Mit Wasserkraft zur Form

Fertigungsverfahren "erleichtern" Karosserien

Zu einem Tagungsgeheimtipp für Produktionsfachleute hat sich Chemnitz gewandelt. Der Höhepunkt des Jahres 2002: Das Fraunhofer Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik (IWU) lockt Ende September 2002 Experten aus aller Welt zum Karosseriekolloquium. Kernthema: Tipps und Tricks rund um das Hydroforming.

27. März 2003

Mit zwingender Selbstverständlichkeit entsteht die Rohkarosserie des dritten Jahrtausend immer öfters mit Naturkraft: Das beweist das dritte Chemnitzer Karosseriekolloquium, auf dem das Umformen mit Wasserkraft im Mittelpunkt steht. Den Stellenwert des Hydroformings beweist ein Blick auf die Teilnehmerzahlen: Handelte es sich bei den ersten IHU-Tagungen in Essen noch um kleine, feine Insidertreffs mit maximal 50 Teilnehmern, lockte das Kolloquium des Fraunhofer Institutes für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik (IWU) bereits 170 Fachleute aus acht Ländern nach Chemnitz.

IHU eignet sich nicht nur für Einfach-, sondern auch für Doppelplatinen. Das fanden gemeinsam heraus Tower Automotive Hydroforming GmbH aus Chemnitz, Kuka Werkzeugbau Schwarzenberg GmbH aus dem Erzgebirge und das Fraunhofer IWU. Bei ersten Versuchen entstand unter anderem eine Pkw-B-Säule. Ergebnis dieses Versuchs (Taktzeit 40 Sekunden) war das Sinken der Herstellkosten um 15 Prozent. durch Verringern der erforderlichen Umformwerkzeuge von zwölf auf sieben, eine Erhöhung der Bauteilsteifigkeit in der Bauteilmitte um maximal 20 Prozent, die Verkürzung der Entwicklungszeiten um drei Monate sowie eine geringere Rückfederung nimmt und die Erhöhung der Bauteilgenauigkeit.

Dreidimensionales Freiformbiegen

Nicht nur um das eigentliche Innenhochdruckumformen, sondern auch um das Drumherum kümmert sich mit Akribie das Fraunhofer IWU. Der wachsenden Nachfrage nach vorgeformten Halbzeugen, Tailored Tubes, kommt das Institut nach mit einer Eigenentwicklung. Es handelt sich dabei um den sogenannten HexaBend, eine Anlage zum dreidimensionalen Freiformbiegen von Profilen. Details nennt Institutschef Prof. Reimund Neugebauer, der Leiter der Tagung: „Das bewegliche Biegewerkzeug wird durch eine hydraulisch angetriebene Parallelkinematik in sechs Achsen bewegt. Der HexaBend eröffnet die Möglichkeit, freie Biegeradien Bogen in Bogen in einer 3D-Raumkurve auszuführen.“ Mit dem Verfahren erhalten maximal 2,5 Meter lange und 80 Millimeter dicke Rohre beliebige Biegeradien in jede Richtung. Ein beeindruckendes Beispiel aus dem HexaBend-Alltag: Ein Rohr aus dem Werkstoff St38 NBK wurde innerhalb von 35 Sekunden an fünf verschiedenen Stellen mit variierenden Radien und Durchmesser verbogen. Versuchs- und prototypbedingt betrug die Nebenzeit noch 35 Sekunden.

Sichtlich angetan von dem Prototyp ist auf dem Kolloquium Dr.-Ing. Christoph Härtl, der Leiter des Hydroformings der Siempelkamp Pressensysteme GmbH & Co. KG aus Krefeld. Dieses computergesteuerte Verfahren könnte nämlich sehr gut im Parallelschwung mit Hydroform-Anlagen arbeiten. Bisher setzt Siempelkamp bei der Vorfertigung nicht nur auf Hightech, sondern oft auch auf traditionelle Verfahren. Bei Untersuchungen stellten die Krefelder erstaunt fest, daß sich der Längsträger eines Fahrzeugrahmens am besten im Gesenk biegen läßt. Dazu Dr. Härtl: „Das Biegen im Gesenk weist gegenüber dem CNC-Verfahren deutliche Vorteile hinsichtlich Produktivität bei gleichzeitig niedrigeren Kosten für Invest und Betrieb auf. Deswegen hat sich das Biegen im Gesenk für diese Art der Bauteile in der Großserienproduktion durchgesetzt.“

Im Detail: Gegeneinander traten an eine hydraulische 500 Tonnen-Presse (rund 0,45 Millionen Euro) und vier CNC-Biegemaschinen plus Zubehör (2,5 Millionen Euro). Während die CNC-Fraktion bei einer Verfügbarkeit von 75 Prozent nur 20.000 Bögen mit einem Satz Werkzeuge packte, schaffte die Presse zwei Millionen Teile bei einer Maschinenverfügbarkeit von mehr als 90 Prozent. Das CNC-Quartett benötigte für fünf Bögen rund 25 Sekunden, die Presse nur zehn Sekunden.

Hydroform-Trends

Ein anderer wichtiger Trend im IHU-Bereich betrifft die maßgeschneiderten Halbzeuge. Erste positive Erfahrungen mit Anlagen zum Herstellen von Tailored Tubes machte Siempelkamp. Laut Dr. Härtl lassen sich diese Anlagen, zum Beispiel die LTC 4000 von Soudronic, „ohne Einfluß auf die Taktzeit der IHU-Fertigungsanlage“ in verkettete Linien einbinden.

Im Kommen sind im Hydroformen Hybrid-Konzepte: Das pneumomechanische Tiefziehen von der Uni Dortmund vereint die Vorteile zweier Umformwelten - also Hydroformen und Tiefziehen. Lob von Dr.-Ing. Ralf Kolleck, Leiter neue Umformtechnologien bei der Schuler Hydroforming GmbH aus Wilnsdorf (bei Siegen): „Die Kombination der wirkmedienbasierten Blechumformung mit den Merkmalen des Tiefziehens. Das Verfahren läßt sich einsetzen zum Fertigen komplexer Ziehteile mit kritischen Formelementen, die der Anwender mit konventionellem Tiefziehen nur in mehreren Stufen oder überhaupt nicht herstellen kann.“

Ein Benchmark bei seinem eigenen Hybridverfahren führte Schuler mit Erfolg im Rahmen der ULSAC-Studie (Ultralight Steel Auto Closure) durch. Per Tiefziehen und aktivem hydromechanischem Tiefziehen (AHM) entstanden Bauteile einer Tür. Dr. Kolleck: „Durch das Tiefziehen und das AHM wurden jeweils die Außenhäute der Türen aus unterschiedlich höherfesten Stählen gefertigt, um so die beiden Fertigungsverfahren mit Blick auf den Leichtbau zu vergleichen. In den vier Schritten „Vorformen“, „Stülpziehen“, „Ziehen“ und „Formen kleiner Radien“ fertigte Schuler die Türbleche, die im Vergleich zum konventionellen Verfahren 700 Gramm leichter ausfielen. Insgesamt läßt sich laut Schuler durch Modularisierung und Integration von Teilen mit AHM das Gewicht um 40 Prozent senken.

Mit dem AHM-Verfahren zur Luxuskarosse

Weil es bei Kleinserie bisher keine wirtschaftlichere Blechformteilefertigung als das Tiefziehen gibt, entwickelte Schuler alternativ eine Anlage, die aus 6500 Tonnen-AHM-Presse, 3D-Laseranlage und hydraulischer Ziehvorrichtung besteht. Die Arbeitsweise: Die AHM-Presse formt innerhalb von rund 30 Sekunden großflächige Außenhaut- und Strukturbauteile, während die 3D-Laseranlage schneidet und die hydraulische Ziehvorrichtung alle Folgeoperationen wie Abkanten und Beschneiden übernimmt. Das AHM-Verfahren kam in Süddeutschland an: Die flexible Fertigungszelle verwandelt Alcan-Aluminium in Dächer für Maybach. Auch sonst glänzt die Luxuskarosse in Sachen Karosserieinnovation: So läßt DaimlerChrysler die komplex geformten Türinnenteile und die Scharnierverstärkungen per superplastischem Umformen herstellen. Dabei werden die Bleche aus speziell für das Verfahren „gezüchteten“ Aluminiumlegierungen bei Temperaturen von maximal 500 Grad Celsius verformt.

Temperiert zur Hochform

Aber auch die Hydroform-Liga beschäftigt sich intensiv mit wohltemperierten Fertigungsverfahren. Dank des Erhitzens lassen sich nämlich auch kritische Werkstoffe wie Magnesium oder hochfeste Stähle hydroformen. Schuler arbeitet dabei entweder mit erhitztem Öl oder Gas. Zum Nachrüsten bestehender IHU-Anlagen entstand am Fraunhofer IWU in Chemnitz eine mobile Anlage, die Werkstoffe auf maximal 345 Grad Celsius erhitzt. Wegen dieser bisher erzielbaren Temperaturen eignet sich die Anlage in erster Linie für Magnesium- und Aluminiumlegierungen.

Hochfester Stahl oder ...?

Erste Ergebnisse beschreibt eine Institutsschrift: „Die Temperierung führt zu einer deutlichen Reduzierung der Fließgrenze, wodurch die erforderlichen Umformkräfte erheblich verringert werden. Es kann davon ausgegangen werden, daß im Fall des hochfesten Stahls eine Reduktion bis 20 Prozent möglich ist. Durch entsprechende Temperaturführung und Prozeßgestaltung ist es außerdem möglich, Platinen aus Magnesium unter Verwendung des Demonstrator-Werkzeugs umzuformen.“

Die Auslegung von Hydroform-Bauteilen steht und fällt mit der Simulation: Vor Euphorie warnt hier Prof. Tayran Altan vom & pos;Engineering Research Center for Net Shape Manufacturing‘ an der Ohio State University: „Die Zugwerte der Werkstofflieferanten reichen oft nicht aus, um die Verformungswerte zu ermitteln.“ Bei rohrförmigen Material empfiehlt er vor einer Simulation, mit Hilfe des hydraulischen Bulge-Tests die dynamische Veränderung der Festigkeit in zwei Achsen zu erfassen.

Doch nicht nur Hydroforming, sondern auch allgemeine Werkstofffragen standen auf dem Tagungsprogramm. Eine konventionelle Werkstoffstrategie fährt BMW: Im Mittelpunkt steht der Stahl. Gewichtsmäßig besteht beispielsweise der neue 7er zu über 80 Prozent aus hochfesten Stählen. Im Außenhautbereich steigt zwar der Anteil an Bauteilen aus Aluminium, Magnesium und Kohlenfaserkunststoffen, doch die aktuellen Materialpreise verhindern bei BMW einen großen Durchbruch dieser Werkstoffe. Aktuell setzt der bayrische Autohersteller auf Tailored Blanks, gewalzte Platinen und höherfeste Stähle, deren Mehrkosten maximal fünf Euro pro Kilogramm ausmachen. Bei den Werkstoffen konstatiert Bruno Lüdke, Projektleiter Rohbau des neuen 5er: „Wenn die Kohlenfaserkunststoffe bezahlbar werden (zur Zeit laut BMW 15 bis 20 Euro pro Kilogramm), gehört ihnen die Zukunft.“

Abspecken durch Fertigungsverfahren

Nicht die Werkstoffe, sondern die Fertigungsverfahren schneiden bisher beim Abspecken am besten ab: Rund 2,5 Euro pro Kilogramm spart laut Lüdke derjenige Automobilhersteller ein, der auf optimierte Tragstrukturen setzt und auf Verfahren wie IHU, bei denen Teile entfallen. Die aktuelle BMW-Strategie orientiert sich also an optimierten Fertigungsverfahren und an höherfesten Stählen (bis 1200 Megapascal).

Audi vernachlässigt als Aluminium-Pionier auch nicht andere Werkstoffe. Zu den erklärten Zielen zählt laut Audi-Produktionsvorstand Dr.-Ing. Jochem Heizmann im Karosseriebau ein intelligenter Materialmix mit Aluminium, Stahl und Faserkunststoff-Verbünden. Die wichtigste Rolle übernimmt dabei naturgemäß das Aluminium, aus dem mit Strangpressprofilen die tragende Struktur entsteht. Aus Stahl bestehen dann künftig Anbauteile wie Heckklappen und aus Kunststoffverbünden Kotflügel sowie untere Bodengruppe.

Hier kommt die Stahlindustrie ins Spiel, welche ihre Werkstoffe auch auf deren Hydroform-Fähigkeit intensiv abklopft. Hierbei spielen vor allem die Halbzeuge eine große Rolle. Dr.-Ing. André Kröff, Leiter der Simulationstechnik bei der Salzgitter Flachstahl GmbH: „Künftige Entwicklungen beschäftigen sich mit dem Einsatz von oberflächenveredeltem Bandmaterial zum Herstellen von maschinenfertigen Rohren. Die begrenzte Zinkhaftung und die niedrige Schmelztemperatur des Zinks steht einem Glühen der Rohre im Wege.“ Um auf ein Glühen zu verzichten, muß Salzgitter nun präzise Rohrgeometrien erzeugen und die Eigenschaften der Schweißnähte verbessern.

Erschienen in Ausgabe: 01/2003