Processen voor het vormen van aluminium in de automobielindustrie: warmstempelen, hydromechanisch dieptrekken, gigacasting

Warmstempelen van aluminiumlegeringen

Energietekorten en milieuvervuiling zorgen voor ingrijpende veranderingen in de auto-industrie. Uit onderzoek blijkt dat een vermindering van het totale voertuiggewicht met 10% de brandstofefficiëntie met 6% tot 8% kan verbeteren en de uitstoot met 4% kan verminderen. Het lichter maken van voertuigen is dan ook een belangrijk onderzoeksonderwerp geworden in de Verenigde Staten, Duitsland, Japan en andere landen waar auto's worden geproduceerd. De drie belangrijkste benaderingen zijn lichtgewicht, zeer sterke materialen, structurele optimalisatie en geavanceerde vormgevingsprocessen.

Aluminiumlegeringen zijn gevestigde lichtgewichtmaterialen in de lucht- en ruimtevaart. Nu de materiaalkosten zijn gedaald, hebben hun voordelen op het gebied van gewichtsbesparing ervoor gezorgd dat ze tot de snelst groeiende lichtgewichtmaterialen behoren in midden- en hoogwaardige voertuigen met verbrandingsmotoren en elektrische voertuigen op nieuwe energiebronnen. Aluminium kan zowel koud als warm worden gevormd. Bij kamertemperatuur heeft het een lage ductiliteit en vervormbaarheid, een moeilijk te beheersen terugvering en een onzekere maatnauwkeurigheid. Bij verhoogde temperaturen, doorgaans 200 tot 450 °C, neemt de vervormbaarheid van de platen toe naarmate de temperatuur stijgt, wat gunstig is voor de productie van carrosseriepanelen voor auto’s. Voor complexe, zeer sterke en uiterst nauwkeurige panelen wordt daarom vaak warmvervorming toegepast.

Warmstempelen is uitgegroeid tot een belangrijk onderzoeksgebied, zowel in de academische wereld als in de industrie. Warmgestempelde aluminium onderdelen hebben een aantal conventionele stalen onderdelen vervangen in A-stijlen, B-stijlen, motorkappen en andere cruciale delen van de carrosserie. Austria Metall AG produceerde de crashbalk van de BMW i8 uit AA7075-aluminium door middel van warmstempelen. Bij de Land Rover L405 werd gebruikgemaakt van aluminium uit de 6xxx-serie en warmstempelen om wat in 2015 het grootste uit één stuk vervaardigde zijpaneel van de carrosserie was, te produceren. Aston Martin gebruikte de geïntegreerde oplossing van warmtebehandeling, vervorming en koudstempelen (HFQ) om de complexe A-stijlversterking voor de DB11 te vervaardigen. Morgan paste HFQ toe op de eerste motorkap die met deze methode werd gevormd voor zijn Aero 8. Onderzoekers van de Technische Universiteit van Wuhan hebben door wrijvingsroerlassen op maat gemaakte blanks warmgestempeld om een B-stijl voor auto’s te produceren met een hoge maatnauwkeurigheid en goede mechanische eigenschappen.

Hydromechanisch dieptrekken

Hydromechanisch dieptrekken is een recent ontwikkeld plaatverwerkingsproces waarbij vloeistof onder hoge druk de plaats inneemt van een starre matrijs. De vloeistofdruk drukt de plaat tegen de stempel om het onderdeel te vormen. Dit proces is geschikt voor complexe onderdelen en materialen met een lage vervormbaarheid, zoals aluminiumlegeringen, en biedt een hoge vervormingsgrens, een goede oppervlaktekwaliteit en een hoge maatnauwkeurigheid.

Een typisch systeem bestaat uit een stempel, een matrijs, een plaatklem, een hydraulische kamer en een hydraulische overdrukventiel. De kamer wordt gevuld met vloeistof, de plaat wordt gepositioneerd en de plaatklem klemt deze tegen de matrijs. Terwijl de stempel de plaat in de kamer duwt, houdt de door het overdrukventiel geregelde druk de plaat stevig tegen de stempel. Er ontstaat een gunstige wrijvingskracht tussen de plaat en de stempel, terwijl vloeistofsmering tussen de plaat en de matrijs de wrijving vermindert en de oppervlaktekwaliteit en de vervormingsgrens verbetert.

In de volgende afbeelding worden conventioneel en hydromechanisch dieptrekken met elkaar vergeleken.

[AFBEELDINGSPLAATSHOUDER: Vergelijking tussen conventioneel en hydromechanisch dieptrekken]

1. Lagere matrijskosten en een kortere productiecyclus. Vloeistof onder hoge druk vervangt ofwel de stempel ofwel de matrijs, waardoor er slechts één star gereedschap nodig is.
2. Hoge maatnauwkeurigheid en goede oppervlaktekwaliteit. Vloeistofsmering tussen de flens en de matrijs zorgt ervoor dat er tijdens het vormen aanzienlijk minder krassen ontstaan.
3. Hogere vormingsgrens. Wrijvingsretentie, overloopsmering en aanvankelijke uitstulping in omgekeerde richting verminderen scheurvorming ter hoogte van de stempelradius en rimpelvorming in niet-ondersteunde gebieden. De trekverhouding neemt toe, er zijn minder vormingsfasen nodig en de kosten dalen.
4. Geschikt voor complexe onderdelen. Structureel of geometrisch complexe onderdelen kunnen in één bewerking worden getekend, wat tijd bespaart en het materiaalgebruik optimaliseert.
5. Een gelijkmatigere dikte. Een gunstige wrijvingsretentie vermindert de radiale trekspanning, bevordert een gelijkmatige stroming van het metaal, vermindert verdunning en spanningsconcentratie, en verbetert de uniformiteit van de wanddikte.
6. Besparingen op materiaal en verwerking. Het proces zorgt voor een lager materiaalverbruik en lagere bewerkingskosten.

Geïntegreerd spuitgieten

Sinds 2020 maakt Tesla gebruik van geïntegreerd spuitgieten om meer dan 70 onderdelen van de achtercarrosserie samen te voegen tot één enkel gietstuk, waarmee het de traditionele stamp- en lasprocessen uitdaagt en de carrosseriebouw verandert. Spuitgieten biedt een hoge productiviteit, maatnauwkeurigheid, mechanische prestaties, materiaalbenutting en gunstige economische voordelen bij massaproductie. Een gietstuk uit één stuk maakt de complexe reeks van stansen en lassen overbodig, vermindert de behoefte aan gereedschap en de noodzaak van procescontroles per onderdeel, en voorkomt cumulatieve montagefouten. Omdat het onderdeel uit één materiaal bestaat, kan afval direct worden omgesmolten tot andere producten.

De Model Y was het eerste voertuig van Tesla waarbij dit proces werd toegepast; de achterkant van de onderkant werd namelijk als één geïntegreerd gietstuk vervaardigd. In vergelijking met de Model 3 heeft de Model Y het aantal onderdelen met 79 verminderd, het aantal laspunten teruggebracht van 700-800 naar 50 en de productietijd verkort van 1-2 uur naar 3-5 minuten.