Gekonnt profiliert

Technik/Werkstoffe

Aluminium muss im Leichtbau mit hochfesten Stählen, Magnesium und faserverstärkten Kunststoffen konkurrieren um den besten, aber auch wirtschaftlichsten Werkstoff für den Bau von Verkehrssystemen. Für die Herstellung maßgeschneiderter Aluminiumprofile hat die Strangpress-Profiltechnik gute Chancen im Wettbewerb.

22. April 2013
Oberflächenaufnahme einer FSW-Aluminium-Schweißnaht
Bild 1: Gekonnt profiliert (Oberflächenaufnahme einer FSW-Aluminium-Schweißnaht)

Zur Zeit ist für den Werkstoff Aluminium der Verkehrssektor mit rund 43 Prozent der größte Abnehmermarkt in Deutschland. Damit das zumindest so bleibt, unternehmen die Verantwortlichen im Gesamtverband der Aluminiumindustrie e. V. (GDA) und in den Zuliefer- und Verarbeitungsbetrieben größte Anstrengungen, die Forderungen und Wünsche der Automobilindustrie nach noch komplexeren Funktions- und Strukturbauteilen zu erfüllen. Dass dabei die Qualität der Bauteile besser werden sollte und Verarbeitungsverfahren insgesamt wirtschaftlicher sein müssen, versteht sich fast von selbst. Welche Neuerungen es in der Strangpress-Profiltechnik gibt, zeigte ein Seminar des GDA, das im Herbst letzten Jahres in Düsseldorf stattfand.

Prinzip: Paste aus Tube

Die Strangpress-Profiltechnik ist besonders für Aluminium eine typische und günstige Herstellungsmethode. Das Verfahren ähnelt vom Prinzip her dem Ausdrücken einer Tube oder der Produktion von weihnachtlichem Spritzgebäck. Reinhold Gitter von der Constellium Singen GmbH brachte zu Beginn seines Vortrages scherzhaft die Binsenweisheit an, dass zum Aluminium-Strangpressen allerdings viel größere Kräfte, teurere Maschinen und technisches Know-how notwendig seien. Möglich werden durch das Strangpressen nicht nur sehr komplexe Querschnitte und unterschiedliche Wanddicken, sondern auch Produkte, die sich durch eine hohe Maßgenauigkeit und feine Oberflächen auszeichnen.

Das Strangpressen wird nach DIN 8582 zum Druckumformen gezählt. Bei diesem Verfahren wird ein auf rund 400 bis 550 °C (Umformtemperatur) erwärmter Block (Pressling) mit Hilfe eines Stempels durch eine Matrize gedrückt. Die Umformtemperatur ist abhängig von der zu verarbeitenden Legierung. Dabei wird der Block durch einen Rezipienten, meist ein sehr dickwandiges Rohr, umschlossen.

Die äußere Form des Pressstrangs wird durch die Matrize bestimmt. Durch verschieden geformte Dorne können auch Hohlräume erzeugt werden. Strangpressprofile erreichen Längen bis 60 Meter. Längere Profile herzustellen ist zwar möglich, aber im allgemeinen nicht wirtschaftlich. Als Verfahrensvarianten sind das direkte, das indirekte und das hydrostatische Strangpressen zu unterscheiden. Beim direkten Strangpressen schiebt der Stempel den Block entlang der Innenoberfläche des Rezipienten in Richtung der Matrize. Um diese Relativbewegung zwischen Block und Rezipient zu erzeugen, müssen hohe Reibungskräfte überwunden werden; die Reibung lässt sich allerdings auch nutzen, um Verunreinigungen aus der Blockrandschicht zurückzuhalten, so dass diese nicht ins Produkt gelangen. Die Bewegungsrichtungen von Stempel und austretendem Strang sind gleich, daher auch die Bezeichnung Vorwärts-Strangpressen.

Beim indirekten Strangpressen ist der Rezipient an einer Seite verschlossen, von der anderen Seite wird auf den Block die Matrize gepresst, die sich am Kopf eines Hohlstempels befindet. Der Strang tritt durch die Stempelbohrung hindurch. Deren Durchmesser begrenzt somit den Profilumriss. Dieses Verfahren wird in der Praxis so durchgeführt, dass der einseitig verschlossene Rezipient mitsamt dem Block über den feststehenden Hohlstempel mit Matrize gepresst wird. Der Vorteil des indirekten Pressverfahrens ist, dass die Reibung zwischen Aufnehmerwand und Block entfällt und somit geringere Presskräfte notwendig sind. Auch lassen sich mit dieser Methode qualitativ bessere Produkte herstellen, weil das Fehlen der Reibkräfte zu einem homogeneren Gefüge führt.

Beim hydrostatischen Strangpressen wird die Presskraft vom Stempel nicht unmittelbar, sondern über ein Wirkmedium (Wasser oder Öl) auf den Block aufgebracht. In diesem Verfahren ist der sogenannte hydrostatische Spannunganteil – die allseitig auf das Werkstück wirkende Druckspannung – noch höher und es kann sogar Draht von einer Spule gepresst werden.

Hohe Ansprüche

Bei der Vielfalt von Aluminiumteilen sind zum Beispiel von den Fahrzeugherstellern geforderte Qualitätsansprüche in Bezug auf die Form und die Gestaltung der Oberfläche nahezu unerschöpflich. Dipl.-Ing. Alf Birkenstock, Teamleiter Verfahrenstechnik der Erbslöh Aktiengesellschaft in Velbert, machte in diesem Zusammenhang deutlich, dass es keine triviale Aufgabe sei, die Forderungen der Kunden zufriedenstellend zu erfüllen. Es sind nicht nur die komplexen Formen von Zierleisten oder Dachrelings, die die Ingenieure und Wissenschaftler bewegen, immer wieder neue Wege zu beschreiten. Auch die Farbgebung oder die Chemikalienbeständigkeit der einzelnen Teile erfordert ein hohes Maß an Flexibilität bei der Fertigung und an Wissen über den Werkstoff Aluminium und dessen Legierungen. So hat sich zum Beispiel bei Erbslöh in Velbert herausgestellt, dass es beim Eloxieren sehr auf die exakte Zusammensetzung der Legierung ankommt. Die Konsequenz ist, dass die gewünschten Legierungen im eigenen Haus hergestellt werden, um die erforderliche Qualität zu sichern.

Die Prüfung der Oberflächen-Substrat-Systeme ist deshalb bei Erbslöh selbstverständlich. Auch die regelmäßige Überwachung der Produktionsanlagen im Hinblick auf die Gebrauchs- und Korrosionseigenschaften der daraus erzeugten Teile ist dort ein Muss. Ein Ergebnis dieser umfangreichen Forschungs- und Entwicklungsarbeiten ist die hochverdichtete Eloxalschicht Sealumax, die eine, wie es heißt, »makellose Anmutung der veredelten Aluminiumoberfläche mit einer bisher nicht zu erzielenden Oberflächenqualität ermöglicht«. Der Clou ist die Resistenz der Produktoberfläche gegenüber einem pH-Wert von 13,5.

Kleben oder Schweißen?

Viel Arbeit steckt auch in der Entwicklung von Klebstoffen, um eine wirtschaftliche und vor allem dauerhafte Fixierung der einzelnen Teile am Kraftfahrzeug zu gewährleisten. Die Auswahl der unterschiedlichen bei Erbslöh entwickelten Klebstoffsysteme inklusive der benötigten Vorbehandlungsverfahren wie Plasma, Laser oder Primer für die verschiedenen Substratoberflächen erfolgt deshalb durch eine in den letzten Jahren systematisch erstellte Klebstoffdatenbank.

Die Vorteile beim Einsatz der Klebtechnik sind nach wie vor unbestritten. Ein Beispiel ist die Tatsache, dass durch Kleben keine thermische Gefügebeeinflussung auftritt und gleichzeitig auch jeglicher thermisch bedingte Bauteilverzug vermieden wird. Außerdem wird die Verbindung unterschiedlicher Materialkombinationen, wie Metalle mit Faserverbundwerkstoffen, und sehr dünner Fügeteile erleichtert. Nachteilig macht sich bei Klebeverbindungen der höhere Zeitaufwand für den Verfahrensablauf und die Notwendigkeit für eine zusätzliche Oberflächenvorbehandlung der zu klebenden Teile bemerkbar.

Oberflächenschutz

Werner Mader vom GDA ging in seinem Vortrag auf wichtige Aspekte der Oberflächenbehandlung ein. Die unterschiedlichen Möglichkeiten zur Oberflächenbehandlung erschlössen dem Werkstoff Aluminium ein sehr breites Spektrum von Einsatzmöglichkeiten mit spezifischen Anforderungen. Unbehandeltes Aluminium ist bereits gegen Witterungseinflüsse beständig. Zu dekorativen Zwecken müssen die Oberflächen von Aluminiumbauteilen allerdings speziell behandelt werden. Das geschieht mit anodischer Oxidation – Anodisieren – oder Farbbeschichtung. Durch die anodische Oxidation mit Gleichstrom in einem Schwefelsäurebad entstehen transparente Schichten, die den Metallglanz erhalten. Die anodische Schicht lässt sich außerdem vor dem Verdichten in anorganischen oder organischen Farbstofflösungen einfärben.

Bei der Zweistufen-Anodisation wird im Anschluss an eine farblose Oxidation in einer zweiten Stufe die Schicht in einer Metallsalzlösung elektrolytisch eingefärbt. Mit Hilfe spezieller Elektrolyten und darauf abgestimmter Legierungen kann mit der Farbanodisation eine breite Palette von Einfärbungen erzielt werden. Durch Zweistufen-Anodisation und mit den Sonder-Elektrolyten erhält man Farben von Neusilber über Hellbronze bis Dunkelbronze sowie von Grau bis Schwarz.

Die organische Beschichtung ermöglicht eine nahezu unbegrenzte Farbpalette. Dazu wird die natürliche Oxidschicht mit den haftungsmindernden Bestandteilen abgelöst und eine Konversionsschicht aufgebracht. Bei der eigentlichen Farbbeschichtung unterscheidet man zwischen der Stückbeschichtung von Einzelteilen, die entweder als Pulverbeschichtung oder als Flüssigbeschichtung erfolgt, und der Bandbeschichtung im Durchlaufverfahren jeweils mit unterschiedlichen Lacksystemen und Strukturen.

Reibungshitze nutzen

Rege Diskussionen am Rande der Veranstaltung lassen darauf schließen, dass auch die Methode des Reibrührschweißens (FSW = Friction Stir Welding) für das Fügen von Aluminiumlegierungen mittlerweile erfolgreich eingesetzt werden kann. Bei diesem Verfahren erzeugen verschleißfeste, rotierende Werkzeuge Reibungswärme auf den Fügebereich, wobei das zu verschweißende Material plastifiziert und durch Verrühren unter Druck miteinander verbunden wird. Der große Vorteil: Die Schweißnaht ist sofort nach dem Schweißvorgang belastbar. Am Nahtende wird das Werkzeug dann aus dem Verbindungsbereich herausgezogen. Die Schweißnaht ist danach unmittelbar belastbar.

Die Verbindung der Fügepartner erfolgt somit ähnlich einer Warmumformung. Der Material?uss um das rotierende Werkzeug und die Prozesstemperatur sind denen des Strangpressens als Umformverfahren vergleichbar. Eine besondere Ausformung der Fügegeometrie vor der Verschweißung sowie ein Schweißzusatzwerkstoff sind nicht erforderlich. Das Rührreibschweißen kann für das Schweißen von Aluminiumlegierungen mittlerweile in allen relevanten Industriebereichen erfolgreich eingesetzt werden. Zumindest steht es dort unmittelbar vor dem Einsatz.

Die Anwendungen gehen dabei von Einzelstücken und Kleinserien bis hin zu größeren Serien. Zum wirtschaftlichen Erfolg tragen neben der exzellenten Nahtgüte meist auch die hohe Reproduzierbarkeit und die geringen Vor- und Nacharbeitsaufwendungen bei. Das Verfahren lässt sich darüber hinaus sehr gut automatisieren und erlaubt eine Qualitätsüberwachung auf Basis einer Maschinenüberwachung. Es lässt sich nicht nur auf Sondermaschinen, sondern auch auf konventionellen CNC-Bearbeitungzentren oder Industrierobotern durchführen.

Hans-Ulrich Tschätsch

Freier Fachjournalist aus Essen

Selbstverständnis

Der GDA(Gesamtverband der Aluminiumindustrie e.V.) mit Sitz in Düsseldorf wurde in der heutigen Form 1992 in Dresden gegründet. Er ist eine Vereinigung von Aluminiumunternehmen, die Rohaluminium oder Aluminiumprodukte auch im Verbund mit anderen Werkstoffen herstellen. Ziele des Verbandes:

- Die ökonomischen, ökologischen und technischen Vorteile des Werkstoffes Aluminium auch im Wettbewerb mit anderen Materialien bekannt zu machen

- Die ökologischen, ökonomischen und sozialen Vorstellungen der Aluminiumindustrie zu verwirklichen

- Verwirklichung einer nachhaltigen, zukunftsgerechten Entwicklung in der Aluminiumindustrie im Dialog mit allen gesellschaftlichen Gruppen

Der GDA ist bestrebt, das Verständnis für den Werkstoff Aluminium und die Produkte seiner Mitglieder bei Kunden und Verbrauchern zu erhöhen. Dazu findet im Verband ein ständiger Erfahrungs- und Gedankenaustausch statt; dieser bildet die Voraussetzung einer wirksamen Interessenvertretung aller Mitgliedsunternehmen. Der GDA hat sich zur Aufgabe gesetzt, die gemeinsamen Interessen seiner Mitglieder zu vertreten. Hierzu gehören das Sammeln und Aufbereiten von Marktinformationen und Gesetzesvorhaben auf nationaler und internationaler Ebene. Der GDA ist darüber hinaus Kooperationspartner und ideeller Träger der weltweit größten Aluminium-Messe.

Erschienen in Ausgabe: 03/2013