Prinzipien und Produkte des Flexiblen Walzens
Muhr und Bender KG
Das Leichtbaupotenzial des Nichteisenmetalls Aluminium ist längst nicht ausgeschöpft; das machten jüngst Experten aus Wissenschaft und Industrie am Beispiel innovativer Ergebnisse aus Forschung und praxisnaher Zusammenarbeit auf dem Amap-Forum 2018 in Aachen deutlich. In dem Open-Innovation-Forschungscluster Amap haben sich vierzehn Industrieunternehmen und fünf Universitäts-Institute der RWTH Aachen zusammengeschlossen. Die Themen der interdisziplinären Zusammenarbeit reichen von der Produkt- und Materialentwicklung, Modellierung und metallurgischen Prozesstechnologie bis hin zu neuen Produktionstechnologien.
Aufgrund der geringen Festigkeit werde Rein- und Reinstaluminium hauptsächlich wegen seiner chemischen und physikalischen Eigenschaften technisch genutzt, schreiben die Springer-Autoren Eberhard Roos, Karl Maile und Michael Seidenfuß in "Werkstoffkunde für Ingenieure" (Seite 250). "Als Strukturwerkstoffe werden hingegen aufgrund der deutlich höheren Festigkeiten fast ausschließlich Aluminiumlegierungen verwendet. Aluminiumlegierungen finden als Guss- und Knetwerkstoffe (Strangpressen, Walzen) Verwendung.“ Die Bedeutung von Aluminium als Konstruktionswerkstoff hat über die letzten Jahrzehnte kontinuierlich zugenommen. Heute ist ein Pkw in Europa im Durchschnitt mit mehr als 150 kg Aluminium unterwegs. Allerdings handelt es sich dabei überwiegend um Aluminium-Gussbauteile wie Räderfelgen oder Komponenten im Motor- und Antriebsstrang. Für die Pkw-Karosserie, für Bleche etwa, werden Aluminiumknetlegierungen benötigt, die sich bislang allerdings eher sperrig verarbeiten ließen.
Die Hauptlegierungselemente Cu, Mn, Si, Mg und Zn in Kombination miteinander und mit verschiedenen Nebenlegierungselementen geben den Aluminiumknetlegierungen ihre charakteristischen, unterschiedlichen Eigenschaften und Verhaltensweisen.“ Friedrich Ostermann, "Anwendungstechnologie Aluminium", Seite 98.
Nadelöhr Umformtechnik
Nadelöhr für den Leichtbauwerkstoff Aluminium in der Fertigung ist die Umformtechnik. Das machte Gerhard Hirt vom Institut für Bildsame Formgebung IBF der RWTH Aachen an vier Themenfeldern auf dem Amap-Forum deutlich: dem Walzen von Flachprodukten, dem Freiformschmieden, der Blechumformung sowie der Nutzung von Simulation, Modellierung und Daten-Analyse.
Bei den Walzprozessen ermöglichten Modifikationen und Weiterentwicklungen maßgeschneiderte Oberflächeneigenschaften und eine anforderungsgerechte örtliche Verteilung der Materialdicke und der mechanischen Festigkeit. Beim Freiformschmieden könne durch neue Steuerungskonzepte ein erweitertes Formenspektrum erschlossen werden und die inkrementelle Blechumformung ermögliche es, komplizierte Blechbauteile auch als Einzelteile wirtschaftlich herzustellen.
Mit detaillierter numerischer Simulation, so Hirt, ließe sich unter anderem ein besseres Verständnis für die bei der Umformung auftretenden Änderungen des Mikrogefüges gewinnen und für die Prozessoptimierung nutzen. Und wolle man flexibel auf Abweichungen im Produktionsablauf reagieren, so ermöglichten dies heute reduzierte sehr schnelle Modelle im Zusammenspiel mit betrieblichen Messdaten und Methoden der Künstlichen Intelligenz wie dem maschinellen Lernen.
Veränderlicher Walzspalt, variable Blechdicken
Ein anschauliches Beispiel für innovative Aluminium-Technologien lieferte Udo Brüx, Leiter Leichtbauzentrum des Automobilzulieferers Mubea, den Teilnehmern des Amap-Forums. Mubea arbeitet in einem Amap-Projekt gemeinsam mit Ford und dem Aluminiumhersteller Constellium daran, die ursprünglich für Stahlblech von Mubea entwickelte Technologie des flexiblen Walzens auf Aluminium zu übertragen.
Bei der Technologie zur Herstellung sogenannter Tailor Rolled Blanks (TRB) handelt es sich um einen Kaltwalzprozess, bei dem durch einen veränderlichen Walzspalt variable Blechdicken entsprechend der lokal geforderten Festigkeiten und Steifigkeiten eingestellt werden. Diese innovative Technologie erlaubt bei Stahl Dickenunterschiede bis zu 50 Prozent in einem Blech. Ziel der Forschung ist nun eine industrielle Fertigung von maßgeschneiderten Al-Blechen, um damit gewichtsoptimierte Strukturbauteile aus hochfestem Aluminium zu realisieren, berichtete Brüx.