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Kühlzeit runter

Auslegung von Werkzeugen für das Formhärten

| Autor / Redakteur: Simon Scherrenbacher / Dietmar Kuhn

Schuler verfügt über eine Try-Out-Zelle zur Werkzeugausprobe und Fertigung von Prototypen und Kleinserien.
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Schuler verfügt über eine Try-Out-Zelle zur Werkzeugausprobe und Fertigung von Prototypen und Kleinserien. (Bild: Schuler)

Die weltweite Nachfrage nach dem Formhärten steigt sprunghaft: Wurden 1997 noch rund 8 Mio. Stoßfängerverstärkungen, Dachrahmen, Schweller, B-Säulen, Tunnel und andere Bauteile auf diese Weise hergestellt, waren es 2010 schon 124 Mio. Und in den nächsten zwei Jahren soll sich der Bedarf nach Untersuchungen der Universität Kassel auf 600 Mio. Stück sogar mehr als verfünffachen.

Bestand die Karosserie des Golf VI noch zu lediglich 5 % aus warmumumgeformten Stählen, so kletterte der Anteil beim Nachfolger Golf VII auf 26 %. Kein Wunder: Der modulare Querbaukasten, der bei Volkswagen als Plattformkonzept zum Einsatz kommt, beinhaltet elf warmumgeformte Teile; je nach Fahrzeug kommen sechs weitere sogenannte Hut-teile hinzu. Ein weiteres Wachstum des Anteils in der Karosserie auf deutlich über 30 % auch bei anderen Automodellen ist durchaus realistisch. Beim neuen Volvo XC90 wird die Quote sogar bei 40 % liegen.

Zwei Formhärteverfahren dominieren

Grundsätzlich lassen sich beimFormhärten zwei Verfahren unterscheiden. Beim indirekten Formhärten werden Stahl-Platinen (22MnB5) konventionell kalt vorgezogen und beschnitten, bevor die Bauteile auf etwa 930 °C erwärmt und im wassergekühlten Werkzeug ohne weitere Umformung gehärtet werden. Beim direkten Formhärten wird hingegen nur die Platine erwärmt und im Werkzeug in einem Schritt umgeformt und gehärtet. Damit entfallen also mehrere Prozessschritte im Vergleich zum indirekten Formhärten.

Das indirekte Verfahren wird in der Regel nur noch für Zink-beschichtete Bleche verwendet, da diese bisher beim direkten Verfahren zur Rissbildung neigen. Unbeschichtete Platinen und solche, die mit einer Legierung aus Aluminium und Silicium beschichtet sind (feueraluminiert), werden üblicherweise im direkten Verfahren verarbeitet.

Kurze Zykluszeit ist für die Qualität der Bauteile entscheidend

Entscheidend für hohe Qualität und eine kurze Zykluszeit ist der schnelle Wärmeübergang vom heißen Bauteil in das Kühlwasser: Das schwächste Glied dieser Kette bestimmt den Takt. „Einflussfaktoren auf die Kühlzeit sind unter anderem die eingebrachte Energie, die maßgeblich von der Einlege- und Entnahmetemperatur der Platine sowie von ihrer Stärke und ihrem Gewicht abhängt, sowie der Wärmeübergang zwischen Platine und Werkzeug“, zählt Dr. Dirk Haller von Schuler auf. „Weitere Faktoren sind die Wärmeleitfähigkeit des Werkzeugs und der Abstand der Kühlung zur Oberfläche sowie die Energieabführung, also zum Beispiel die Anzahl und Größe der Kühlkanäle, die Temperatur des Kühlmediums und die Durchströmung der Kühlkanäle.“

Dirk Haller arbeitet im Technologiefeld Process Technology bei Schuler. Der Bereich mit seinen rund 500 Mitarbeitern und einem jährlichen Umsatz von etwa 80 Mio. Euro hat bislang über 50 Werkzeuge für das Presshärten konstruiert, gebaut und ausgeliefert – unter anderem für Fiat und VW, SSDT in China und Proton in Malaysia. Zum Beschneiden der pressgehärteten Bauteile wurden weitere 30 Werkzeuge hergestellt. Die Experten unterstützen ihre Kunden nicht nur durch den Bau des Werkzeugs und sein Try-Out, sondern auch schon im Vorfeld durch Machbarkeitsuntersuchungen und FE-(Finite-Elementesimulationen sowie beim Anlauf der Produktion – zum Beispiel durch das Training des Kundenpersonals – sowie in der Kleinserienfertigung.

Unterstützung für Neueinsteiger mit Simultanous Engineering

So lassen sich im Rahmen einer Machbarkeitsuntersuchung beispielsweise die Problemstellen eines Bauteils identifizieren: Wo kommt es zu einer Aufdickung oder Abstreckung? Wo bilden sich Falten? „Derartige Problemstellen lassen sich entweder durch Änderung des Werkzeugkonzeptes beheben oder erfordern eine Überarbeitung der Bauteilgeometrie in enger Abstimmung mit dem Kunden beziehungsweise dem Bauteilentwickler“, erklärt Haller. Im Rahmen dieses „Simultanous Engineering“ unterstützt Schuler schon seit Jahren insbesondere Neueinsteiger auf der ganzen Welt bei der Bauteilentwicklung.

Schuler verfügt über eine Try-Out-Zelle zum Formhärten, die sich nicht nur zur Werkzeugausprobe eignet, sondern auch zur Fertigung von Prototypen und Kleinserien.

Dank einer Servo-Transfer-Automation mit Verfahrgeschwindigkeiten von bis zu 3,5 m/s ist die „time on air“ – also die Zeit, die das Teil zwischen Ofen und Werkzeug benötigt – minimal: „Das bedeutet, dass die Anlage auch für Grundlagenversuche im Bereich Werkstoff- oder Beschichtungsentwicklung geradezu prädestiniert ist“, erklärt Haller. Beim Formhärten gilt: Je höher der Anpressdruck, desto schneller der Wärmeübergang und desto kürzer die Kühlzeit – und desto höher die Ausbringungsleistung. „In der Regel wird durch Federpakete, Stickstofffedern oder Hydraulikzylinder im Werkzeug oder eine Zieheinrichtung in der Presse dieser Anpressdruck erzeugt“, sagt Haller. „Durch starke Erhöhung des Anpressdrucks mittels PCH-Kissen beziehungsweise -Werkzeug, Optimierung der Kühlkanäle und bauteilspezifische Auswahl des Werkzeugstahls ist es uns gelungen, den Wärmeübergang weiter zu beschleunigen und damit die Zykluszeiten drastisch zu reduzieren.“

Spezielles Kissensystem als Weiterentwicklung des Formhärtens

PCH steht für „Pressure Controlled Hardening“: So hat Schuler diese Weiterentwicklung des Formhärtens genannt. Dabei kommt ein spezielles Kissensystem mit kommunizierenden Einzelzylindern zum Einsatz. Die Vorteile: Die Werkzeugkosten reduzieren sich und die Bauteilqualität erhöht sich dank des kontrolliert gleichmäßigen Anpressdrucks.

Die Bauteileigenschaften können dabei immer besser eingestellt werden, beispielsweise durch „Tailored Tempering“. Hierzu arbeitete Schuler an dem vom Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderten Verbundprojekt „Flexible Wärmebehandlung zur gezielten Gestaltung von Bauteileigenschaften und zur Erhöhung der Energieeffizienz der Prozesskette Warmumformen“ mit, an den unter anderen auch Audi, Daimler, das Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik (IWU) sowie Thyssen-Krupp beteiligt waren. Dabei ging es um Bauteile, wie zum Beispiel B-Säulen: Sie sollen in der Mitte möglichst fest, an den Enden jedoch verformbar sein, um bei einem Aufprall Energie zu absorbieren. Dies kann durch Werkzeuge mit verschiedenen Temperaturzonen erreicht werden, die entweder beheizt, gekühlt oder isoliert sind.

Schuler sammelte auch Erfahrungen mit anderen „Tailored Parts“: Für eine gepatchte B-Säule, bei der ein kleineres Blechstück zur Verstärkung vor dem Formhärten aufgeschweißt wird, lieferte der Bereich Process Technology Serienwerkzeuge für eine Turnkey-Anlage. Für Volkswagen wurden zudem Prototyp-Teile einer „Tailored-Rolled“-B-Säule hergestellt: Hierbei erhält das Blech schon beim Walzen unterschiedliche Dicken mit einem homogenen Übergang. Mit „Tailored Welded Blanks“, die aus aneinandergeschweißten Platinen bestehen, sind bereits die nächsten Versuche geplant.

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