsgut für Stahl ist Aluminium dann einsetzbar. Dafür müssen die Aluminium-Bauteile durch extremste Temperaturen.

Stabilität bei extremen Temperaturen von über 520°C

Der Prozess der Wärmebehandlung umfasst das Lösungsglühen, das Abschrecken und die anschließende Auslagerung. Die genaue Art des Verfahrens wird für jeden Auftrag individuell angepasst. „Am Beginn der Wärmebehandlung steht die Entwicklung der richtigen Parameter, wie Temperatur, Haltezeit der Gussteile im Ofen sowie die Art des Abschreckverfahrens. Diese werden in enger Zusammenarbeit mit der Entwicklungsabteilung des Automobilherstellers erarbeitet“, sagt Martin Volpers, Geschäftsführer Operatives Geschäft der Newalu GmbH. Bei den extremen Temperaturen von über 520°C und anschließendem Abschrecken, ist es entscheiden, wie die Bauteile im gesamten Prozess gelagert sind. Bevor die Aluminium-Bauteile in den Ofen kommen, werden dafür maßgeschneiderte Gestelle entwickelt. Die potentielle Verformung wird durch 3D-Messungen erfasst und analysiert. Die Gestelle so gebaut, dass sich die Bauteile im gesamten Wärmebehandlungs-Prozess nicht verformen.

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Genauso entscheidend für den Erfolg der Wärmebehandlung wie das Erhitzen ist das Abschrecken der Bauteile. Eine von Newalu entwickelte Technologie ist die Abschreckung im Polymerbad, besonders geeignet für Werkstücke mit verschiedenen Wandstärken. Bei einem herkömmlichen Wasserbad kühlen dünnwandige Bereiche deutlich schneller ab dickwandige, was sich nachteilig auf die Eigenspannung im Bauteil auswirkt. Beim Polymerbad hingegen lagert sich das Polymer wie ein Gel auf den dünnwandigen, bereits abgekühlten Bereichen des Bauteils ab und verhindert eine weitere schnelle Abkühlung. Auf den dickwandigen, noch heißen Bereichen kann sich das Polymer nicht festsetzen. Dadurch läuft der Kühlungsprozess hier so lange weiter, bis auch diese Bereiche die gewünschte Zieltemperatur erreicht haben. Die serientaugliche Hochgeschwindigkeit-Luft Abschreckung (HISAQ – High Speed Air Quenching) wurde ebenfalls im Unternehmen entwickelt und 2003 zum Patent angemeldet. Sie führt zu einer gleichmäßigen Abkühlung Bauteile, ohne dass sich diese verziehen. Das erlaubt dünnere Wanddicken bei erhöhter Stabilität, was vor allem für Karosseriebauteile im Auto interessant ist. Nach dem Abkühlen lassen sich die Bauteile direkt weiterbearbeiten oder montieren. Auf dem Weg zum Fließband treten bereits einige der gewünschten Leichtbauvorteile: Gewicht, CO2 und Kosten werden bereits beim Transport eingespart.

Wandel zur E-Mobilität ist ein Zukunftsmarkt

Mit der Elektromobilität steht die deutsche Autobranche vor einem der größten Strukturwandel ihrer Geschichte. „Für den Aluminium-Leichtbau ist der Wandel zur E-Mobilität ein absoluter Zukunftsmarkt“, sagt Stefan Matthaei, Geschäftsführer Strategie bei Newalu. Das zu behandelnde Volumen an Motorblöcken werde zunächst sogar eher zunehmen, weil sich zu den Verbrennungsmotoren Hybridaggregate gesellen, die sowohl Motorblöcke als auch Elektrobauteile aufweisen. Bei rein elektrischen Powertrain-Komponenten zeigt sich: Ein Elektromotor mit integrierter Steuerung und Kühlung weist ungefähr dasselbe Volumen und Masse an Aluminium auf, wie ein moderner Motorblock. „Für unser Geschäftsmodell ist es unerheblich, ob wir einen Elektromotorblock mit integrierter Steuerung wärmebehandeln oder einen Verbrennungsmotorblock mit vier Zylindern“, so Matthaei. Die Stichworte heißen hier Batteriewannen oder Batteriebehälter. Für deren komplexe Strukturen mit hohen Anforderungen an die Crashperformance kommt fast ausschließlich Aluminiumdruckguss zur Anwendung. „Diese Teile sind wirklich spannend, denn sie stehen den Festigkeits- und Steifigkeitsanforderungen von Karosserie-Strukturbauteilen in nichts nach. Das sind sehr große Teile, etwa 1,20 m lang, bis zu 80 cm breit, 20 cm tief. Da kommt es besonders auf das richtige Wärmebehandlungs-Know-how an“, ergänzt Matthaei.

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