Blech spart Kosten

Innovative Herstellungsverfahren zur Erzeugung und Anbindung hochkomplexer Bauteilgruppen für den Fahrzeugunterboden gewinnen immer mehr an Bedeutung. Textron Verbindungstechnik hat sich zur Aufgabe gemacht diesen bereich umfassend abzudecken und präsentiert wegweisende Lösungen.

16. November 2006

Die Anbindung von Strukturteilen in Blechbereichen wie im Fahrzeugunterboden ist durch die unterschiedlichen Blechdicken und Festigkeitsanforderungen oft eine umfassende Herausforderung. Zusätzliche Faktoren wie Gewicht, Akustik, Schwingungsverhalten und Schaffung eines hochfesten Anbindungspunktes, oft eine Schraubverbindung, spielen hier eine entscheidende Rolle von gewichtiger Bedeutung. Schon viele Jahre haben sich aus diesem Grund Tubenteile im Markt durchgesetzt, die die durch Schweißen aufgebrachten Muttern in Anwendungen mit hohen Stückzahlen immer mehr ablösen. Hier werden aus Blech durch gezielte Umformungen in zahlreichen Ziehstufen hochfeste Tuben erzeugt. Im ersten Schritt wird das Blech tiefgezogen, um dann schrittweise in den folgenden Umformstufen durch Matrizen in die gewünschte, endgültige Form und Festigkeit umgeformt zu werden. Während des Fließpressens wird das Blech durchgeschnitten und im letzten Arbeitsgang kalibriert und es wird nach Bedarf ein Gewinde auf der Presse geformt. Eine Besonderheit des Verfahrens ist, dass Wandstärken, Blechdicken und Festigkeiten der Tuben individuell für den jeweiligen Anwendungsfall gestaltet werden können. Dies erzielt man über die Variation der Umformstufen in Anzahl und Höhe der Umformgrade. So kann zum Beispiel eine Tube in 15 Arbeitsgängen ohne Zwischenglühen gezogen und dann zu einem Verstärkungsbauteil auf der Presse weiter verarbeitet werden. Dabei lassen sich Verfestigungsverläufe nach spezifischen Kundenwünschen erzielen. Meist ist dies in den Übergangsbereichen der Tube zum Blechteil von größerer Bedeutung. Dort lassen sich geringe Kerbspannungen in Kombination mit hohen Festigkeiten erzielen, mit der Wirkung, dass in der Tube eingeschraubte 10.9 Schrauben im Zugversuch versagen und das Blechteil dagegen unbeschädigt bleibt.

Technische Weiterentwicklung

Dieses Verfahren konnte heute in zahlreichen Varianten für unterschiedliche Anwendungen im Blechbereich weiterentwickelt werden. So etwa die Achsanbindung des Daimler Chrysler W 69. Das Bauteil ist konstruiert für eine M 16-10.9 Achsschraube und hat eine Tubenhöhe von 95 Millimetern. Im Fertigungsprozess wird ein vier Millimeter dickes Blech mit einer Zugfestigkeit von 270 bis 350 N/mm2 nach Kundenanforderung auf Blechdicken von drei bis acht Millimeter umgeformt. Die maximale Zugfestigkeit des verfestigten Materials im unteren Tubenbereich beträgt nach Messungen 572 N/mm2. Dadurch lassen sich extrem hohe Kräfte in das dünne Blechmaterial übertragen und es entsteht eine für den Kraftfluss optimierte Schraubverbindung unter Ausnutzung der vollen Blecheigenschaften. Das Resultat ist eine gewichtsoptimierte Einkomponentenlösung, die oft mehr als 30 Prozent zusätzliche Gewichtseinsparung bringt. Zusätzlich reduziert der verdickte Flansch durch seine erhöhte Steifigkeit noch den Membraneffekt, sodass bei der auftretenden Schwingungsbelastung erhebliche Akustikverbesserungen erzielt werden konnten. In einigen Anwendungsfällen lassen sich Guss- oder Schmiedeteile durch Blechumformteile ersetzen, wie dies etwa im Beispiel einer Abschleppösenaufnahme für einen Geländewagen der Fall ist. Dabei wurde das Gewicht um zirka 30 Prozent reduziert; sowohl Stückkosten als auch Zusammenbauzeit konnten zusätzlich eingespart werden. Zum anderen lassen sich wie im unteren Beispiel typische Schweißprobleme verbessern oder gänzlich eliminieren und die Korrosionsbeständigkeit kann entscheidend verbessert werden. Beim Originalbauteil muss wegen der Schweißspritzer nach dem Fügevorgang beschichtet werden. Oft sind dabei nicht mehr alle Stellen zugänglich. Bei der Blechumformung kann mit beschichtetem Bandstahl gearbeitet werden; das sorgt für optimalen Korrosionsschutz. Weitere typische Nachteile des thermischen Fügens, wie der Wärmeverzug, treten ebenfalls in der Kaltumformung nicht auf. Wie schon in den vorherigen Beispielen konnte durch gezielte Blechdickenerhöhung in den belasteten Bereichen die Bauteilesteifigkeit erheblich verbessert werden.

Leistungsvergleich und Wirtschaftlichkeitsbetrachtung

Zur Betrachtung der möglichen Kosteneinsparungen wird ein weiteres Projektbeispiel herangezogen. Hier handelt es sich um ein Zusammenbauteil aus vier Komponenten: einer Käfigmutter, einer Verstärkung, einem großen Blechteil, das zur Fertigung der Zusammenbaugruppe an Stellen ausgespart werden musste, und eine Hülse. Dieses Bauteil konnte als einteilige Lösung konstruiert werden. Im Leistungsvergleich der beiden Bauteile lassen sich große Unterschiede feststellen: So konnten das Bauteilgewicht auf 85 Prozent und die Kosten auf 62 Prozent verringert werden. Die Toleranz wurde durch die einteilige Lösung halbiert, der Bauraum auf 70 Prozent vermindert und die Steifigkeit um 50 Prozent erhöht.

Alternative Laserschweißen

Für Prototypen oder Produkte mit geringen Stückzahlen kann man alternativ auch Tuben in Bleche mittels Lasers einschweißen. Dabei sind die Investitionskosten für die Werkzeuge erheblich niedriger und die Entwicklungs- und Fertigungszeit sind kürzer. Als zusätzlicher Vorteil können die Tuben in geringerem Abstand voneinander im Blech platziert werden. Komplexe Blechteile oder Baugruppen zur Anbindung hoch beanspruchter Strukturbauteile an den Fahrzeugunterboden lassen sich durch Blechumformteile entscheidend optimieren. Dabei ergeben sich zahlreiche Vorteile im Vergleich zu den herkömmlichen Schweißbaugruppen.

Zusammenfassung

Durch die Verwendung von weniger Rohmaterial wird das Bauteil kostengünstiger und trotz zusätzlicher Gewichtseinsparung stärker und steifer in den beanspruchten Bereichen. Durch die Möglichkeit auch komplexe Geometrien herzustellen, erzielt man eine höhere Bauteilintegration bis hin zur einteiligen Lösung. Diese bietet weitere Vorteile durch geringere Zusammenbaukosten, weniger schwächende Fügestellen und optimale Korrosionsbeständigkeit. Das verwendete Rohmaterial ist relativ günstig und wird durch den Fertigungsprozess kaltverfestigt. Durch die Möglichkeit hohe punktförmige Lasten in das Bauteil einzubringen, kann durch Verringerung der Vibrationen die Fahrzeugakustik entscheidend verbessert werden. Dem gegenüber steht eine hohe Anfangsinvestition für die Folgeverbundwerkzeuge. Prototypen werden deshalb meist durch Laserschweißen hergestellt.

Erschienen in Ausgabe: 10/2006