Leicht, höchstfest, biegsam

Technik/Leichtbau

Sie sind superleicht, crashfest, biegsam – und kosten fast nichts. Experten arbeiten bereits an diesem Materialtraum, aus dem die Werkstoffe der Zukunft sind. Die Fortsetzung des 21. Umformtechnischen Kolloquiums Hannover (UKH).

06. Juni 2014

Was die Materialien betrifft, so stehen uns heutzutage Metalllegierungen in solcher Mannigfaltigkeit zur Verfügung, dass wir stets für jedes Teil ein erheblich besseres Material beschaffen können als das ursprünglich benutzte.« (Henry Ford, 1930). Der US-Pionier des Autobaus wäre heute wohl erstaunt, welche Werkstoffe mittlerweile zur Verfügung stehen und was seine Nachfolger damit alles anstellen. Dazu zählen beispielsweise die pressgehärteten Stähle, die manche schon als den Karosseriebau-Stahl der Zukunft handeln. Ein häufig verwendeter Blechwerkstoff für das Presshärten ist 22MnB5. Er erfordert eine Härtetemperatur von 950 bis 980 °C, denn auf diese Temperatur werden die Matrizen zwischen den Presswerkzeugen gebracht. Entsprechend hoch fallen die Anforderungen an die Stähle für die Werkzeuge aus. Sie besitzen laut Ingo Schruff, Leiter Anwendungstechnik bei der Kind & Co. Edelstahlwerk KG aus Wiehl-Bielstein, im Idealfall:

- hohe Anlassbeständigkeit und Langzeit-Anlassbeständigkeit,

- hohe Wärmeleitfähigkeit,

- ausreichenden Verschleißwiderstand,

- hohe Zähigkeit,

- gute Schweißbarkeit für Reparaturen und Design-Änderungen und

- gutmütiges Verhalten bei der Vakuum-Wärmebehandlung.

In Frage kommen stählerne Werkstoffe vom gegossenen Kalt- bis hin zum geschmiedeten Warmarbeitsstahl. Schruff empfiehlt geschmiedete Warmarbeitsstähle wie etwa die international genormten Stahlsorten X40CrMoV5-1 (1.2344) und X38CrMoV5-3 (1.2367) und zwei Sonderstähle.

»Beim Stahl CR7V-L fallen die erhöhten Kohlenstoff- und Chromgehalte auf«, heißt es in seinem UKH-Bericht. »Beim Stahl HTR wurden zugunsten einer besseren Wärmeleitfähigkeit die Kohlenstoff- und Chromgehalte gesenkt.« Der auffallend hohe Wolframgehalt diene der hohen Warmfestigkeit des Stahles. Andere Werkzeug-Stahlsorten erfordere das Tailored Tempering, das gezielte Erwärmen, um Härte und Festigkeit gezielt auf ein niedrigeres Niveau einzustellen. In den vorgeheizten Segmenten müssen spezielle Warmarbeitsstähle verwendet werden, die ihre Härte auch nach langer Betriebszeit noch aufrecht halten. Die entsprechend hohe Langzeit-Anlassbeständigkeit weisen laut Schruff »die Stähle RM10Co (1.2888) und HMoD (1.2889) auf, die auch in Druckgussanwendungen mit sehr hohen thermischen Beanspruchungen Verwendung finden«.

Die Leistungen im Presswerk will Uwe Eggers, Leiter Umformtechnik bei der Salzgitter Mannesmann Forschung GmbH, mit neuartiger Oberflächenveredelungen auf Stahlfeinblechen steigern. In Hannover wies der Fachmann auf die neben dem Verschleiß wichtige Rolle der Reibung im tribologischen System Werkzeug-Schmierung-Blechwerkstoff. So können bei komplexeren Bauteilen mit dünneren Blechen die Reibkräfte die zur Umformung notwendige Kraft übersteigen und zur Rissentstehung führen. Alternativ-Produkte müssen tribologische Anforderungen erfüllen, andererseits aber auch voll kompatibel mit der Rohbauprozesskette beim Automobilhersteller sein. Für die Verträglichkeit mit Rohbau-Klebstoffen gilt das im besonderen Maße.

Salzgitter setzt dazu auf eine Gemeinschaftsentwicklung mit der Fuchs Petrolub SE aus Mannheim: Trenoil Advanced Tribo Primer (ATP) heißt die neue Konversionsschicht für feuerverzinkte Bleche. Eggers: »Neben einer deutlichen Reduzierung des Reibwertes auch bei Mehrfachumformungen zeigt diese tribologisch aktive Konversionsschicht erstmals eine vollständige Kompatibilität mit der dem Presswerk nachgeschalteten Rohbauprozesskette beim Automobilhersteller auf.«

Die Aussage stieß in Hannover auf deutliche Skepsis von Automobilexperten. Der Leiter der Umformtechnik bot daher allen Interessenten an, ihnen die mit Blick auf alle Prozessparameter (vom Schweißen bis zum Kleben) erstellten Versuchsergebnisse zur Verfügung zu stellen.

Sehr gute Abrieb- und Verschleißeigenschaften soll der neue Zn-Mg-Schmelztauchüberzug ›Stroncoat‹ besitzen. »Die positiven Verarbeitungseigenschaften zeigen sich am deutlichsten durch das verbesserte Abriebverhalten gegenüber klassischen Verzinkungen wie ZE und Z«, sagte der Umformfachmann aus Salzgitter. »Der Anwender kann durch den Einsatz von Zink-Magnesium das Erscheinungsbild der ›Kaltverschweißungen‹ zwischen Umformwerkzeug und Blechoberfläche vermeiden und so die Prozesssicherheit erhöhen.«

Der Überzug biete darüber hinaus Vorteile bei Mehrfachoperationen dank der niedrigen Reibwerte und der hohen thermischen Stabilität. Bauteilversuche an einem Türinnenblech im laufenden Serienbetrieb bei einem Automobilhersteller bewiesen laut Eggers, »dass sich eine belastungsinduzierte Rissbildung im Stroncoat-Überzug nicht nachteilig auf die Verarbeitungseigenschaften auswirkt«. Aktuelle Entwicklungsaktivitäten konzentrieren sich auf die Verbesserung der Außenhaut.

Virtuell geht es in Duisburg bei den Forschern und Entwicklern der Thyssen-Krupp Steel Europe AG in Duisburg zu. »Wenn Sie etwas nicht simulieren können, wird’s schon schwierig«, kommentierte Dr. Lutz Keßler, Leiter der Umformtechnik. Das sichere Auslegen hochfester kalt oder warm umgeformter Stahlwerkstoffe in allen Anwendungsbereichen etwa funktioniere nur noch mit Simulation. Doch nicht alles lässt sich komplett virtuell abbilden. Bei »komplexen Prozessen und Werkstoffbelastungshistorien« empfahl er, modernere Versagensmodelle zu nutzen, »um zumindest einen Eindruck über die Sicherheit des Prozesses bei nicht durch die Forming Limit Curve (Restumformbarkeitskurve) repräsentierten Belastungszuständen zu erhalten«. Diese Empfehlung gelte auch für die Analyse von Crashvorgängen. Damit sich die Versagensmodelle besser und einfacher in der industriellen Simulation anwenden lassen, müsse aber noch an einigen Stellschrauben ›gedreht‹ werden. Dr. Keßler nannte vier wichtige Bereiche:

1. Harmonisierung der Begriffe und Definitionen für Bruch in der Blechum- und -verformung,

2. Vereinheitlichung der Versuche für die Basisstützpunkte der Bruchkurven,

3. Vereinheitlichung der Versuchsauswertungen und Messmethoden und

4. ganzheitliche Optimierung der Experimente, Elementtechnologien und Modellansätze für den Transfer der Ergebnisse in die Praxis.

Alles in allem setzen die Pragmatiker aus Duisburg auf Bruchkurvenmodelle. Dr. Keßler: »Wir nehmen kontinuierlich für alle neuen Werkstoffe die Bruchkurven auf, um sie dann ausgiebig mit den Kunden zu diskutieren. Aus dieser Diskussion kommen wir nicht heraus, denn wenn wir nicht wissen, wie ein Kunde rechnet, hilft uns die schönste Kurve nichts.«

Nikolaus Fecht

Fachjournalist aus Gelsenkirchen

Massiv, leicht und hydraulisch

60 Jahre und kein bisschen weise: Der alte Curd-Jürgens-Schlager trifft auf ein 1954 geborenes ›Geburtstagskind‹ aus Hannover nicht zu. Die Rede ist vom Institut für Umformtechnik und Umformmaschinen (IFUM), dem Veranstalter des Umformtechnischen Kolloquiums UKH. Weisheit bewies es beim 21. UKH, das erstmals das Thema Massivumformung getrennt von der Blechumformung behandelte. Experten aus der Fahrzeugindustrie (VW Nutzfahrzeug: Karosseriebau) und der Stahlindustrie (Deutsche Edelstahlwerke: massiver Leichtbau) zeigten neue Entwicklungen auf, die sicherlich auch die Blechumformung beeinflussen. Auch für Anwender aus der Blechumformung sehr spannend sind Entwicklungen hin zu Servopressen, die entweder vollelektrisch schmieden (Schuler) oder hydraulisch-mechanisch (Lasco) kalt umformen.

Wie wichtig das Netzwerken bei der Werkstoffdiät ist, bewies die Arbeitsgruppe ›Innovativer Massiver Leichtbau‹ mit Schmieden und Stahlherstellern. Sie wiesen nach, dass sich die Masse eines Mittelklassefahrzeugs um 42 Kilogramm reduzieren lässt, wenn modernste Stahlwerkstoff- und Massivumformtechnik eingesetzt wird. Frank Wilke, Vice President Technische Kundenberatung der Deutsche Edelstahlwerke GmbH in Witten und stellvertretender Sprecher des Konsortiums: »Mit der neuesten Stahlwerkstoff- und Massivumformtechnik liegen die Kosten pro Kilogramm Leichtbau sogar unter denen, die für manche neuartige Technologie aufgewendet werden müssen. Einige Leichtbaupotenziale versprechen sogar die Kostenneutralität.«

Erschienen in Ausgabe: 04/2014