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Umformtechnik

Grenzbereiche erweitern

| Redakteur: Güney Dr.S.

Neuere Untersuchungen zur umformtechnischen Anwendung von Aluminium im Automobilbau.

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( Archiv: Vogel Business Media )

Die zunehmende Funktionalität und Technisierung im Automobilbau bewirkte bisher eine stetige Gewichtserhöhung der Fahrzeuge. Mit dem Einsatz von Leichtbauwerkstoffen kann dieser Entwicklung entgegengewirkt werden. Außer höherfesten Stählen, Magnesium, Metall-Kunststoff-Verbunden und Kunststoffen können Aluminiumlegierungen nach wie vor einen wichtigen Beitrag zur Erfüllung dieser Aufgabe leisten.

Aluminium gilt als das zweitwichtigste Material

In unserer heutigen Industriegesellschaft hat sich Aluminium nach Stahl zum wichtigsten Gebrauchsmetall entwickelt. So wird dieser vielseitige Werkstoff in Reinform oder als Legierung für ein breites Produktspektrum eingesetzt. In der Fahrzeugindustrie kommen Aluminium-Knetlegierungen bereits heute für die Herstellung einzelner Klappenkomponenten bis hin zu vollständigen Karosserien zur Anwendung.Trotzdem muss eingeschätzt werden, dass außer den höheren Werkstoff- und Verarbeitungskosten vor allem der immer noch unzureichende technische Erkenntnisstand einer breiteren Anwendung von Aluminium speziell im Automobilbau entgegensteht.

Obwohl bei vielen Automobilherstellern seit einiger Zeit verstärkt Anstrengungen zu beobachten sind, Aluminiumwerkstoffe für die Herstellung ihrer Produkte einzusetzen, reicht der Erkenntnisstand nach wie vor nicht aus, die Technik- und Kostenlücke zwischen Aluminium und Stahl zu schließen. Durch das Verstehen des Werkstoffverhaltens während der Umformung sowie der Kenntnis der Versagenskriterien beziehungsweise Versagensgrenzen ist es möglich, die spezifischen Eigenschaften und Besonderheiten von Aluminiumlegierungen bei der Auslegung des Umformprozesses, einschließlich Werkzeug- und Bauteilgestaltung, einfließen zu lassen.

Das Hauptziel zahlreicher Forschungsarbeiten – beispielsweise am IWU Chemnitz – bestand deshalb darin, für praxisrelevante Umformverfahren Wissenslücken hinsichtlich der Verarbeitung von Aluminiumlegierungen zu schließen und anwenderbezogene Richtlinien zu erarbeiten.Das Tiefziehen kommt als eines der wichtigsten und weit verbreitetsten Umformverfahren in den meisten Industriezweigen zum Einsatz, wobei die Produktspanne von einfachen, rotationssymmetrischen Näpfen bis hin zu komplexen Karosserieteilen reicht.

Im Rahmen eines Forschungsvorhabens zum Tief- und Streckziehen von Aluminiumlegierungen, das von der EFB finanziert und betreut und über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) mit Mitteln des Bundesministers für Wirtschaft (BMWi) gefördert wurde, konnten allgemein gültige Abhängigkeiten zwischen den erreichbaren umformtechnischen Grenzen und der verwendeten Werkzeuggeometrie ermittelt und dargestellt werden. Dabei kamen typische, praxisrelevante 5000er- und 6000er-Aluminiumlegierungen zur Anwendung.

Die erzielten Ergebnisse bildeten die Grundlage für allgemeine Prozess- und Werkzeuggestaltungsrichtlinien zur Aluminiumumformung.Weiterhin wurden Möglichkeiten untersucht, die das Verhalten von Aluminium im Sinne der Verschiebung der Umformgrenzen positiv beeinflussen, wobei vor allem die Nutzung der Mehrpunkt-Ziehtechnologie (MPZT) zu nennen ist.

Wie die verwendeteVersuchswerkstückgeometrie zeigte lagen die mit dieser fortschrittlichen Technik erreichbaren Ziehtiefengewinne bei maximal 30% bei gleicher Blechzuschnitts-geometrie.Für das Fügen von inneren und äußeren Karosseriekomponenten kommen häufig Falzoperationen zur Anwendung. Aufgrund der im Vergleich zu Stahl eingeschränkten Umformbarkeit werden beim Falzen von Aluminium häufig sehr früh die Versagensgrenzen, beginnend von Mikrorissen bis hin zum vollständigen Bruch des Bleches, erreicht.

Aluminiumbearbeitung durch Falzen

Unter Berücksichtigung der Forderungen, auch bei der Verarbeitung von Aluminium Flachfalze zu realisieren, wurden während umfangreicher Untersuchungen relevante Prozessfaktoren detektiert und bewertet. Es zeigte sich, dass außer der Orientierung zur Walzrichtung und der Vordehnung vor allem der Vorbiegeradius (90°-Biegung) sowie die Geometrie der Werkzeugaktivteile (Stempel) während der 135°-Biegung einen entscheidenden Einfluss auf das Falzergebnis hatten.

Die besten Ergebnisse wurden mit einer angepassten Biegegeometrie, ähnlich einer Traktrix-Kurve erreicht. Für die praktischen Versuche mit der Legierung AA6111 kam ein modular aufgebautes Falzwerkzeug (90°-, 135°- und 180°-Biegung) zur Anwendung, was die Bewertung einzelner Werkzeugkenngrößen ermöglicht. In Bild 2 sind die Versuchsbedingungen zusammengefasst, die eine Realisierung von Flachfalz-Verbindungen ohne die Ausbildung von Reißern ermöglichten. Die Entwicklung, Modifizierung beziehungsweise Optimierung von Umformtechnologien zur Realisierung von Prototypen und Kleinserien stellt außer den grundlegenden Untersuchungen zur Umformbarkeit von Aluminiumwerkstoffen einen weiteren Forschungsschwerpunkt dar. In den folgenden Ausführungen werden ausgewählte Praxislösungen vorgestellt.

Für eine designgerechte Fertigung von Koffer-Gehäusen für Motorräder, bestehend aus Deckel, Boden, Mantel und Abgaseinsatz wurden geeignete Fertigungstechniken erstellt und auf ihre Machbarkeit hin überprüft. Weitere Kriterien für Bewertung der einzelnen Varianten waren Werkzeug aufwand / Kosten, Fertigungszeitraum für Werkzeuge und Muster, Wirtschaftlichkeit sowie Flexibilität der Werkzeuge bei konstruktiven Änderungen.Weil es bei 6000er-Aluminiumwerkstoffen während der Umformung nicht zu einer Ausbildung von Fließfiguren kommt, kamen zu Beginn ausschließlich diese Legierungen (AA6016, AA6111) zur Anwendung.Basierend auf dem Variantenvergleich wurden dann Werkzeuge für die Herstellung der einzelnen Umformstufen der Kofferkomponenten entwickelt, konstruiert und gebaut. Bild 3 zeigt das Tiefziehwerkzeug für die Fertigung der Boden- und Deckelschalen.

Trotz einer qualitätsgerechten Ausbringung der Bauteile unter Nutzung der 6000er-Aluminiumlegierungen wurde aus wirtschaftlichen Aspekten eine fließfigurenarme 5000er-Legierung für die Serie zur Anwendung gebracht. Aufgrund der hohen Ansprüche an die Außenhautqualität und zulässiger minimaler Restschmierstoffmengen kamen Bleche mit Ziehfolie (PE-Folie) zur Anwendung, weil reiner Schmierstoffeinsatz diesen Forderungen nicht genügte. Bis zur Übergabe der Werkzeuge an den Zulieferer wurden Blechformteile für über 5000 Koffer hergestellt, wobei die Mehrpunkt-Ziehtechnologie (MPZT) zur Prozessstabilisierung diente.

Der Einsatz von neuartigen, wölbstrukturierten Aluminium-Feinblechen bietet das Potenzial, weitere Effekte hinsichtlich der Verringerung der Bauteilgewichte zu erreichen. Um deren Anwendungsgebiet zu erweitern, muss neben der Charakterisierung der Halbzeuge auch der Nachweis der umformtechnischen Verarbeitbarkeit erbracht werden.Das Ziel eines weiteren Projektes bestand in der Realisierung von einbaufertigen Prototypen-Bodenblechen aus wölbstrukturierten Feinblechen (AA5xxx) für ein Konzeptfahrzeug.

Dazu wurde die Umformtechnik entwickelt und das erforderliche Werkzeug konstruiert, gebaut und erprobt. Um die Kosten für die Herstellung dieser Bodenbleche minimieren zu können, kam als Werkzeugwerkstoff Kunststoff mit lokalen Verstärkungseinsätzen aus Stahl zur Anwendung.Mit Hilfe der entwickelten Umformtechnik konnten die Bodenbleche aus den strukturierten Feinblechen umformtechnisch hergestellt werden. Weiterhin wurde eine Verbesserung der finalen Bauteileigenschaften, was außer der Form- und Maßgenauigkeit vor allem die Verringerung der Bauteildurchbiegung von bis zu 20% im Vergleich zum unstrukturierten Bauteil betraf, erreicht. Dadurch war es möglich, eine Reduzierung der Einsatzblechdicke um bis zu 10% zu erreichen.

Hydroformen von Strukturteilen

Eine Strategie, das Umformverhalten von Aluminium positiv zu beeinflussen, besteht in der Optimierung des tribologischen Systems zwischen Werkzeug und Werkstück während der Umformung. Besonders bei hohen Kontaktspannungen, wie sie zum Beispiel bei Innenhochdruck-Umformen (IHU) im Nachschiebebereich auftreten, muss diesem Aspekt ein besonderer Stellenwert zugemessen werden. Die Anwendung neuartiger, kohlenstoffbasierter Schichten (a-C:H) bietet zum Beispiel die Chance, den Werkstofftransport in die Umformzone zu optimieren. Das Ziel eines Projekts, das in enger Zusammenarbeit mit dem Fh-IST Braunschweig durchgeführt wurde, bestand deshalb in der Untersuchung und Bewertung des Potenzials dieser Verschleißschutz-Beschichtungen beim IHU. Nachschiebesegmente eines IHU-Serienwerkzeugs zur Herstellung von Hinterachsträgern (5000er-Legierung) wurden über 75 000 Werkstücke hinweg analysiert. Folgende Effekte konnten dabei auf den Einsatz der a-C:H-Schicht zurückgeführt werden:

- Materialeinsparung am Halbzeug über verkürzten Axialstempelhub, da verbessertes Nachfließen des Werkstoffes,

- Substitution des Schmierstoffes MoS2 durch ökologisch unkritische Schmieröle,

- kein adhäsiver Werkzeugverschleiß im Nachschiebebereich feststellbar,

- Erhöhung der Werkzeug-Lebensdauer.

Als Beispiel sei ein umgeformter Hinterachsträger mit dem beschichteten Nachschiebebereich des IHU-Werkzeuges genannt.Die durchgeführten Untersuchungen zeigen ganz deutlich, dass es unerlässlich ist, jede einzelne Komponente eines umformtechnischen Systems sowohl in ihrer Gesamtheit als auch in ihren Wechselbeziehungen zu berücksichtigen, um letztendlich qualitätsgerechte Bauteile aus Aluminium herstellen zu können. Dabei stellen die Gestaltung des Umformprozesses, die Festlegung der Prozessparameter, die Auslegung des Umformwerkzeuges sowie die Gestaltung des tribologischen Systems die wichtigsten Einflussgrößen dar.