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Umformen mit Wirkmedien erhöht Leichtbaupotenzial

| Autor: Stéphane Itasse

Ob Innenhochdruck-Umformen oder Hydroformen – das Umformen mit Wirkmedien sollte man nicht vorzeitig abschreiben. Es bietet noch Potenzial, vor allem im Hinblick auf den Leichtbau, wie die Konferenz „Neue Entwicklungen in der Hydroumformung“ zeigte.

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Mit Innenhochdruck-Umformung ließen sich schon bisher relativ komplizierte Geometrien herstellen – jetzt wurde das Verfahren weiterentwickelt.
Mit Innenhochdruck-Umformung ließen sich schon bisher relativ komplizierte Geometrien herstellen – jetzt wurde das Verfahren weiterentwickelt.
( Bild: Itasse )

Wie sich mehr Leichtbau mit Hohlkörpern und Blechen erreichen lässt, zeigte Prof. Jürgen Hirsch, Berater der Hodforming GmbH, anhand des Verfahrens: „Fast Hot Die Forming“ (HDF) auf der Konferenz des IFU Stuttgart. Dabei findet der Innenhochdruck-Umformprozess von Rohren oder Blechen in einem beheizten Werkzeug statt, sodass die erhitzte Form annähernd die gleiche Temperatur wie das erhitzte Werkstück hat. Damit kann der Prozess bei konstanter Temperatur ablaufen, es müssen keine Abkühlvorgänge berücksichtigt werden. Das macht das HDF-Verfahren laut Hirsch besonders für schwer umformbare Werkstoffe geeignet, beispielsweise 7000er-Aluminiumlegierungen oder andere Legierungen, die man vor dem Umformen lösungsglühen muss, ebenso wie Materialien, die ein Anlassen benötigen. „Wir dringen in Temperaturbereiche vor, die das Lösungsglühen von Aluminium erreicht. Man kann Glühprozess und Wärmebehandlung in diesen Prozess integrieren“, erläuterte Hirsch. Bei Aluminium kommen noch gute Oberflächeneigenschaften hinzu, weil Werkzeug und Werkstück nur kurze Zeit Kontakt miteinander haben.

Erwärmung steigert den Umformgrad des Innenhochdruckumformens weiter

Ein weiterer Vorteil ist nach seinen Angaben, dass der HDF-Prozess einen sehr hohen Umformgrad bietet, und das auch sehr lokal. Damit sind scharfe Ecken oder Bauteile mit variabler Wandstärke herstellbar. „Im Prozess kann man auch Material nachschieben, sodass man damit Wanddicken variieren kann“, erläuterte Hirsch. Bis zu 200 % Umformgrad seien bereits erreicht, 320 % traut sich das Unternehmen nach seinen Worten zu. Solche Eigenschaften sind für Leichtbauteile interessant, weil damit eine belastungsoptimiertere Geometrie und Materialverteilung erreichbar ist. Nicht zuletzt bietet das HDF-Verfahren Taktzeiten unter 10 s und eignet sich damit für die Massenproduktion.

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Über neue Entwicklungen beim Hydroformen von Blechen berichtete Trent Maki, President North America des Pressenherstellers und Automobilzulieferers Amino Corp. Das Unternehmen hat ein eigenes Hydroformverfahren, bei dem der Pressenstößel das formgebende Werkzeug darstellt und der Gegendruck durch ein Wasserbad als Kissen ausgeübt wird. Der Wasserdruck wird während des Umformprozesse über ein Ventil gesteuert. Das Unternehmen hat dafür eine Pressenlinie in Kanada installiert, auf der Fahrzeugteile in kleinen Serien von weniger als 5000 Autos pro Jahr produziert werden.

„Der Prozess von Amino erlaubt größere Ziehtiefen oder kompliziertere Geometrien als ein konventioneller Tiefziehprozess. Das liegt an der gleichmäßigeren Verteilung der Belastung im Prozess“, erläuterte Maki. Hinzu kommen geringere Werkzeugkosten, weil durch die bessere Umformbarkeit weniger Umformoperationen notwendig sind. Schließlich kann man eine gute Bauteilqualität erreichen, weil es im Wasser weniger Rückfederung gibt. Amino nutzt das Verfahren zum Herstellen von Autotüren oder größeren Bauteilen mit komplizierten Geometrien.

Um dieses Hydroformverfahren weiterzuentwickeln, forscht das Unternehmen am elektrohydraulischen Umformen. Dabei wird über eine elektrische Entladung im Wasser eine Druckwelle ausgelöst. Diese Druckwelle drückt das Blech in eine Form, dabei sind auch lokal begrenzte Umformungen möglich.

Der Einsatz höherfester Rohrmaterialien für IHU-Anwendungen im Automobilbereich war Thema von Dr. Marcus Bistron, Projektmanager bei Benteler Steel/Tube. Bisher heute werden IHU-geformte Rohre für Konstruktionen beispielsweise im Chassis verwendet. Als Werkstoff dienen konventionelle C-Mn-Stähle mit einer niedrigen bis mttleren Festigkeit sowie einer guten Umformbarkeit. Für die künftigen Anforderungen sind hier jedoch höherfeste Stahlwerkstoffe notwendig. Solche Stahlgüten mit höherer Festigkeit und guter Umformbarkeit erlauben es, die Wanddicke und damit auch das Gewicht der Rohre zu reduzieren. Dual- oder Multiphasenstähle eignen sich sehr gut dafür. Neue Entwicklungen für sicherheitsrelevante Bauteile erreichen Festigkeiten bis 1200 MPa und eine verbesserte Duktilität aufgrund einer optimierten Mikrostruktur.

Bainitische Monophasenstähle bieten Vorteile gegenüber Multiphasenstählen

Eine Alternative sieht Bistron in bainitischen Stählen mit einer homogenen Mikrostruktur und einer verbesserten Duktilität und Schweißbarkeit. Bei Anwendungen wie Lochaufweitungen profitieren die Anwender von einer unproblematischen Handhabung. Im Gegensatz zu Multiphasenstähle haben solche hochfesten bainitischen Stähle eine fast durchgängige bainitische Mikrostruktur. Dies erhöht die Widerholgenauigkeit bei der Bearbeitung und ermöglicht damit stabilere Prozessrouten. Die Zugfestigkeit der Rohre aus bainitischen Stählen reicht von 600 bis über 1000 MPa. Sie können ohne weitere Wärmebehandlung in die nachfolgenden Produktionsschritte gehen.

Als dritte Werkstoffgruppe nannte Bistron Hochmanganstähle. Sie basieren auf einer austenitischen Mikrostruktur und haben eine Zugfestigkeit zwischen 800 und 1000 MPa sowie eine Dehnbarkeit von 40 bis 60 % bei einem geschweißten Rohr. „Die Festigkeit kann leicht durch Kaltwalzen oder Kaltziehen erhöht werden, bis zu einem Bereich, wie wir ihn von QT-Stählen kennen“, sagte er. Dies erspart zudem Prozesse wie das Abschrecken oder Temperieren.

„Um das Potenzial dieser Stahlsorten auszuschöpfen, muss man die gesamte Prozesskette evaluieren“, forderte Bistron. Die Entwicklung müsse dabei von Prozesssimulationen unterstützt werden; und auch der Wissensaustausch zwischen allen Unternehmen im Produktionsprozess hilft dabei, ein kostengünstige Leichtbauteil für Automobile zu entwickeln.

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