verfasst von: Marc Schweizer, Thorsten Junge (fischer group)
Aluminium-Hotforming (HFQ) ermöglicht die effiziente Formgebung auch großer und geometrisch komplexer Baugruppen. Damit bietet HFQ neue Potenziale für den Leichtbauwerkstoff Aluminium.
Bisher war der Einsatz hochfester Aluminium-Legierungen der 6000er und 7000er-Serie aufgrund der reduzierten Formbarkeit von konventionellen Umformtechnologien nur sehr eingeschränkt im modernen Karosseriebau (BIW) möglich. Aluminium-Hotforming (HFQ) erlaubt jetzt die effiziente Formgebung auch großer und geometrisch komplexer Baugruppen und erschließt damit neue Potenziale für den Leichtbauwerkstoff Aluminium.
Aluminium nimmt seit langem eine herausragende Stellung als Leichtbauwerkstoff in der Automobilindustrie ein. Die größten Anteile finden sich hier aktuell in Gussanwendungen beim konventionellen Antriebsstrang, aber auch im Bereich Karosserie wie bei Türen, Klappen und vor allem Außenblechen. Mit dem aktuellen Technologieübergang vom Verbrennungsmotor zum elektrischen Antrieb scheinen die mittleren Fahrzeuggewichte zuzunehmen. Damit wächst der Druck, weiter innovative Leichtbautechnologien in die Serienproduktion einzuführen, um die sich drehende Gewichtsspirale zu durchbrechen.
Lösungsansatz
Hochfeste aushärtbare Aluminium-Legierungen der 6000er und 7000er-Serie kommen, wenn überhaupt, nur in Form von Extrusionen oder Gussbauteilen in nennenswerten Stückzahlen zum Einsatz. Oft wird hier dann auch auf maximale Festigkeit zugunsten noch ausreichender Formbarkeit verzichtet. Aluminium-Hotforming (HFQ) bietet hier die Lösung. Jetzt lassen sich auch Bleche zu komplexen und bei Bedarf auch hoch integrierten Baugruppen formen und maximale Festigkeiten erreichen.
6000er- und 7000er Serie
fischer group
Der Prozessablauf ähnelt dabei dem schon lange bekannten Presshärten von Stahl. Eine Aluminiumplatine wird zuerst je nach Legierung zwischen 450 bis 550 °C lösungsgeglüht, dann in einer Presse umgeformt und gequenscht, das heißt sehr schnell abgekühlt. Zusätzlich werden die Bauteile in einem folgenden künstlichen Alterungsprozess ausgehärtet und auf Endfestigkeit (T6) gebracht.
Trimmen mit 3-D-Laser
Der letzte Fertigungsschritt ist dann das finale Trimmen der Bauteile mittels 3-D-Laser oder auch einer Schneidpresse. Die Ergebnisse aus ersten Serienprojekten zeigen hier eine hervorragende Maßhaltigkeit der Bauteile, nahezu keine Rückspringeffekte und vor allem gleichbleibend hohe Festigkeiten bei immer noch guter Duktilität über das gesamte Bauteil.
Aluminium-Warmumformen
Aluminium-Warmumformen (HFQ) bietet in der Auslegung und Konstruktion neue Freiheiten insbesondere für hochfeste 6000er- und 7000er-Legierungen. Durch den Prozessschritt Lösungsglühen ist die Platine direkt vor dem Tiefziehen auf einem erhöhten Temperaturniveau und damit sehr weich beziehungsweise hat sehr gute Fließeigenschaften. Daher kann mit nur einem Pressenhub ein sehr großer Umformgrad mit sehr kleinen Radien und bei Bedarf tiefen und steilen Zargen erreicht werden.
Hohe Bauteilintegration
Aufgrund der genannten Verfahrenseigenschaften lässt sich auch eine sehr hohe Bauteilintegration realisieren. Der unten aufgeführte einteilige Tür-Ring ist eine erste realisierte Serienanwendung für eine Premium-EV-Limousine. Das Bauteil bildet ein zentrales Element der äußeren Seitenstruktur. Die gewählte Auslegung integriert die A-Säule, B-Säule sowie den Seitenschweller. Zur Erhöhung der Steifigkeit, speziell im Seitencrash, wird ein zusätzlicher B-Säulen-Einleger in die Konstruktion aufgenommen, der ebenfalls im HFQ-Verfahren hergestellt wird. Für diesen Anwendungsfall wurde eine AA6111-Legierung ausgewählt, die nach Abschluss aller Prozessschritte typische Festigkeiten von bis zu Rp 0.2~360 MPa/Rm ~ 410 MPa bei einer Gleichmaßdehnung von Ag ~9 bis 10 % erreicht. Die Werkstoffeigenschaften werden in der Serienfertigung fortlaufend über exakt festgelegten Entnahmestellen am Bauteil für die Normzugproben überwacht. Das Gesamtgewicht des Türrings liegt dabei unter 9 kg. Der zusätzliche B-Säulen-Einleger wiegt 2,8 kg.
Tür-Ring in der Außenansicht
fischer group
Für die erste weltweite Serienlinie hat sich fischer für ein Anlagenkonzept, bestehend aus einem Multilayer-Ofen mit Jet-Heating-Technologie für das Lösungsglühen, einer energieeffizienten servohydraulischen Presse sowie klassischen Kammeröfen für die Alterung entschieden. Der finale Bauteilbeschnitt wird durch 3-D-Hochgeschwindigkeits-Laseranlagen durchgeführt. Die Kernfertigungszelle besteht aus dem Lösungsglühofen und der Presse.
Automatisierte Fertigung
Von der Zuführung der 2-D-Laserplatine bis zur Ausgabe des fertig umgeformten Bauteils läuft der Fertigungsprozess komplett automatisiert. Danach werden die Bauteile ausgelagert und im letzten Arbeitsgang konturgeschnitten. Damit für jedes produzierte Bauteil das korrekte Durchlaufen aller Prozessschritte sicher nachverfolgt werden kann (unter anderem das Erreichen vorgegebener Temperaturen und Haltezeiten), wurde in das Anlagenkonzept ein sogenanntes Track & Trace-System implementiert. Jedes Bauteil erhält mittels Lasergravur eine eindeutige Seriennummer. Der Materialfluss in der Fertigung wird über RFID-getaggte Warenträger realisiert. Damit erkennt das System, wann und wie lange jedes Bauteil einen bestimmten Prozessschritt durchlaufen hat. Zusammen mit den abgefragten Maschinendaten kann damit die komplette Fertigungshistorie von jedem Bauteil lückenlos nachvollzogen werden. Liegen alle wichtigen Prozessparameter in vorgegebenen Bereichen ist sichergestellt, dass das Bauteil die geforderte Festigkeit erreicht hat. Selbstverständlich wird die Qualität durch fortlaufende zusätzliche Kontrollen geprüft und überwacht.