Umformen Titan auf hydraulischen Heißpressen ressourcenschonend umformen

Autor / Redakteur: Christof Merten / Dietmar Kuhn

Die Luftfahrt gilt als besonderer Schwerpunkt für Titananwendungen. Dort ersetzt Titan aus Gründen der Festigkeit, Temperaturbeständigkeit und Steifigkeit vielfach Stahllegierungen. Doch scheint Titan ziemlich teuer. Betrachtet man jedoch die Eigenschaften auch mit Blick auf die Bearbeitung, so relativiert sich dieser Eindruck.

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Bild 1: Die Luftfahrtindustrie ist eine der ersten Adressen für die Anwendung von Titanbauteilen, und das mit steigender Tendenz.
Bild 1: Die Luftfahrtindustrie ist eine der ersten Adressen für die Anwendung von Titanbauteilen, und das mit steigender Tendenz.
(Bild: Lufthansa)

Der Flugverkehr weist jährliche Wachstumsraten von etwa 5 % auf. Das Aufkommen wird sich bis zum Jahr 2030 verdoppeln. Rechnet man den Austausch bestehender Flugzeuge hinzu, kommt es bis dahin zu rund 30.000 Neuauslieferungen. Hinzu kommt, dass gerade im Bereich der Regionaljets immer mehr Schwellenländer eine eigene Luftfahrtindustrie mit steigenden Fertigungskapazitäten etablieren wollen.

Titan wird vor allem für den Flugzeugbau als Werkstoff immer wichtiger

Dem Werkstoff Titan kommt im Flugzeugbau eine wachsende Bedeutung zu (Bild 1). Nimmt das hochfeste Metall bei konventioneller Flugzeugfertigung in Alubauweise noch einen Anteil von etwa 6 % ein, steigt dieser bei der modernen Kompositbauweise auf 15 bis 20 % weil Flugzeuge dadurch leichter werden, sinkt der Treibstoffverbrauch pro Sitz und geflogenem Kilometer. Aber die Verarbeitung von Titan, in Verbindung mit oft geringen Stückzahlen bedingt spezielle Herstellungsprozesse mit entsprechend angepasster Umformtechnik und spezifischem Bauteilhandling.

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Dabei muss die Titanumformung vor dem Hintergrund steigender Stückzahlen und der auch im Flugzeugbau geltenden Notwendigkeit zur Senkung der Stückkosten leistungsstark, prozesssicher und höchst effizient möglich sein.

Die Verwendung von Titan ist in seinen herausragenden Eigenschaften begründet. Dazu gehören das günstige Verhältnis zwischen Gewicht und Festigkeit, die gute Duktilität bei hoher Festigkeit und Steifigkeit, die hohe thermische Belastbarkeit, Korrosionsbeständigkeit und Biokompatibilität (Bild 2).

Titan und Titanlegierungen begehrt, aber schwer zu verarbeiten

Titan und vor allem Titanlegierungen haben daher eine große Bedeutung als Konstruktionswerkstoffe für die Luft- und Raumfahrt, für die chemische Industrie (Behälterbau), für die Medizintechnik (Herzschrittmacher, Zahnimplantate, Hüftprothesen) sowie für seewasserbeständige Bauteile im Schiffs- und Anlagenbau.

Erschwert wird der Einsatz von Titanbauteilen allerdings durch seine schwierige Verarbeitbarkeit. Effiziente umformtechnische Verfahren, wie beispielsweise das Tiefziehen oder Innenhochdruck-Umformen, können nur mit großen Einschränkungen angewendet werden und beschränken sich auf die Verarbeitung von Reintitanlegierungen niedriger Festigkeit. Selbst dünnwandige komplexe Bauteile werden daher in der Regel durch spanende Verfahren hergestellt, statt sie aus Blechformteilen zu fügen, wie es in der Stahl- und Aluminiumverarbeitung Stand der Technik ist. Will man komplexe Bauteile durch umformtechnische Verfahren herstellen, so gelingt dies nur bei erhöhten Temperaturen. Für die meisten Legierungen liegt die Verarbeitungstemperatur je nach Umformverfahren zwischen 700 und 1000 °C. Dies stellt besondere Herausforderungen an die Umformprozesse, die dazu benötigten Anlagen und Werkzeuge.

Für die Umformung von Titan bieten sich verschiedene Verfahren an

Wie erwähnt sind Titanbauteile auf den verschiedensten Anwendungsfeldern im Einsatz. Entsprechend vielfältig sind die auftretenden Bauteilgeometrien und somit die verwendeten Umformverfahren.

Grundsätzlich kann man zwischen Massivumformverfahren (Freiformschmieden, Gesenkschmieden, isothermes Massivumformen) und der großen Gruppe von isothermen Blechumformverfahren unterscheiden. Hinzu kommen Fügeverfahren wie das Diffusionsschweißen zur Herstellung von Zwischenstufen zum Spanen oder für Sandwichstrukturen.

Die Umformung von Blechen erfolgt entweder mittels Heißgas unter der Ausnutzung superplastischer Eigenschaften der verwendeten Werkstoffe (SPF = Super Plastic Forming) oder mechanisch als Hotforming ohne Einspannen des Randes, als Streckziehen mit fest eingespanntem Rand und als Heißtiefziehen mit Blechhalter und nachlaufendem Rand (Bild 3).

Die Warmumformung bietet vor allem endkonturnahe Bauteile

Die Vorteile der Warmformung liegen hier vor allem in der Herstellung endkonturnaher Bauteile mit ungestörtem Faserverlauf, hoher Festigkeit und geringen Eigenspannungen ohne die äußerst aufwendige und schwierige Zerspanung eines ohnehin schon teuren Grundwerkstoffes.

Genauso vielfältig wie die zur Verfügung stehenden Umformverfahren sind auch die verschiedenen Typen von Pressen, die zum Einsatz kommen. Eine optimale Auslegung setzt unabdingbar ein hohes Maß an Prozesskenntnis voraus.

Abgesehen von Spindelpressen und Hämmern in der Massivumformung bieten sich für die große Gruppe der isothermen Umformverfahren vor allem Systemlösungen mit hydraulischen Pressen an (Bild 4). Betrachtet man die Gemeinsamkeiten, über die man diese Verfahrensgruppe beschreiben kann, so wird dies schnell klar.

Isotherme Prozesse sind, wie ihr Name sagt, dadurch gekennzeichnet, dass sie bei konstanter Temperatur ablaufen. Meist befinden sich Werkzeug und Werkstück in einer Wärmekammer, die die notwendige Prozesstemperatur (circa 50 % der Schmelztemperatur in Kelvin) über die gesamte Prozessdauer konstant halten kann. Die Umformrate dphi/dt ist sehr niedrig. Die Prozessdauer kann 1 min beim Hot Forming, aber auch mehr als 2 h bei komplexen SPF-Bauteilen betragen.

Durch diese speziellen Randbedingungen werden die Fließspannungen gering gehalten. Das Material kann sich gut im Gesenk verteilen, bei gleichzeitiger Schonung des Werkzeugs.

So können komplizierte Bauteile mit guter Maßhaltigkeit in einem Schritt hergestellt werden. Dabei können sehr hohe Umformgrade von mehreren Hundert Prozent erreicht werden.

Angepasst erfüllen hydraulische Pressen alle Anforderungen

Mit hydraulischen Pressen lassen sich genau diese Bedingungen – sehr langsame Stößelbewegungen mit variabler Geschwindigkeit oder lange Lasthaltezeiten mit variabler Kraft – präzise umsetzen. In Verbindung mit einer integrierten, exakt regelbaren Wärmekammer, hochhitzebeständigen Werkzeugaufnahmen und einer adäquaten Produktionsdatenerfassung und -verwaltung können die Anforderungen der Luft- und Raumfahrtindustrie genau wie die anderer Industriezweige erfüllt werden.

Natürlich können die genannten Verfahren unter Anpassung von Temperatur und Umformrate außer für Titan auch für eine Vielzahl anderer Werkstoffe wie Al, Mg, Ni-Basis-Legierungen und Edelstähle eingesetzt werden.

Zwei Pressentypen bieten sich für das isotherme Umformen von Titan an

Grundsätzlich kann man zwei Pressentypen für das isotherme Umformen unterscheiden. Zum einen die Isotherm-Massivumformpresse mit den Ausstattungsmerkmalen:

  • hohe Kraftdichte,
  • sehr steifer, spielfrei geführter Stößel,
  • langsame Stößelachse mit 0,05 bis 2 mm/s und weniger,
  • integrierte Wärmekammer mit exakter Temperaturregelung und
  • Kraftübertragung über hochhitzebeständige Werkzeugträger.

Zum anderen die Isotherm-Blechumformpresse für verschiedene Anwendungen:

  • integrierte Wärmekammer mit direkter Kraftübertragung,
  • Stößel mit optimierter Zylinderanordnung, je nach Anforderung mit Parallelregelung,
  • zweikanalige Gasregelstrecke für Inertgas (für SPF Gasumformung und Diffusionsschweißen),
  • regelbare Lasthaltung für Gasumformung und Diffusionsschweißen,
  • langsame Stößelachse für die mechanischen Umformprozesse und
  • hydraulisches Tischkissen für das Heißtiefziehen.

Beim Umformen von Titan muss die gesamte Prozesskette betrachtet werden

Um eine optimale Systemlösung sicherzustellen, genügt es allerdings nicht, nur den zentralen Umformprozess zu sehen. Man muss die gesamte Prozesskette betrachten. Alle vor- und nachgelagerten Prozesse müssen in eine Anlagenplanung mit einbezogen werden:

  • vorformen, biegen, Upsetting,
  • beschichten,
  • Beschnitt,
  • kalibrieren/thermisch stabilisieren und
  • waschen/Strahlen/chemisch abtragen

Die hohen Prozesstemperaturen, geringen Stückzahlen und häufigen Bauteilwechsel erfordern dabei die Berücksichtigung zusätzlicher Randbedingungen:

  • Macht automatisches Bauteilhandling Sinn und, wenn ja, wo und wie?
  • Wo und wie müssen Bauteile im Prozess erwärmt oder gekühlt werden?
  • Welche Ofentechnik kommt zum Einsatz?

Bei zukünftigen Anlagen wird auch der Bereich Produktionsdatenerfassung und -verwaltung eine immer größere Rolle spielen, vor allem im Hinblick auf die Einzelteilverfolgung.

Ebenfalls von besonderer Bedeutung ist das Thema Werkzeugwechsel, vor allem wenn es um Flexibilität und die Senkung der Nebenzeiten geht. Muss eine Anlage bei jedem Werkzeugwechsel auf Raumtemperatur gekühlt und anschließend wieder auf Prozesstemperatur gebracht werden (700 bis 1000 °C), so wird der Hauptzeitanteil erheblich reduziert und die Lebensdauer der Heißkomponenten vermindert. Deshalb werden intelligente und effiziente Systeme für den Warmwerkzeugwechsel zunehmend wichtiger, um die unproduktiven Wechselzeiten zu reduzieren. Daraus ergibt sich aber folgerichtig die Notwendigkeit, automatisierte Spann- und Werkzeughandlingssysteme einzusetzen.

Hydraulische Pressen formen Titan prozesssicher und flexibel um

Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass es heute und mit zunehmender Tendenz in der Zukunft für den Werkstoff Titan viele interessante Anwendungen auf unterschiedlichsten Gebieten gibt. Wie die Entwicklung sein wird, hängt aber nicht zuletzt davon ab, ob Systemlösungen zur Umformung der benötigten Bauteile zur Verfügung stehen, die den besonderen Randbedingungen genügen, die Titan an den Umformprozess stellt.

Hier bieten Systemlösungen mit hydraulischen Pressen hervorragende Möglichkeiten. Leistungsstark, prozesssicher, flexibel und höchst effizient können Anlagen an die verschiedensten Bedürfnisse der Kunden angepasst werden. Egal ob es sich um eine Einzelmaschine oder eine vollautomatisierte Anlage handelt (Bild 5). Um unter anderem für die Luft- und Raumfahrtindustrie derartige Pressen anbieten zu können, ist der weltgrößte Pressenhersteller Schuler nun eine Technologiepartnerschaft mit der Form-Tech GmbH aus Weyhe bei Bremen eingegangen. Form-Tech verfügt über herausragendes Wissen auf diesem Gebiet – von der Entwicklung von Umformverfahren, Werkzeugen und Bauteilen bis hin zum Prototypenbau.

„Wir stehen dafür, dass die Titanumformung leistungsstark, prozesssicher und höchst effizient erfolgt“, sagt Schuler SMG Geschäftsführer Manfred Wischnewski. Diese Technologiepartnerschaft von Schuler und Form-Tech macht es möglich, Titanlegierungen wirtschaftlich für ein breites Spektrum an Bauteilen zu nutzen. Anwendbare Verfahren sind das Gasdruckumformen (SPF), das Diffusionsschweißen (DB), Warmumformen, Heißtiefziehen sowie das isotherme Massivumformen (Bild 6). Die von den beiden Partnern entwickelte Umformtechnologie für Titan geht nur mit geringem Materialverlust einher.

Literatur

  • [1] Titanium, the ideal partner for CFRP - Werner Beck, Stefan Schöps et al, Formtech GmbH (Stade Convention 2010)
  • [2] Titanumformung - Fraunhofer Institut für Schicht- und Oberflächentechnik, 2010
  • [3] Ressourcenschonende Titanumformung im Spannungsfeld zwischen Kleinserie und großen Stückzahlen - Werner Beck, Formtech GmbH (NORTEC Hamburg 2012)

* Christof Merten ist Produktmanager Aerospace bei der Schuler SMG GmbH & Co. KG in 68753 Waghäusel

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