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Extremster Leichtbau – Metall-Warmumformung mit HDF

Im Rahmen des NRW-Leitmarktprojekts „Lightnesss.NRW“ wird der Nachweis der Herstellung eines Aluminium-Federbeindomes in der Massenfertigung erbracht.

Wenn Bleche als Platinen in allen Festigkeitsklassen also auch aus höchstfesten Materialien in Aluminium, Stahl, Messing, Titan usw. in das gewünschte Produkt wirtschaftlich von Kleinserien bis zur Massenfertigung geformt werden sollen, dann steht die HDF-Technologie zum Einsatz bereit.

Die Verbesserung der Umformbarkeit von Metallen und Legierungen ist von entscheidender Bedeutung für die Fertigung komplexer Bauteile, insbesondere – aber nicht nur – für die Massenproduktion in der Automobilindustrie. In der Vergangenheit lag der Schwerpunkt auf der Verbesserung der Kaltumformung, wie z. B. dem Tiefziehen komplexer Teile in einer mehrstufigen Pressenstraße in mehreren Umformschritten oder dem innovativen Hydroforming, um vor allem komplizierte Hohlkörper in einem Schritt herzustellen. Diese Technologien sind allerdings begrenzt, weitgehend ausgereizt und erreichen nicht die gewünschten Umformgrade und Toleranzen bei den neuen hochfesten Werkstoffen. Diese sind jedoch notwendig, um noch leichtere Komponenten herstellen zu können. So wurden neue hochfeste Stähle mit martensitischer Umwandlung entwickelt, die eine sehr hohe Festigkeit (bis zu 2.000 MPa) erreichen können. Deren Umformprozess beinhaltet das Abschrecken des Materials von hohen (austenitischen) Temperaturen (weit über 950°C), die erfolgreich mit dem Warmumformen und Abschrecken in einem Fertigungsschritt, dem so genannten „Presshärten“ kombiniert werden. Heutzutage ist dies ein gängiges Verfahren zur Massenproduktion von Teilen in leichteren Automobilen aus Stahl.

Bei Aluminium ist zwar keine martensitische Umwandlung möglich, dennoch werden auch hier bei Legierungen hohe Festigkeiten mit bis zu ca. 700 MPa – z.B. für Luft- und Raumfahrtanwendungen – durch den Prozess der Auflösung und Ausbildung feinster Teilchen (sog. „Aushärtung“) erreicht. Beide Materialgruppen erfordern spezielle thermomechanische Behandlungen und Technologien, die Hochtemperatur-Glühung und Abschreckprozesse umfassen. Für die hochfesten Aluminiumlegierungen sind spezielle Wärmebehandlungs- und Abschreckverfahren erforderlich, um die kritischen Legierungselemente zunächst in feste Lösung zu bringen („Lösungsglühung“) und anschließend durch eine (moderate) Wärmebehandlung feine „nanoskalige“ Ausscheidungen zu erzeugen (Zustand „T6“), nach der Bauteil-Umformung im zuvor weichen Zustand (Zustand „T4“). Dieser aushärtende Effekt ist allgemein für Al-Mg-Si (6xxx )-Legierungen für Kraftfahrzeugbauteile (z. B. Karosseriebleche) und insbesondere für hochfeste Al-Cu 2xxx- und Al-Zn-Mg-Cu 7xxx-Legierungen für Flugzeugbauteile bekannt. Diese Legierungen härten jedoch bereits bei Raumtemperatur (einige sogar relativ schnell) aus, was ihre Kaltumformbarkeit und damit Anwendung in innovativen Leichtbaukonstruktionen drastisch einschränken kann.

Umformen von extrem leichten metallischen Bauteilen

In der Automobilindustrie gibt es schon immer den Bedarf für Technologien zur Fertigung von Bauteilen aus hochfesten Metallen und Legierungen, speziell auch geeignet für die Massenproduktion, um die Spirale der Gewichtszunahme überwinden und leichtere Autos zu bauen, um Kraftstoff und damit CO2 einzusparen. Im Segment der Automobil-Oberklasse sind Teil- und Voll-Aluminiumlösungen bereits in erheblichem Umfang realisiert. Die Klein- und Mittelklassewagensegmente werden jedoch aufgrund der höheren Material- und Produktionskosten nach wie vor überwiegend aus Stahl gefertigt.

Eine geeignete Lösung für innovative Leichtbaukonstruktionen ist die Verwendung von leichten Materialien wie hochfeste Aluminiumlegierungen, welche auch die z.T. hohen Anforderungen erfüllen können. Die heute angewandten innovativen Technologien der Warmumformung hochfester Stähle (z.B. Presshärten) erfüllen zwar einige, aber noch nicht all diese Anforderungen. Ein Aspekt ist die Minimierung der Wandstärke durch die Verwendung von hochfesten Metallen und Legierungen, beispielsweise einer 22MnB5 Stahl-Legierung. Hier kann die Wandstärke um ca. 50% reduziert werden – und dementsprechend das Gewicht. Andere Leichtbaulösungen wie Kohlefaserverstärkte Kunststoffe KFVK (CFRP) werden heute für extremen Leichtbau in Flugzeugen und bei einigen Hochklasse- und z.B. Elektro-Fahrzeugen eingesetzt. Deren Verwendung für die Massenproduktion hat jedoch Nachteile in Kosten, Umweltbelastung, Wartung und Recycling und sind daher weniger erfolgreich, als ursprünglich erwartet wurde.

Daraus folgt, dass rentabler Leichtbau nur aus hochfesten Metallen (d.h. Stahl- oder Aluminium-legierungen) auf wirtschaftliche Art und Weise erreicht werden kann. Allerdings ist dazu mit der HDF-Technologie eine bessere Umformtechnologie verfügbar, um extrem dünne und hochfeste Materialien (wie z.B. 22MnB5-Bleche in 0,5 mm) mit hoher Umformtiefe zu formen, wie dies bei heutigen Kaltumformprodukten mit herkömmlichen Tiefziehstählen möglich ist. Die Herausforderung zur Umformung von hochfesten Metall-Legierungen zur Fertigung extrem leichter Bauteile umfasst zusätzliche Anforderungen, um für die Massenproduktion geeignet zu sein.

Die HDF-Technologie

Die innovative HDF = Hot Die Forming „HoDforming“ Technologie ist eine optimale Umformtechnologie, um alle Metalle und insbesondere anspruchsvolle Legierungen aus Aluminium, Magnesium und Stahl vielseitig und fast beliebig umzuformen. Alle Vorteile der erweiterten Umformbarkeit können für extreme Leichtbau-Konstruktionen umgesetzt werden. Die innovative Technologie ist in der Lage, extrem leichte Produkte auf effiziente Art zu realisieren, wie sie z.B. in der Automobilindustrie relevant sind und das von der Antriebsart des Fahrzeugs völlig unabhängig, wie die Fertigung komplexer Geometrien in Kombination mit hochfesten Legierungen und neue Möglichkeiten zur Optimierung der Crashtauglichkeit der Produkte.

Die Zykluszeit für die wichtigsten Automobilprodukte beträgt weniger als 10 Sekunden für die Blechumformung und weniger als 30 Sekunden für Hohlkörper. Umformverhältnisse bis zu 200%, kleine Radien sowie scharfe Kanten und Klasse A Oberfläche sind realisierbar. Die aktive Materialzuführung in die Kavität erlaubt die Fertigung von „tailored blanks or tubes“ in einem einfachen Prozess.

Es wurde gezeigt, dass die HDF Heiß-Gasumformung in der Lage ist Bauteile aus hochfester Aluminiumlegierung mit hoher Umformtiefe und guter Oberflächenqualität zu fertigen. Mit einer weiteren HDF-Entwicklung eines zusätzlichen, aktivem Materialnachschub ist die zukunftsbestimmende umweltschonende Fertigung extremer metallischer Bauteilgeometrien wie die des Federbeindoms möglich.

„Lightness.NRW“ ist ein NRW Leitmarkt-Projekt aus dem Themenfeld „Neue Materialien“ und befasst sich mit der Warmumformung von hochfesten Metalllegierungen für den extremen Leichtbau unter Einbindung der gesamten Wertschöpfungskette von der Materialherstellung und -verarbeitung bis hin zum Recycling.

HoDforming GmbH


Tätigkeitsschwerpunkte

  • Forschung, Entwicklung, Design (R&D) im extremen metallischen Leichtbau
  • Kleinserien
  • Machbarkeitsnachweise, Prototyping


Branchen- und Technologiefelder

  • Automotive, Luft- und Raumfahrt, Design, Interieur, Motor-/Fahrrad usw.
  • Alle Metalle. Sinnvoll sind Metalllegierungen mit einem Schmelzpunkt oberhalb von 350 °C

Wichtigste Regionen für die eigene Wertschöpfung (Entwicklung/Produktion/Märkte)

  • NRW
  • Deutschland
  • Europa

www.HoDforming.com

Quelle: NMWP-Magazin

HoDforming GmbH

HoDforming – the revolution in metals forming. The aim of the HoDforming GmbH is research and development as well as production and distribution of processes and products for the shaping of metals such as aluminum and steel.The company focusses...mehr...