Aluminiumumformverfahren in der Automobilindustrie: Warmumformen, hydromechanisches Tiefziehen, Gigacasting

Heißprägen von Aluminiumlegierungen

Energieknappheit und Umweltzerstörung führen zu tiefgreifenden Veränderungen in der Automobilindustrie. Forschungsergebnisse zeigen, dass eine Reduzierung der Gesamtmasse eines Fahrzeugs um 10% die Kraftstoffeffizienz um 6% bis 8% verbessern und die Emissionen um 4% senken kann. Die Gewichtsreduzierung bei Fahrzeugen ist daher in den Vereinigten Staaten, Deutschland, Japan und anderen Automobilproduktionsländern zu einem wichtigen Forschungsthema geworden. Die drei wichtigsten Ansätze sind leichte, hochfeste Werkstoffe, strukturelle Optimierung und fortschrittliche Umformverfahren.

Aluminiumlegierungen sind etablierte Leichtbaumaterialien in der Luft- und Raumfahrt. Da die Materialkosten gesunken sind, haben sich diese Werkstoffe aufgrund ihrer Gewichtsvorteile zu einem der am schnellsten wachsenden Leichtbaumaterialien in Mittel- und Oberklasse-Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor sowie in Elektrofahrzeugen mit neuen Antriebstechnologien entwickelt. Aluminium lässt sich sowohl kalt als auch warm umformen. Bei Raumtemperatur weist es eine geringe Duktilität und Formbarkeit, einen schwer zu kontrollierenden Rückfederungseffekt sowie eine ungewisse Maßgenauigkeit auf. Bei erhöhten Temperaturen, in der Regel zwischen 200 und 450 °C, verbessert sich die Umformbarkeit von Blechen mit steigender Temperatur, was der Herstellung von Karosserieteilen zugutekommt. Komplexe, hochfeste und hochpräzise Karosserieteile werden daher häufig im Warmumformverfahren hergestellt.

Das Warmprägen hat sich zu einem wichtigen Forschungsgebiet in Wissenschaft und Industrie entwickelt. Warmgeprägte Aluminiumkomponenten haben einige herkömmliche Stahlteile in A-Säulen, B-Säulen, Motorhauben und anderen kritischen Karosseriebereichen ersetzt. Die Austria Metall AG fertigte den Crash-Träger des BMW i8 aus AA7075-Aluminium im Warmumformungsverfahren. Beim Land Rover L405 wurden Aluminium der 6xxx-Serie und das Warmumformungsverfahren eingesetzt, um das bis 2015 größte einteilige Karosserieseitenelement herzustellen. Aston Martin nutzte die integrierte Lösung aus Wärmebehandlung, Umformung und Kaltgesenkhärten (HFQ), um die komplexe A-Säulen-Verstärkung für den DB11 herzustellen. Morgan wandte HFQ bei der ersten mit diesem Verfahren geformten Motorhaube für seinen Aero 8 an. Forscher der Technischen Universität Wuhan stellten durch Warmumformung und Reibschweißen maßgeschneiderte Rohlinge her, um eine B-Säule für Kraftfahrzeuge mit hoher Maßgenauigkeit und guten mechanischen Eigenschaften zu produzieren.

Hydromechanisches Tiefziehen

Das hydromechanische Tiefziehen ist ein neu entwickeltes Blechumformungsverfahren, bei dem eine starre Matrize durch unter hohem Druck stehende Flüssigkeit ersetzt wird. Der Flüssigkeitsdruck drückt das Blech gegen den Stempel, um das Bauteil zu formen. Das Verfahren eignet sich für komplexe Teile und Werkstoffe mit geringer Duktilität wie Aluminiumlegierungen und bietet eine hohe Umformgrenze, eine gute Oberflächenqualität sowie eine hohe Maßgenauigkeit.

Ein typisches System umfasst einen Stempel, eine Matrize, einen Blechhalter, eine Hydraulikkammer und ein hydraulisches Überdruckventil. Die Kammer wird mit Flüssigkeit gefüllt, das Blech wird positioniert und vom Blechhalter gegen die Matrize geklemmt. Während der Stempel das Blech in die Kammer drückt, hält der vom Überdruckventil geregelte Druck das Blech fest gegen den Stempel. Zwischen Blech und Stempel entsteht eine vorteilhafte Reibungshaftung, während die Flüssigkeitsschmierung zwischen Blech und Matrize die Reibung verringert und die Oberflächenqualität sowie die Umformgrenze verbessert.

Die folgende Abbildung vergleicht das herkömmliche Tiefziehen mit dem hydromechanischen Tiefziehen.

[BILD-PLATZHALTER: Vergleich zwischen konventionellem und hydromechanischem Tiefziehen]

1. Geringere Werkzeugkosten und kürzere Produktionszyklen. Flüssigkeit unter hohem Druck ersetzt entweder den Stempel oder die Matrize, sodass nur ein einziges starres Werkzeug benötigt wird.
2. Hohe Maßgenauigkeit und gute Oberflächenqualität. Die Flüssigkeitsschmierung zwischen Flansch und Matrize verringert Kratzer beim Umformen erheblich.
3. Höhere Umformgrenze. Reibungshaltung, Überlaufschmierung und anfängliche Rückwölbung verringern Rissbildung am Stempelradius und Faltenbildung in nicht abgestützten Bereichen. Das Ziehverhältnis steigt, es sind weniger Umformstufen erforderlich, und die Kosten sinken.
4. Geeignet für komplexe Bauteile. Strukturell oder geometrisch komplexe Bauteile können in einem Arbeitsgang gezogen werden, was Zeit spart und die Materialausnutzung verbessert.
5. Gleichmäßigere Dicke. Eine vorteilhafte Reibungserhaltung verringert die radiale Zugspannung, fördert eine gleichmäßige Schichtströmung, reduziert Wandverdünnungen und Spannungskonzentrationen und verbessert die Gleichmäßigkeit der Wandstärke.
6. Einsparungen bei Material und Verarbeitung. Das Verfahren senkt den Materialverbrauch und die Bearbeitungskosten.

Integriertes Druckgussverfahren

Seit 2020 nutzt Tesla das integrierte Druckgussverfahren, um mehr als 70 Karosserieteile im Heckbereich in einem einzigen Gussteil zusammenzufassen. Damit stellt das Unternehmen herkömmliche Stanz- und Schweißverfahren in Frage und verändert die Karosseriefertigung. Der Druckguss bietet hohe Produktivität, Maßgenauigkeit, mechanische Leistungsfähigkeit, Materialausnutzung und eine günstige Wirtschaftlichkeit in der Massenproduktion. Ein einteiliges Gussteil macht den komplexen Ablauf aus Stanzen und Schweißen überflüssig, reduziert den Werkzeugbedarf und die pro Teil erforderlichen Prozesskontrollen und verhindert kumulierte Montagefehler. Da das Bauteil aus einem einzigen Werkstoff besteht, kann Ausschuss direkt zu anderen Produkten eingeschmolzen werden.

Das Model Y war das erste Fahrzeug von Tesla, bei dem dieses Verfahren zum Einsatz kam; dabei wurde der hintere Unterboden als einteiliges Gussteil gefertigt. Im Vergleich zum Model 3 konnte beim Model Y die Anzahl der Bauteile um 79 reduziert, die Anzahl der Schweißpunkte von 700–800 auf 50 gesenkt und die Fertigungszeit von 1–2 Stunden auf 3–5 Minuten verkürzt werden.