Weniger ist mehr

von Barbara Stumpp Eine zeitlang drohte Stahl gegenüber Materialien wie Aluminium oder Magnesium im Karosseriebau unter dem Diktat des Leichtbaus ins Hintertreffen zu geraten. Doch dann entwickelten die Stahlkocher hoch- und höchstfeste Stahlsorten, die bei hoher Stabilität dünnere Bleche und damit leichtere Karosserien ermöglichen. Allerdings sind höherfeste Stahlvarianten entweder kalt kaum umzuformen oder brauchen – bei hoher Duktilität wie TWIP-Stähle – kalt große Umformkräfte und zeigen starke Rückfederung. Für eine effiziente Umformung erfordern beide eine ausgeklügelte Wärmebehandlung mit einem entsprechend großen Anlagenaufwand. In dem Verbundforschungspojekt FlexWB des BMBF erforscht ein Konsortium aus Firmen und Forschungs-Instituten die kosten- und materialeffiziente Umformung hochfester Stahlsorten.

Momentan werden die Platinen zur Verarbeitung in einem Rollenherdofen von 40 m Länge auf Temperaturen von 900 bis 950°C aufgeheizt“, berichtet Prof. Vasily Ploshikhin, Bereichsleiter Metallische Werkstoffe bei Neue Materialien Bayreuth. Beim Presshärten, dem Umformen kombiniert mit einem schnellen Abkühlen, entstehen Form und Eigenschaften in einem Schritt. Allerdings braucht der Rollenherdofen nicht nur eine Menge Platz, sondern hat auch einen hohen Energieverbrauch und verlangt hohe Investitionen. Dazu kommt, dass hier die ganze Platine gehärtet wird, was etwa bei einer B-Säule gar nicht gebraucht wird. Denn hier soll der mittlere Teil fest, die Enden aber duktil sein, um notfalls Crashenergie aufnehmen zu können. Tailored Blanks kommen solchen Anforderungen teilweise entgegen, „aber vorhandene Schweißnähte oder Dickensprünge sind beim Umformen ein Problem“, so Prof. Karl Roll Leiter Prozesssimulation Karosseriebau, Automatisierungstechnologie und Simulation bei Daimler. Eine Lösung dieses Dilemmas ist Ziel des BMBF-geförderten Verbundforschungsprojekts FlexWB – Flexible Wärmebehandlung zur gezielten Gestaltung von Bauteileigenschaften und zur Erhöhung der Energieeffizienz der Prozesskette Warmumformen. Unter FlexWB wollen hier die Partner Neue Materialien Bayreuth, Audi, Daimler, Fraunhofer-IWU, Preccon Robotics, Schuler SMG, SMS Elotherm und ThyssenKrupp Steel Europe den Rollenherdofen durch ein flexibleres Aufwärm- und Kühlkonzept ersetzen, das letztlich in ihre Eigenschaften gradierte Bauteile ermöglicht. Mit dem neuen Verfahren soll das Aufwärmen platzsparender, schneller, energieeffizienter und vor allem kostengünstiger zu machen sein. Warmumformen geschieht als direktes oder indirektes Presshärten. Bei ersterem wird die umzuformende Platine auf eine Temperatur von etwa 900 bis 950°C aufgeheizt. Das dann austenitisierte Blech besitzt eine, verglichen mit Raumtemperatur, deutlich höhere Umformbarkeit. Das temperierte Umformwerkzeug sorgt für eine schelle Abkühlung des Formteils, das dann durch sein jetzt martensitisches Gefüge eine hohe Festikeit hhat. Beim indirekten Presshärten werden die Bleche zuerst kalt vorgeformt, dann erwärmt, umgeformt und gekühlt. Mit diesem Verfahren lassen sich komplexere Geometrien fertigen als beim direkten Presshärten.

Erwärmung über Kontaktplatten

Bei der neuen Kontaktwärmebehandlung erwärmen zwei massive Stahlplatten die umzuformende Platine. „Die Kontaktplatten werden über Induktion aufgeheizt und über eine weitere Energiezufuhr auf der gewünschten Temperatur gehalten“, so Christian Lengsdorf von Elotherm. „Die Platinen über Induktion zu erwärmen funktioniert wegen der wechselnden Abstände nicht, sie würden sich dann nur verziehen.“ Zum Aufwärmen der Platine pressen dann zwei Kontaktplatten von beiden Seiten gegen die Platine. Wenn gewünscht kann in einer Zwischenstation über temperierte Platten gezielt abgekühlt werden. So lassen sich mit Hilfe verschieden temperierte Kontaktplatten mehrstufige Abkühlgeschwindigkeiten und Haltezeiten realisieren, was große Freiheiten beim Einstellen der Materialeigenschaften gibt. Werden beispielsweise nur Teile der Platine erwärmt, lassen sich so gradierte Materialeigenschaften erzeugen. Die Möglichkeit zur flexiblen Erwärmung und Abkühlung der Teile öffnet den Weg zur gezielten kontrollierten Steuerung der Bauteileigenschaften. So kann man je nach Bedarf in bestimmten Bauteilbereichen statt des vollmartensitischen Gefüges gezielt ein teilmartensitisches Gefüge erzeugen. Diese Möglichkeit, nur die nötigen Teile einer Platine aufzuheizen, eröffnet großes Energiesparpotential. Heutige Pressen haben mittlere Taktzeiten im Bereich von 20 Sekunden. Um hier in ausreichendem Maß Nachschub zu liefern, wird ein Rollenherdofen von etwa 40 m Länge benötigt. Die Platine läuft in sechs Minuten durch diesen Herd, dabei verbraucht er 0,28 kWh/kg oder 8.500 kWh/Tag. Der Ofen läuft permanent auch bei Produktionsstopp, verursacht hohe Investitionen und bietet geringe Flexibilität. Die Durchlaufzeit im Ofen ist erforderlich wegen der charakteristischen Ausprägung der Eisen-Aluminium-Legierungsschicht im Fall der üblichen AlSi-Beschichtung beim Warmumformen. Bei dem absehbaren, zukünftigen Bedarf muss die Pressentaktzeit aber auf 10 Sekunden gesenkt werden. Damit sich dann die Schutzschicht bilden kann, müsste ein Ofen 80 m lang sein, damit alle 10 Sekunden eine Platine für die Presse bereit steht. Wenn es nach den Ingenieuren von FlexWB geht, wird in Zukunft die Erwärmung mittels Kontaktplatten passieren, und die brauchen momentan – obwohl nicht optimiert – 20 Sekunden. Wenn etwa das austentisierte, erwärmte Material danach von 900°C auf 500°C habgekühlt, wird, bleibt das Material immer noch austenitisch, damit duktil und leicht umformbar. Dadurch lässt sich die Arbeitstemperatur des Umformwerkzeuges signifikant reduzieren. „Dazu kommt, dass das Warmumformen bei niedrigeren Temperaturen (550 statt 950°C) eine bessere Prozesskontrolle, eine effizientere Werkzeugkühlung und höhere Werkzeugstandzeiten ergibt“, fasst Vasily Ploshikhin weitere Vorteile zusammen.

Kontakterwärmung sorgt für schnelle Aufwärmzeit

Die sechs Minuten Aufwärmzeit im Rollenherdofen ist nötig, damit sich aus der AlSi-Schutzschicht durch Diffusionsvorgänge eine neue Verzunderungsschicht bilden kann. Bei der Kontakterwärmung geschieht das wesentlich schneller. Bei der Kontaktwärmebehandlung hängt die Haltezeit zur Ausbildung der Zwischenschicht von der Temperatur der Heizplatten ab. „So könnte durch Erhöhen der Plattentemperatur die Haltezeit von 20 Sekunden weiter verkürzt werden“, schätzt Jürgen Kaiser, Projektleiter bei Neuen Materialien Bayreuth. Laut Jürgen Kaiser denkt man sich die Kontaktplatten als modulares System, also eine Art Legobaukasten, mit dem die passende Größe aus Standardteilen aufgebaut werden kann. Momentan arbeitet man an einem Testaufbau um das Problem eines gleichmäßigen Aufheizens zu lösen. Karl Roll: „Bei Daimler hofft man auf effizientere Herstellung von Bauteilen aus diesen Stahlwerkstoffen bei weniger Herstellungsaufwand.“ W

www.forschungsprojekt-flexible-waermebehandlung.de