Wie mit neuen Fertigungslösungen Bauteile aus Aluminiumschaumsandwiches entstehen

Aluminiumumformung Wie mit neuen Fertigungslösungen Bauteile aus Aluminiumschaumsandwiches entstehen

26.11.2007Autor / Redakteur: Bernd Viehweger und Alexander Sviridov / Dietmar Kuhn

Die Anforderungen im Fahrzeugbau bezüglich Crashsicherheit, Gewichtsminimierung, Schalldämmung oder Wärmedämmung nehmen ständig zu. Ein Weg, diesen Anforderungen gerecht zu werden, ist der Einsatz innovativer Schichtverbunde, die bezüglich ihres Eigenschaftsprofils wie Steifigkeit, Gewicht, Energieabsorption konventionellen, monolithischen Werkstoffen überlegen sind. Für einen wirtschaftlichen Einsatz von Bauteilen aus Schichtverbunden sind ihren Eigenschaften angepasste Fertigungstechnologien wie etwa das Umformen zu entwickeln.

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Im Rahmen des Projektes Aluminiumschäume für crashsichere Frontmodule von Schienenfahrzeugen werden Aluminiumschaumsandwich-Bleche untersucht, die im Vergleich zu konventionellen Blechwerkstoffen sehr viele Vorteile bieten, wie etwa deutlich höhere Steifigkeit, sehr gute Energieabsorptionseigenschaften, hervorragende Wärme- und Schalldämmung sowie ein niedriges spezifisches Gewicht. Die Partner des Verbundvorhabens, der Anwender Bombardier Transportation, der Bauteilhersteller Wilhelm Schmidt, der Simulationspezialist AMIC Angewandte Micromesstechnik GmbH sowie der Technologieentwickler Lehrstuhl Konstruktion und Fertigung der BTU Cottbus, hatten das Ziel, zur Erhöhung der Crashsicherheit und Minimierung des Gewichts unter Berücksichtigung der Wirtschaftlichkeit Aluminiumschaumsandwiche im Schienenfahrzeugbau als Material für das Frontmodul des Reisezugwagens ITINO einzusetzen.

Das richtige Rezept für ein Aluminiumschaumsandwich

Bei Aluminiumschaumsandwichen handelt es sich um einen dreischichtigen Verbund, wobei die Kernlage im unaufgeschäumten Zustand aus dem mit Treibmittel (TiH2) vermischten und verpressten Aluminiumpulver besteht und als Deckbleche konventionelle Aluminiumbleche (Al-Legierung 6060) verwendet werden. Die drei Schichten werden zu einem Sandwichblech walzplattiert, das als Halbzeug durch Schneiden, Umformen und Aufschäumen weiter zu einem Bauteil verarbeitet werden kann. Das Aufschäumen des Sandwichblechs erfolgt in speziellen Öfen durch Aufheizen auf die Aufschäumtemperatur, wobei die Kernlage auf Enddicke expandiert. Nach der Aufschäumoperation entsteht ein Aluminiumschaumsandwich, das aus zwei Aluminiumdeckblechen und einer Kernlage aus Aluminiumschaum besteht (Bild 1).

Aus der Simulation heraus ein Frontmodul entwickeln

Ziel des Projektes war es, das Frontmodul aus Aluminiumschaumsandwich mit geeigneten Fertigungsstrategien herzustellen. Für die Herstellung eines realen Bauteils sind ausser der Konstruktion in neuer Bauweise auch experimentelle Entwicklungen zur Herstellung von einfachen Geometrien über Prototypbauteile erforderlich. Die Konstruktion des Frontmoduls in Aluminiumschaumbauweise sowie die Auslegung von Frontmodulteilen erfolgte anhand eines aus dem CAD-Modell des Frontmoduls erstellten Simulationsmodels (Bild 2). Mit Simulationsexperimenten wurden am Frontmodul die vorgeschriebenen genormten Lastfälle simuliert, um das Crashverhalten des Bauteils zu ermitteln. Durch die ermittelten Kennwerte konnte das geeignete Material beziehungsweise die erforderliche Materialdicke festgelegt und das Frontmodul in Aluminiumschaumbauweise konstruiert werden.

Für den Einsatz von Frontmodulen aus Aluminiumschaumsandwich ist eine robuste und wirtschaftliche Prozesskette für die Produktion von 3D-Formteilen erforderlich. Die Herstellung von dreidimensional gekrümmten Bauteilen erfordert vor dem Aufschäumen eine zusätzliche Umformoperation und die Entwicklung der hierfür erforderlichen Fertigungstechnologien und Werkzeuge.

Die Untersuchungen zur Herstellungstechnik wurden zuerst mit einem Probeteil durchgeführt, das eine einfache Form aufweist. Die Form des Probeteils wurde aus der Form gekrümmter Teile des Frontmoduls abgeleitet. Hierdurch konnten Erkenntnisse über die Herstellbarkeit der erforderlichen Radien sowie die Parameter für den Aufschäumprozess des Aluminiumschaumsandwiches ermittelt werden. In einem weiteren Schritt erfolgte die Herstellung eines Prototyps Frontmodulsegment, welches ein Segment der A-Säule des realen Frontmoduls im Maßstab 1:5 darstellt (Bild 3).

Für die Umformung des Probeteils wurde ein Umformwerkzeug entwickelt und hergestellt. Das Werkzeug besteht, ähnlich wie beim konventionellen Tiefziehprozess, aus Stempel und Matrize, ein Niederhalter ist nicht erforderlich. Mit dem Werkzeug wurde in einer Presse das Umformen erprobt und erste Teile geformt. Hierbei konnte nachgewiesen werden, dass auch bei komplexeren Geometrien ein problemloses Umformen von Sandwichblechen möglich ist. Weiterhin wurden bei der Herstellung des Probeteils Aufschäumparameter ermittelt. Bild 4 zeigt das Umformwerkzeug und das umgeformte Probeteil. In Bild 5 ist das Bauteil im aufgeschäumten Zustand zu sehen.

Die drei Elemente zur Herstellung eines Probeteiles

Kennzeichnend für die ersten Versuche mit dem Probeteil sind die aus dem Vollen durch 3D-Fräsen hergestellten Werkzeuge, der Einsatz einer Presse zum Umformen sowie die Verwendung einer separaten Vorrichtung zum Aufschäumen. Nachdem die technische Machbarkeit mit dem Probeteil nachgewiesen werden konnte, stand in einem weiteren Schritt die Entwicklung einer robusten und wirtschaftlichen Fertigungstechnik sowie optimierten Werkzeugen mit geringen Investitionen und Fertigungskosten im Vordergrund.

Die Beschaffung einer kostenintensiven Umformpresse, das aufwändige 3D-Fräsen der Umformwerkzeuge aus dem Vollen sowie die Herstellung eines separaten Aufschäumwerkzeuges verhindern den wirtschaftlichen Einsatz des Aluminiumschaumsandwiches. Um aus diesem Material kostengünstig und wettbewerbsfähig Bauteile fertigen zu können, musste die Fertigungstechnik optimiert werden. Zur Erprobung der optimierten Fertigungstechnik an einem möglichst praxisnahen Teil wurde das Probeteil Frontmodulsegment verwendet.

Verfahren zur Herstellung eines Frontmodulsegmentes

Das Umformwerkzeug zur Fertigung des Frontmodulsegments wurde wie folgt optimiert. Stempel und Matrize des Umformwerkzeugs bestanden aus einer Schweißkonstruktion, aufgebaut aus umgeformten 10 mm Stahlblechen, die durch 3D-Biegen hergestellt werden (Bild 6 und Bild 7). Dies ist wesentlich kostengünstiger als ein aus dem Vollen gefrästes Werkzeug. Vorteil dieses Werkzeuges ist ausser seiner Wirtschaftlichkeit und günstigeren Herstellung auch die Möglichkeit zur Verwendung als Aufschäumwerkzeug. Die Bauweise des aus Stahlblechen mit Stegen aufgebauten Werkzeugs führt zu einer geringen Masse und ermöglicht ein wesentlich schnelleres Aufheizen auf die Aufschäumtemperatur. Das Aufschäumen kann daher direkt im Umformwerkzeug stattfinden. Die Herstellung einer separaten Aufschäumvorrichtung ist nicht erforderlich.

In der Umformtechnik wurde zur Verringerung der erforderlichen Investitionen das Umformen bei 400 °C verwendet. Bei dieser Temperatur sind die Umformkräfte gering und es kann anstatt einer Presse eine wesentlich kostengünstigere und leicht transportable 50-t-Druckvorrichtung eingesetzt werden.

Die anhand von Probeteil und Frontmodulsegment entwickelte Fertigungstechnik wurde durch die Herstellung eines Demonstrators – ein halbes Frontmodul in Originalgröße – erprobt. Aufgrund der Größe des Frontmoduls musste es in einzelne Segmente aufgeteilt werden. Die Segmente werden geformt, aufgeschäumt, an den Rändern beschnitten und gefügt. Zum Fügen der Aluminiumschaumsandwiche sind gängige Schweißverfahren (MIG, WIG) anwendbar. Dabei werden ausschließlich die Deckbleche verschweißt, wobei bei entsprechenden Schweißparametern der Schaum unbeschädigt bleibt.

Nachweis zur wirtschaftlichen Herstellung

Den im Rahmen des Vorhabens hergestellten Demonstrator aus Aluminiumschaumsandwich zeigt Bild 8. Mit dem Demonstrator konnte nachgewiesen werden, dass Frontmodule aus Aluminiumsandwiches wirtschaftlich hergestellt werden können. Die Vorteile der Technik, wie:

keine kostenintensive Presse notwendig – Umformen in einer 50-t-Druckvorrichtung,
Anwendung eines kostengünstigen Umformwerkzeuges aus geformten Stahlblechen,
kein separates Aufschäumwerkzeug notwendig – Aufschäumen im Umformwerkzeug
bewirken, dass die Herstellkosten gegenüber dem glasfaserverstärkten Bauteil je nach Stückzahl gleichgroß oder bis zu 10% günstiger sind. Ein Frontmodul aus Aluminiumschaum ist gegenüber einem Frontmodul aus glasfaserverstärktem Kunststoff um etwa 20% leichter.

Weitere Vorteile des aus Aluminiumschaumsandwichen hergestellten Frontmoduls sind wesentlich höhere Crashsicherheit, Schwingungsdämpfung und Wärmedämmung, bessere Recyclingfähigkeit sowie günstigere Reparaturmöglichkeiten.

Prof. Dr.-Ing. Bernd Viehweger ist Inhaber des Lehrstuhls Konstruktion und Fertigung (KuF) der Brandenburgischen Technischen Universität in Cottbus, Dipl.-Ing. Alexander Sviridov ist wissenschaftlicher Mitarbeiter am selben Lehrstuhl. Weitere Informationen: Dipl.-Ing. Alexander Sviridov, Tel. (0355) 69-4607, sviridov@kuf.tu-cottbus.de