Kostengünstige Kaltumformung

Fokus

Höchstfeste Stähle maßhaltig und effizient in Großserie produzieren und damit Leichtbaupotenziale erschließen – das leistet das neue ›Smartform‹-Verfahren von Thyssenkrupp.

07. November 2018
Mit ›Smartform‹ lassen sich höchstfeste Stahlsorten zu maßhaltigen Bauteilen umformen und Leichtbaupotenziale erschließen. Bild: Thyssenkrupp
Mit ›Smartform‹ lassen sich höchstfeste Stahlsorten zu maßhaltigen Bauteilen umformen und Leichtbaupotenziale erschließen. (Bild: Thyssenkrupp)

Der Klimawandel zwingt die Autobauer, das Gewicht ihrer zukünftigen Fahrzeuge zu senken. Gleichzeitig verlangt der Kunde aber höhere Crashsicherheiten. Hoch- und höchstfeste Stähle bieten hier das geforderte Potenzial zur Gewichtsreduktion bei zugleich hoher Sicherheit.

Kaltumformbarer Stahl mit bis zu 1.000 Megapascal bietet hier zwar viele Chancen, verursacht aber auch Probleme wegen der deutlichen Einschränkung, was die Teilegeometrie angeht – vor allem wegen des unerwünschten Rückfederns im Tiefziehprozess. Martin Kibben, Entwicklungsingenieur bei Thyssenkrupp Steel, erklärt die Problematik: »Bei einem Fahrzeug wird jedes Bauteil mit anderen kombiniert. Das funk-tioniert nur dann, wenn deren Fügebereiche ganz exakt passen.« 

Kaltformteile in Serie ohne Rückfederung

Das von Thyssenkrupp entwickelte Verfahren erleichtert es nun, Kaltformteile aus hochfesten bis hin zu ultrahochfesten Stählen in Serie zu produzieren, ohne sich von Rückfederung und von Chargenschwankungen die Laune verderben zu lassen. Aber das neue Verfahren kann noch mehr: So spart man damit beim Zuschnitt der Platine durchschnittlich 15 Prozent verglichen mit konventionellen Tiefziehverfahren und kann Stähle bis zu 1.200 Megapascal und mehr kalt exakt umformen.

Normalerweise spuckt ein Presswerk im Sekundentakt die umgeformten Bauteile aus. Die höherfesten Stähle mit ihrer erhöhten Rückfederung bei steigenden Materialstärken bremsen hier unangenehm. Allgemein gilt: je fester der Stahl, desto schwerer ist er zu bearbeiten. Anders gesagt: je komplexer das Bauteil, desto problematischer das Umformen. Dabei ist das starke Rückfedern im Formteil der Grund dafür, dass die Teilequalität sinkt und die Ausschussquote steigt. Das Problem löst das neue Umformverfahren. Darüber hinaus reagiert die neue Technologie toleranter gegenüber Chargenschwankungen, wie sie im Bereich höchstfester Stähle auftreten können.

Das erweiterte Angebot kaltgewalzter Dualphasenstähle von Thyssenkrupp bietet neben seiner hohen Energieaufnahme und Verformungsbeständigkeit auch verbesserte Kaltumformeigenschaften, bei Festigkeiten zwischen 500 und 1.200 Megapascal. Dank steigender Festigkeit sind dünnere Bleche so optimal für eine leichtere Karosserie geeignet. Nur stößt das Tiefziehen aus den genannten Gründen an seine Grenzen bezüglich der Herstellung maßgenauer Teile – gleichbleibende Qualität über viele Tausend Presshübe hinweg ist schlicht nicht machbar.

Eine weitere Herausforderung ist, dass die Blechfestigkeit das Durchhaltevermögen der Schneidwerkzeuge an seine Grenzen bringt oder sie sogar überschreitet. Deshalb mussten die Entwickler den Schneidaufwand reduzieren. Da blieb nur ein Ausweg: einen neuen Produktionsprozess zu entwickeln. Das hat noch einen praktischen Nebeneffekt, denn wenn die Anzahl der in der Prozesskette erforderlichen Trimmvorgänge reduziert wird, sinken auch der Wartungs- und der Investitionsaufwand sowie der Energiebedarf, was den Unternehmer freut.

Das Rückfedern und dadurch bedingte Formänderungen schlagen besonders zu Buche, wenn die Maßhaltigkeit so weit absinkt, dass übliche Gegenmethoden nicht mehr ausreichen, um das zu kompensieren, und die Fehler in nachfolgenden Prozessschritten aufwendig zu korrigieren sind. Das neue Verfahren bietet hier eine elegante Lösung.

Vorformen und Kalibrieren

Das Smartform-Verfahren umfasst zwei Umformschritte: Vorformen und Kalibrieren. Im ersten Schritt bekommt das Stahlblech seine Vorform mit einer konturnahen Bauteilgeometrie. Dazu ist ein einfacher Aufbau des Werkzeugs angestrebt. In diesem Schritt wird beim Umformen die Wirkung der Rückfederung vollständig toleriert, wichtig ist hier nur eine hohe Wiederholbarkeit. Im zweiten Schritt erfolgt das Kalibrieren auf die Endgeometrie, indem die Vorform in einem Kalibrierwerkzeug positioniert und auf seine Endkontur gestaucht wird. Dabei verteilt der Stempel die Materialzugabe über den Querschnitt und kompensiert dabei jede unerwünschte Rückfederung. »Danach hat das Bauteil die gewünschte Geometrie, ohne dass irgendwelche Kompensationsmaßnahmen nötig wären«, berichtet Martin Kibben.

Dies führt zu sehr maßhaltigen Teilen, reduziert gleichzeitig den Materialverbrauch und die Notwendigkeit des Bauteilbeschnitts. Der Smartform-Prozess bietet so entscheidende Vorteile: Tryout-Zeiten und -Maßnahmen lassen sich drastisch reduzieren. Ein weiterer Pluspunkt: Die Werkzeuge sind mit jeder Standardanlage kompatibel und – was OEMs freuen wird – nicht wesentlich teurer als konventionelle.

»Was den zukünftigen Nutzern gefallen wird, ist die Robustheit des Prozesses, auch bei schwankenden Materialeigenschaften«, stellt Martin Kibben fest. Dazu spart der OEM zweifach Geld, denn der Prozess ist schneller und man benötigt nur so viel Material wie notwendig. Je nach Bauteil können so bis zu 15 Prozent eingespart werden und die Werkzeuge werden geschont.

»Die Smartform-Technologie stabilisiert den Fertigungsprozess, verkürzt die Stillstände der Anlagen aufgrund von Störungen, reduziert den Materialeinsatz und schont die Werkzeuge. Zusätzlich ermöglicht sie die maßhaltige Produktion höchstfester Bauteile im Pressewerk«, fasst Martin Kibben zusammen.

Dr. Barbara Stumpp

Fachjournalistin aus Freiburg

Hintergrund

Thyssenkrupp Steel Europe, mit Sitz in Duisburg, ist die Führungsgesellschaft des Segments Stahl der Thyssenkrupp AG. Die Kerngeschäftsfelder sind die Stahlerzeugung und die Herstellung von Flachprodukten aus Qualitätsstahl sowie die Erbringung von Dienstleistungen im Stahlbereich. Im September 2017 gab Thyssenkrupp bekannt, die europäischen Stahlaktivitäten mit Tata Steel in einem Joint Venture zusammenschließen zu wollen. Nach erfolgter Fusion soll der Konzernsitz nach Amsterdam verlagert werden und der künftige Konzernname Thyssenkrupp Tata Steel B.V. lauten.