Umformtechnik Stahl-Aluminium-Rohre für den Leichtbau

Redakteur: Beate Christmann

Wissenschaftler aus Hannover haben nach eigenen Angaben einen Weg gefunden, Tailored Hybrid Tubes aus Stahl und Aluminium umzuformen. Mittels Laserlöten fügten sie die Rohre und formten sie mit Innenhochdruck um, ohne dass die Verbindung zerbrach.

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Mit dieser Innenhochdruck-Umformanlage wurden Umformversuche durchgeührt.
Mit dieser Innenhochdruck-Umformanlage wurden Umformversuche durchgeührt.
(Bild: IPH)

Leistungspotenziale zu vergrößern, Kosten einzusparen, Rohstoffe zu schonen – die Ziele des Leichtbaus sind vielfältig. Vor allem die Automobilbranche sieht im Leichtbau ihre Zukunft. Mit bis zu 40 % hat die Karosserie einen großen Anteil am Gesamtgewicht eines jeden Kraftfahrzeugs. Automobilhersteller suchen nach Lösungsansätzen, mit denen sie das Gewicht ihrer Fahrzeuge reduzieren können, ohne aber an gutem Fahrverhalten und hoher Crashsicherheit einzubüßen.

Kombination zweier Leichtbauansätze

Mit der Innenhochdruck-Umformung von Hybridrohren, sogenannten Tailored Hybrid Tubes, ist es Forschern des IPH – Institut für Integrierte Produktion Hannover und des Laser-Zentrums Hannover (LZH) nun gelungen, zwei Leichtbauansätze miteinander zu verbinden: die Kombination von Werkstoff- und Strukturleichtbau. Zum einen wird eine Gewichtseinsparung durch die Geometrie der Bauteile erzielt, zum anderen durch das Material.

Rohre sind generell gut für den Leichtbau geeignet, weil sie im Verhältnis zu ihrem Gewicht äußerst steif und stabil sind. Fertigt man sie zudem aus einer Kombination von Stahl und Aluminium, lässt sich weiteres Gewicht einsparen. Aus schwerem, aber festem Stahl werden dann nur jene Abschnitte gefertigt, die hohen Belastungen ausgesetzt sind, der Rest des Bauteils kann aus leichtem Aluminium bestehen.

Die Herstellung solcher Hybridbauteile ist jedoch eine Herausforderung, weil sich Stahl schwerer umformen lässt als Aluminium. Zudem müssen die Rohrabschnitte vor dem Umformen so miteinander verbunden werden, dass die Fügezone später nicht reißt. Schweißen scheidet aus: Hier würde sich eine spröde Naht bilden, die sich nicht umformen lässt.

Fügezone hält 900 bar stand

Die Wissenschaftler konnten diese Probleme nun lösen und Tailored Hybrid Tubes schaffen, die sich im Innenhochdruck-Verfahren umformen lassen. Stahl und Aluminium haben sie mittels Laserlöten verbunden. Das Aluminium-Silizium-Lot wird mit dem Laserstrahl lokal erwärmt und aufgeschmolzen. Weil dabei der Wärmeeintrag sehr gering ist, entstehen keine spröden Bestandteile, die die mechanischen Eigenschaften der Naht während des Umformens beeinträchtigen. Die gelötete Fügezone hält einem Druck von bis zu 900 bar stand, ohne zu reißen.

900 bar sind in der Innenhochdruck-Umformung mehr als ausreichend, um sowohl Aluminium als auch Stahl zu verformen. Damit eine möglichst gleichförmige Umformung erreicht wird, haben die Forscher mit verschiedenen Werkstoffgüten experimentiert. Ihr Ergebnis: Am besten funktioniert die Umformung, wenn der Stahl (E235+C) mit einer höherfesten Aluminiumlegierung (EN AW-6082) kombiniert wird.

Suche nach weiteren Anwendungsmöglichkeiten

Bei der Innenhochdruck-Umformung wird ein Rohr in eine Form eingelegt und mit Wasser gefüllt. Wird nun der Druck erhöht, schmiegt sich das Rohr langsam an die Form an. So lässt sich fast jede beliebige Geometrie erzeugen. In den Umformversuchen haben sich die Forscher vor allem auf die Fügezone konzentriert und diesen Bereich umgeformt, um zu erforschen, welchen Belastungen diese schwächste Zone des Bauteils standhält und wo die Grenzen des Verfahrens liegen. Im Praxiseinsatz würden eher die Rohrabschnitte abseits der Fügezone umgeformt.

Damit das Verfahren weiter in Richtung Industriereife vorangebracht werden kann, sind die Forscher ständig auf der Suche nach weiteren Anwendungsmöglichkeiten für das Innenhochdruck-Umformen von Tailored Hybrid Tubes.

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