Thixoforming mit Stahl?

Thixoforming kommt bereits in Verbindung mit Aluminium zum Einsatz. Im Rahmen eines EU-Projektes, an dem auch der schwedische Pressenbauer und automatisierer AP& als Partner beteiligt ist, wird dieses Verfahren jetzt auch mit Stahl getestet. Vorteil des Verfahrens: Leichte, feste Bauteile, die bereits nahe am endgültigen Finish sind.

16. November 2006

Viele Branchen sind auf der Suche nach leichteren Metallmaterialien. Das gilt nicht zuletzt auch für die Automobilindustrie, in der leichtere Komponenten für einen geringeren Kraftstoffverbrauch sorgen.

Ohne Kompromisse

Selbstverständlich dürfen dabei keine Abstriche bei der hohen Stabilität gemacht werden. Die Anforderungen an leichtere, aber dennoch stabile und noch widerstandsfähigere Metallmaterialien scheinen manchmal unvereinbar zu sein. Eine der möglichen Lösungen heißt Thixoforming. Dieses Verfahren kommt bereits in Verbindung mit Aluminium zum Einsatz. Im Rahmen eines EU-Projektes, an dem auch AP& als Partner beteiligt ist, wird dieses Verfahren jetzt auch mit Stahl getestet. Beim Thixoforming wird das zu formende Werkstück auf eine Temperatur direkt unter dem Schmelzpunkt erhitzt. Es wird dadurch weich, ohne zu zerrinnen, und lässt sich somit sehr leicht formen.

Fest und Leicht

Mit der richtigen Zusammenstellung des Materials kann man eine höhere Festigkeit erzielen, im Vergleich zur traditionellen Formung, bei gleicher Werkstückstärke und gleichem Gewicht. Das Verfahren ähnelt in gewisser Weise dem Gesenkschmieden, bietet aber im Vergleich dazu eine Reihe von Vorteilen. Das fertige Teil wird beim Thixoforming nicht nur leichter, sondern es liegt auch schon erheblich näher am endgültigen Finish. Außerdem verringert sich die Anzahl der Produktionsschritte. Es fällt nur wenig oder gar kein Abfall an und der Thixoforming-Prozess verbraucht wesentlich weniger Energie.

Das Thixofenster

Beim Thixoforming gibt es jedoch einen besonderen Problembereich, der einem erfolgreichen Ergebnis noch im Wege steht. Der Formprozess muss im Fenster eines bestimmten Temperaturbereichs erfolgen, damit er wie beabsichtigt funktioniert. Wenn das Material zu heiß ist, lässt sich keine Formung durchführen. Wenn es zu kalt ist, erhält man nicht die gewünschten Eigenschaften, weil die Molekülstruktur des Werkstücks von der Temperatur bei der Formung abhängt. So kann die Haltbarkeit in einem einzelnen Werkstück stark schwanken, wenn die Formung bei der falschen Temperatur stattgefunden hat. Dieser Temperaturbereich wird als Thixofenster bezeichnet. Daraus ergeben sich besondere Anforderungen an Anlagen und Prozesse. »Das Werkstück muss im Werkzeug die richtige Temperatur haben. Dazu müssen wir einerseits den Zeitfaktor berücksichtigen und andererseits die richtige Temperatur des Werkstücks sicherstellen«, erklärt Bengt Walkin, Technischer Leiter bei AP& . Thixoforming kommt bereits bei der Formung von Aluminium in größerem Umfang zum Einsatz. Aluminium lässt sich in diesem Prozess relativ leicht bearbeiten, weil das Thixofenster bei etwa 500 bis 650 Grad Celsius liegt.

Stahl auf 1.400 Grad

Damit das Verfahren möglichst vielseitig eingesetzt werden kann, müssen auch andere Materialien verwendet werden können. Im Rahmen des EU-Projektes »Development of steel parts forged under semi-solid conditions for the industrial market« hat das IFUM (Institut für Umformtechnik und Umformmaschinen) an der Universität von Hannover sich damit befasst, ob und wie das Thixoforming auch für Stahl verwendet werden kann. AP& ist an diesem Projekt als Partner im Bereich Pressen und Automatisierungsprozesse auf dem Gebiet der Formung beteiligt. Das größte Problem beim Einsatz des Thixoformings mit Stahl sind die hohen Temperaturen. Das Thixofenster muss bei Stahl zwischen 1.370 und 1.400 Grad Celsius liegen. Schnelle Servosteuerung ist entscheidend. Daher muss auch das Material effektiv und zuverlässig auf einer bestimmten Temperatur gehalten werden.

Die Technik

»Bei der eigentlichen Presstechnik konnten wir mit dem Steuersystem HNC arbeiten, welches wir normalerweise beim Hydroforming einsetzen. Am wichtigsten ist jedoch, dass die Achsen eine Servosteuerung haben, weil dadurch eine schnelle Formung sichergestellt wird. Nur so können wir im Rahmen des Thixofensters liegen«, betont Mikael Karlsson, Projektleiter von AP& im EU-Projekt. »Dank der Servosteuerung erzielen wir auch eine hohe Präzision. Der Zylinder muss einerseits schnell arbeiten, bis zu drei Meter pro Sekunde, und andererseits müssen wir die Position aufgrund der Materialbeschaffenheit sehr genau überprüfen können. Mit dem HNC-System erreichen wir eine Positionierungsgenauigkeit im Bereich von Hundertstelmillimetern.« Im Rahmen des europäischen Thixoforming-Projektes war ein anderer Partner zuständig für die eigentliche Erhitzung und die Stabilisierung der Werkstücktemperatur. Aber die Lösung des Problems, wie das Werkstück von der Erhitzung in das Werkzeug gelangt, ohne allzu viel an Temperatur zu verlieren, lag im Aufgabenbereich von AP& . Die Lösung basiert auf der herkömmlichen Automation von AP& , die in erster Linie zur Bearbeitung des heißen Werkstücks mit einer neuen Konstruktion kombiniert wurde.

Alltag in wenigen Jahren?

Die kommerzielle Umsetzung des Thixoforming mit Stahl ist allerdings noch nicht sicher­gestellt. Das EU-Projekt soll im Juni 2006 abgeschlossen sein, und dann werden auch weitere Ergebnisse veröffentlicht. »Wahrscheinlich gehört das Thixoforming in wenigen Jahren zum Alltag, auch wenn noch einige Fragen zu klären sind«, meint Walkin. Für AP& war die Beteiligung an diesem Projekt ausgesprochen positiv. »Einerseits haben wir viel gelernt und andererseits hat es Spaß gemacht, eng mit anderen Unternehmen in Europa zusammenzuarbeiten. Außerdem werden wir viele Anregungen mit in unseren Arbeitsalltag übernehmen können«, ist Bengt Walkin überzeugt. _

Background

IFUM war für Projektleitung und Arbeitsaufteilung zuständig. Folgende Partner waren an dem Projekt beteiligt:

FA. Gallladé (D), Schmiedearbeiten

FA. SAET (I), Induktionserhitzung

FA. AP& (SE), Pressen und Prozess

FA. AscometalL (F), Stahl

Frauenhofer; IKTS (D), Werkzeug/Keramik

Elap, Universität in Liége (B), Simulation und In duktionserhitzung

Das EU-Projekt »Developement of steel parts forged under semi-solid conditions for the industrial market« wurde im Januar 2002 aufgenommen.

Know-HowEnorme Einspareffekte

IFUM und die beteiligten Unternehmen haben untersucht, wie sich ein geformtes Teil, bestimmt für einen Maserati-Motor, im Vergleich zum Gesenkschmiedeverfahren und Thixoforming-Verfahren verhält. Durch ein neu konstruiertes Thixoforming-Teil wurde das Werkstückgewicht auf 45 % reduziert. Beim Gewicht des Teils vor der Bearbeitung erreichte man eine Gewichtsreduzierung auf 87 % und beim fertigen Teil von 88 %. Das Abfallgewicht wurde um 100 % reduziert, da beim Thixoformingteil kein Abfall anfi el. Auch die Anzahl der Formungsschritte wurde durch das Thixoforming um zwei (mit Entgratung sogar drei) Schritte auf einen Schritt reduziert. Die maximal erforderliche Presskraft verringerte sich auf 11 %.

Erschienen in Ausgabe: 10/2006