Raffiniertes Blechhalbzeug

Durch das Partielle Plattieren Können unterschiedlichste metallische Fügepartner verbunden und anschliessend zu komplexen Hohlkörpern geformt werden. bbr stellt die interessanten Blechhalbzeuge vor.

06. September 2007

Durch das Innenhochdruckumformen (IHU) werden gewöhnlich Rohre, Strangpressprofile oder Blechpaare zu komplexen Hohlkörpern geformt. Eine interessante Alternative ist der Einsatz neuartiger partiell plattierter Doppelblech- beziehungsweise Multiblech-Halbzeuge, die am Institut für Umformtechnik und Leichtbau (IUL) der Universität Dortmund in Zusammenarbeit mit der Firma Wickeder Westfalenstahl GmbH entwickelt worden sind. Die partiell plattierten Doppelblech- beziehungsweise Multiblech-Halbzeuge werden durch einen Kaltwalzplattierprozess hergestellt, wobei zwei Bleche partiell, das heißt nur in jenen Randbereichen der Bleche vollflächig miteinander gefügt werden, die den späteren Bauteilflansch bilden.

Kontinuierlicher Fügeprozess

Durch den Aufdruck von Trennschichten aus einer Suspension aus kollodialem Grafit (circa 10 μm) im Vorfeld des Walzplattierprozesses werden die wirksamen Fügemechanismen im Trennschichtbereich gezielt unterbunden, sodass diese unge- fügten Bereiche druckbeaufschlagt und durch IHU zu komplexen Hohlkörpern weiterverarbeitet werden können. Im Vergleich zu schweißtechnischen Fügeverfahren bietet das Walzplattieren von Doppelblechverbunden einige wichtige wirtschaftliche und technologische Vorteile. So ermöglicht das Walzplattieren als kontinuierlicher Fügeprozess eine höhere Ausbringung als bahngebundete Schweißverfahren. Ferner lassen sich durch das Plattieren die unterschiedlichsten Metallkombinationen realisieren, die auch mehrlagig (bis zu sieben Lagen) ausgeführt sein können.

Mit neuen Möglichkeiten

Das Walzplattieren eröffnet die Möglichkeit, verschiedenartige Metalle mit verschiedenen physikalischen, chemischen, mechanischen oder optischen Eigenschaften zu Doppelblechverbunden zu fügen, wodurch völlig neuartige multifunktionale Integralbauteile möglich werden. Die naheliegendsten Anwendungsbereiche sind beispielsweise Wärmetauscherstrukturen für die Chemieindustrie, bei denen dünne, chemisch beständige Schichten auf wirtschaftliche Stahlblechqualitäten plattiert werden, oder aber Verbundbauteile für den Karosseriebereich, bei denen aus optischen Gesichtspunkten Edelstahlqualitäten mit hochfesten Stahlqualitäten oder aber mit leichten Aluminiumwerkstoffen kombiniert werden. Ferner ermöglicht das partielle Plattieren eine schnelle und kostengünstige Herstellung von Patchwork-Blechen, das heißt es können gezielt zusätzliche Blechlagen aufplattiert werden, um lokal zum Beispiel in hoch beanspruchten Bauteilbereichen oder im Bereich von Anbauschnittstellen die Wanddicken zu erhöhen.

Gefördertes Projekt

Die Herstellbarkeit partiell plattierter Halbzeuge, die Möglichkeit der Weiterverarbeitung durch IHU-Verfahren und das große Einsatzpotenzial dieser neuartigen Bauteile sind im Rahmen eines von der Forschungsvereinigung Stahlanwendung e. V. (FOSTA) koordinierten und von der Stiftung Stahlanwendungsforschung geförderten Projektes nachgewiesen worden. Die FOSTA wurde im Jahr 1968 von deutschen Stahl erzeugenden Unternehmen als gemeinnütziger, eingetragener Verein gegründet. Die Mitgliedschaft ist offen für nationale und internationale Unternehmen der Stahlerzeugung, Stahlverarbeitung und Stahlanwendung sowie andere dem Werkstoff Stahl verbundene Organisationen und Institutionen. Die Vereinigung hat es sich zur Aufgabe gemacht, anwendungstechnische Forschung und Entwicklung auf unmittelbar gemeinnütziger Grundlage zu fördern. Schwerpunkte der Forschungsförderung sind Fahrzeugbau, Umformtechnik, Fügetechnik, Hochbau, Brückenbau, Umweltschutz, Brandschutz, Verbundwerkstoffe, Apparate- und Behälterbau.

Grosses Einsatzpotenzial

Die Halbzeugherstellung umfasst das Reinigen und Vorbehandeln der Bänder, das Aufdrucken der Trennschichten zum Beispiel mittels Siebdruckverfahren, das Kaltwalzplattieren unterhalb der Rekristallisationstemperatur sowie ein nachgeschaltetes Diffusionsglühen, durch das die finale Plattierfestigkeit erzielt wird und teilweise Rekristallisationseffekte im Blechmaterial initiiert werden. Die unplattierten Bereiche, die infolge des Walzplattierens um den Walzgrad gelängt worden sind, können im Coil problemlos mittels Ultraschallblechdickenmessungen identifiziert werden, sodass ein exakter Blechzuschnitt in Bezug auf die später auszuweitenden Blechbereiche durchgeführt werden kann.

Mit IHU zur endgültigen Form

Wichtige Voraussetzungen für eine Weiterverarbeitung partiell plattierter Platinen zu Hohlkörperstrukturen durch IHU sind eine vollständige Trennung der Blechlagen in Bereichen der Trennschichten, der Erhalt der Trennschichtgestalt (unter Berücksichtigung der Längung des Musters) während des Walzplattierens, eine hohe Haftfestigkeit zwischen den Blechlagen im Flanschbereich sowie ein hinreichendes Formänderungsvermögen des Blechwerkstoffs nach dem Kaltwalzplattieren und dem anschließenden Diffusionsglühen. Durch technologische Untersuchungen (Schälversuche, Zugversuche, metallurgische Untersuchungen und so weiter) und schließlich durch die Herstellung einer PKW-Dachrahmenstruktur aus partiell plattierten Platinen konnte nachgewiesen werden, dass sich diese wichtigen Halbzeugeigenschaften im Walzplattierprozess einstellen lassen.

Druckdichte und präzise Halbzeuge

Zur Herstellung des Dachrahmens ist ein IHU-Werkzeug realisiert und in eine am IUL installierte 100-MN-Hydroformpresse eingesetzt worden. Als Ausgangsblechmaterial für den Plattierverbund kam der Blechwerkstoff DC 01 zum Einsatz. Aufgrund der begrenzten Walzkräfte des zur Verfügung stehenden Walzplattiergerüstes konnten bei den großflächigen Dachträgerplatinen keine ergänzenden Untersuchungen zum Plattieren höherfester Stahlgüten durchgeführt werden. Die experimentellen Arbeiten zu den plattierten Halbzeugen zeigten, dass die Plattierverbindung mindestens bis zu den maximal notwenigen Umformdrücken von ca. 60 MPa druckdicht sind. Ferner konnte die von der IHU bekannte sehr gute Form- und Maßgenauigkeit auch beim Einsatz partiell plattierter Halbzeuge nachgewiesen werden. Die Flanschbreiten lassen sich nach dem Umformprozess mittels Schneidoperationen reduzieren, wobei die Restflanschbreiten auf den jeweiligen Einbaufall abgestimmt werden können. Für die IHU des Dachträgers selbst sind größere Flanschbreiten zwischen 20 bis 30 mm notwendig, um eine hinreichende Kaltverfestigung zu erzielen, die für das Crashverhalten, aber auch für die Form- und Maßgenauigkeit der Bauteile (Reduktion von Rückfederung) unabdingbar ist. Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass die Untersuchungen zur Umformung partiell plattierter Multibleche deutlich die Potenziale dieser innovativen Halbzeuge in Hinblick auf die weitreichenden Kombinationsmöglichkeiten unterschiedlichster metallischer Fügepartner und hinsichtlich der wirtschaftlichen Fertigung komplexer Bauteilgeometrien aufgezeigt haben. _

Michael Trompeter (1), Werner Homberg (2), Boris Rauscher (1) und Erman Tekkaya (1)

1 = Institut für Umformtechnik und Leichtbau der Universität Dortmund

2 = Lehrstuhl für Umformende und Spanende Fertigungstechnik der Universität Paderborn

Erschienen in Ausgabe: 06/2007