verfasst von: Marc Schweizer, Thorsten Junge (fischer group)
Die Entscheidung, neue Werkstoffe oder Verfahren im Karosseriebau einzuführen, hängt von vielen verschiedenen Parametern ab. Das Erreichen gewünschter Funktionen wie Gewicht und Festigkeit spielt ebenso eine große Rolle wie die möglichst einfache Integration in bereits genutzte Fügeverfahren. Die fischer group hat dazu mit dem Lehrstuhl für Fertigungstechnologie der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg umfangreiche Untersuchungen zum neuen Fertigungsverfahren Aluminium-Hotforming durchgeführt.
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Aluminium-Hotforming (HFQ) ist ein thermisch unterstütztes Umformverfahren zur Herstellung hochfester Aluminium-Bauteile, die beispielsweise im Automobil-Karosseriebau eingesetzt werden können. Das Verfahren beinhaltet vergleichbare Prozessschritte wie beim direkten Presshärten von Stahl (PHS), allerdings findet die Wärmebehandlung bei geringeren Temperaturen statt. Zunächst wird eine Aluminiumplatine lösungsgeglüht, anschließend in einer Presse umgeformt und dabei gleichzeitig abgekühlt. Abschließend wird das Bauteil bei ca. 200°C warmausgelagert, um über die dabei stattfindende Ausscheidungsbildung die finalen mechanischen Eigenschaften zu erreichen.
Typisch erreichbare Festigkeiten im warmausgelagerten Zustand T6
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Industrialisierung
Die fischer group hat das Verfahren Ende 2021 zusammen mit namhaften Partnern nun zum ersten Mal großtechnisch industrialisiert. Dazu wurde am Standort Achern eine neue Fabrik errichtet und mit entsprechenden Anlagen und Maschinen ausgerüstet. Das erste Pilotprojekt feierte im Januar 2022 seine erfolgreichen Standard Operating Procedure (SOP).
Für eine erfolgreiche Durchdringung dieser innovativen Technologie im Markt ist ein genaues Verständnis in die Untersuchung des Fügeverhaltens damit hergestellter Bauteile notwendig. Deswegen wurden mit einer Reihe namhafter Hersteller von Fügetechnologien umfangreiche Untersuchungen durchgeführt. Die Durchführung und Teilauswertung der jeweiligen Fügemethode oblag dabei dem jeweiligen Partner. Die Gesamtprojektleitung und wissenschaftliche Betreuung übernahm der Lehrstuhl für Fertigungstechnologie der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg.
Untersuchte Fügemethoden
Die untersuchten Fügemethoden umfassten hier Halbhol- und Vollstanzniete, fließlochformende Schrauben, Clinchen, verschiedene bekannte Schweißverfahren und Kleben. Neben reinen Aluminium-Aluminium-Fügepaarungen wurden in Abhängigkeit der Fügetechnik auch Verbindungen mit einem mikrolegiertem und einem hochfesten Mangan-Bor-Stahl untersucht. Dabei wurde neben den Werkstoffpaarungen auch die Anordnung der zu fügenden Halbzeuge variiert.
Probenerstellung
Zur Durchführung der Untersuchungen wurden im Vorfeld eine ausreichende Anzahl an Aluminium wie auch Stahl-Prüfproben hergestellt. Für die Aluminium-Proben wurde eine handelsübliche AA6011-Legierung ausgewählt und diese dem kompletten HFQ-Prozess bis zum Erreichen des stabilen Zustands T6 unterzogen. Zusätzlich wurden die Aluminium-Proben abschließend konversionsbeschichtet, um eine vergleichbare Oberflächengüte wie bei typischen Serienprozessen zu erzielen. Die mechanischen Eigenschaften der eingesetzten Werkstoffe beziehungsweise Prüfproben wurden vorab durch Zugversuche ermittelt.
Spannungs-Dehnungs-Kurven der eingesetzten Versuchswerkstoffe
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Auswertung und Ergebnisse
Die Auswertung der hergestellten Fügezonen erfolgte sowohl mit optischen als auch mit zerstörenden Methoden: Mithilfe von Schliffbildern wurde die Qualität der Fügestellen sowie des umgebenden Werkstoffgefüges untersucht. Durch Scherzug- und Kreuzkopfzugversuche wurde die maximale Verbindungsfestigkeit und das Energieaufnahmevermögen in Anlehnung an DVS/EFB 3480-1 untersucht.
Geometrie der Scherzug- (a) und Kreuzkopfzugproben (b) gemäß DVS/EFB 3480-1
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Das nächste Bild zeigt die maximale Verbindungsfestigkeit von Scherzugproben. Es ist erkennbar, dass alle untersuchten Fügemethoden vergleichbare maximale Verbindungsfestigkeiten aufweisen. Der Einfluss eines handelsüblichen Karosserieklebers wurde dabei nochmal separat aufgezeigt.
Übersicht der Maximalkraft im Schwerzugversuch unter Verwendung verschiedener Fügemethoden und Werkstoffkombinationen
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Fazit
Alle Verbindungen erreichen oder übertreffen die geforderten Verbindungsfestigkeiten. Damit wurde eindrucksvoll nachgewiesen, dass mit Aluminium-Hotforming (HFQ) hergestellte Karosseriebauteile sich trotz ihrer hohen Festigkeit problemlos mit bekannten und bewährten Methoden fügen lassen. Eine etwaige spezifische Neuentwicklung von Fügemethoden für den Einsatz hochfester Aluminium-Legierungen ist nicht notwendig. Mit dem HFQ-Verfahren hergestellte Bauteile lassen sich somit ohne größere Anpassungen in bereits bestehende Fertigungslinien integrieren.