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Warmumgeformte Stähle Ein heißes Thema

| Redakteur: Claus-Peter Köth

Die Warmumformung von Tailored Blanks ist ein spannender Trend im Stahl-Leichtbau. Schon bald wird es komplexe warmumgeformte Bauteile geben, bei denen Fügeprozesse im Karosseriebau wegfallen. Selbst der Einsatz im Fahrwerk ist möglich.

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Wenn man Bleche aus Mangan-Bor-Stahl warm verformt, lassen sich Eigenschaften wie Zähigkeit und Crash-Festigkeit gezielt beeinflussen. Diesen Vorteil der Warmumformung von Stählen drückt der Begriff „Presshärten“ besser aus: Denn durch die Wärmebehandlung wird der Stahl deutlich härter. Als Fachkoordinator Umformtechnik bei der Thyssen Krupp Steel AG hat Dr.-Ing. Franz-Josef Lenze die Entwicklung der Warmumformung maßgeblich vorangetrieben. Er erklärt das Verfahren folgendermaßen: „Zunächst wird die Platine aus Mangan-Bor-Stahl bei einer Ofentemperatur von 900 bis 950 °C ,austenitisiert‘ und dann ins Werkzeug eingelegt. Bei geringen Presskräften lässt sie sich gut umformen und wird noch im Werkzeug kontrolliert auf 100 bis 200 °C abgekühlt.“ Im Vergleich zur Kaltumformung benötige man nur rund 25 Prozent der Presskraft.

Nach dem kontrollierten Abkühlen – hier spielt der Faktor Zeit eine Rolle – entsteht ein martensitisches Gefüge mit homogenen Eigenschaften. Dieser reine Martensit erreicht eine Festigkeit von rund 1 500 MPa und eine Restbruchdehnung von vier bis sechs Prozent. Auch die Maßhaltigkeit ist sehr gut. „Da die Platinen nicht kaltverfestigt werden, haben die Bleche hervorragende Crash-Eigenschaften. Darüber hinaus lassen sich auch komplizierte Geometrien realisieren“, sagt Lenze.

Das „Abschrecken im Werkzeug“ wird schon seit rund zwanzig Jahren bei Mangan-Bor-Stählen genutzt. Seit 1997/98 kommt dabei korrosionsfestes Material mit einer Aluminium-Silizium-Beschichtung zur Anwendung. Erstmals eingesetzt wurde dieses Material im Metal Forming von Thyssen Krupp Steel.

Volkswagen mit konsequenter Umsetzung des Konzepts

Richtig Schwung in die industrielle Nutzung des Warmumformens brachte der neue VW Passat. Volkswagen entschied sich, das Verfahren auf breiter Ebene zu nutzen. Im VW-Werk Kassel wurden sechs Linien installiert, die heute vor allem für den Passat produzieren. Rund 15 Prozent der Karosseriebauteile des Wagens werden per Warmumformung gepresst. Sie reduzieren das Fahrzeuggewicht um rund 20 Kilogramm. Volkswagen hat das Konzept sehr konsequent umgesetzt. So haben inzwischen auch Audi und Seat Warmumform-Linien in Betrieb genommen.

In kommenden Fahrzeuggenerationen erwartet Dr. Lenze bis zu 20 Prozent warmumgeformte Teile. Der Audi A5 war das erste Fahrzeug, bei dem Tailored Blanks unter Hitze gepresst wurden. Welche Vorteile diese Kombination bietet, zeigt die B-Säule des Coupés. Im unteren Bereich verwendet Audi einen mikrolegierten Stahl, der im Crash-Fall viel Energie aufnehmen kann. Der obere Bereich des Bauteils besteht aus einem Mangan-Bor-Stahl, der eine höhere Festigkeit aufweist. Auch an den hinteren Längsträgern und Tunnelverstärkungen nutzen die Ingolstädter Tailored Blanks, die per Presshärten in Form gebracht werden.

Auf diese Weise kann der OEM innerhalb eines Karosseriebauteils unterschiedliche Eigenschaften abbilden und Gewicht reduzieren. Gleichzeitig verbessert er Parameter wie Umformverhalten, Steifigkeit und Crash-Verhalten. Zudem bietet das Verfahren die Möglichkeit, zwei Kaltumform-Komponenten durch ein Warmumform-Bauteil zu ersetzen – ein Fügeprozess entfällt. Um der Warmumformung zum Erfolg zu verhelfen, bietet Thyssen Krupp Steel umfassende Möglichkeiten an: Falls der Kunde fertige warmumgeformte Bauteile oder Komponenten wünscht, kann die Fertigung bei Unternehmen der Business Unit Metalforming erfolgen. Wenn die Kunden – wie Volkswagen – eigene Warmformlinien betreiben, liefert TKS das entsprechende Material und bietet Unterstützung bei der Planung beziehungsweise Auslegung der Produktionslinien.

„Geschwindigkeit ein wichtiger Parameter“

Darüber hinaus sieht sich Thyssen Krupp als Know-how-Träger beim Substrat und bei der Oberfläche. „Bei der Pressentechnik ist die Geschwindigkeit, mit der die Platinen gepresst und transportiert werden, ein wichtiger Parameter, weil mit ihm die Temperaturführung beeinflusst wird“, weiß Lenze. Der Schlüssel zum Erfolg sei jedoch der Werkzeugbau. Denn die Formen müssen nicht nur hohen Temperaturen standhalten, sondern auch eine sehr gezielte Temperierung und Abkühlung ermöglichen. Eine weitere Schlüsseltechnik ist die Aufheizung. Hier gibt es angesichts steigender Energiekosten noch Optimierungsbedarf. Zurzeit kommen bei der Warmumformung Strahlungsöfen zum Einsatz, die bei Temperaturen unter 600 °C jedoch einen eher geringen Wirkungsgrad aufweisen. Deshalb überlegt TKS, in künftigen Anlagen alternative Aufheiztechniken einzusetzen. Eine Möglichkeit ist die Induktionserwärmung.

Um die Warmumformung am Markt zu forcieren, bietet Thyssen Krupp auch umfassende Engineering-Unterstützung. „Wir haben in den vergangenen drei Jahren in Dortmund ein Technikum für die Warmumformung aufgebaut, das die kundenspezifische Optimierung der Verarbeitungsbedingungen ermöglicht“, sagt Dr. Lenze. Dies könne man sogar im Originalmaßstab der Bauteile tun, denn zur Ausstattung des Technikums gehöre unter anderem eine 2 000-Tonnen-Presse. Außerdem stehen Kapazitäten für die Simulation des Warmumformprozesses bereit. Deren Ziel ist es, die temperierte Umformung und den simultan stattfindenden Härteprozess durch Gefügeumwandlung zu berechnen. Die so erhaltenen Ergebnisse bilden die Grundlage für anschließende Crashberechnungen.

Entwicklung ist noch lange nicht ausgereizt

Mit der Warmumformung von Tailored Blanks ist für TKS die Entwicklung allerdings noch lange nicht ausgereizt. Die Experten verfolgen weitere Projekte, die eine gezielte Beeinflussung der Materialeigenschaften ermöglichen. „Durch eine lokale Erwärmung und Abkühlung können wir z. B. partiell die gewünschten Bauteileigenschaften erzeugen“, sagt Lenze. Darüber hinaus arbeite man an Konzepten mit dem Ziel, Bauteilfestigkeiten von bis zu 2 000 MPa einzustellen – damit wäre die Voraussetzung für geringere Blechdicken geschaffen.

Ferner werden neue Legierungskonzepte erprobt und es wird an neuen Beschichtungssystemen gearbeitet, die einen kathodischen Korrosionsschutz bieten. Stand der Technik ist derzeit eine Aluminium-Silizium-Beschichtung, die den Werkstoff im Fertigungsprozess vor Verzunderung schützt und gleichzeitig Korrosionsschutz bietet. Generell eignet sich die Warmumformung laut TKS für nahezu alle Strukturbauteile. Schon bald werde es eine Erweiterung des zurzeit vorhandenen Bauteilespektrums geben, bei denen u. a. Fügeprozesse im Karosseriebau wegfallen. Und man hat die Nutzfahrzeuge im Blick. Außerdem seien Einsätze im Fahrwerk zu erwarten. „Das Warmumformen setzt sich schneller durch, als wir erwartet haben. Offenbar trifft das Verfahren die Bedürfnisse der Automobilindustrie im Kern“, bilanziert Franz-Josef Lenze.

Die Beschichtung muss weg

Tailored Blanks sind Blechzuschnitte, die meist aus Einzelblechen unterschiedlicher Stahlarten, Dicken und Oberflächenbeschichtungen bestehen. Sie werden überwiegend stumpf im Laserschweißverfahren oder als Quetschnaht verschweißt. Die maßgeschneiderten Platinen wurden in den achtziger Jahren von der damaligen Thyssen Stahl AG entwickelt.

Dass es erst jetzt Tailored Blanks für die Warmumformung gibt, hängt auch mit der Schutzschicht aus Aluminium und Silizium an der Oberfläche der Warmumformstähle zusammen. Die beiden chemischen Elemente verdampfen beim Schweißen der Einzelplatinen nicht, sondern erstarren in der Schweißnaht und sorgen dort für Schwachstellen. Gemeinsam mit Rofin-Sinar hat Thyssen Krupp deshalb eine Anlage entwickelt, bei der ein pulsierender Festkörperlaser einen jeweils 1,5 Millimeter breiten Streifen der Beschichtung auf beiden Seiten des Fügespaltes für die Schweißnaht der Tailored Blanks abträgt.

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