Gewichtsreduzierung ist im Fahrzeugbau eine der Hauptanforderungen. Dazu setzen die Fahrzeughersteller neue Materialien, neue Designs und Herstellungsverfahren ein. Im Fall umformtechnisch hergestellter Stahlbauteile spielt dabei das Presshärten eine wichtige Rolle. Diese Technik ist eine der Kernbereiche von AP&T. Parallel dazu arbeitet das Unternehmen aber auch an Warmumformverfahren für andere Materialien und Materialkombinationen. Eine der interessantesten Werkstoffe ist dabei hochfestes Aluminium, das allerdings völlig andere Anforderungen an Umformverfahren und Maschinen stellt.
Vom Innovationsprojekt zur preisgekrönten Produktionslinie
Seit dem Jahr 2013 untersucht AP&T die Möglichkeiten zur Umformung komplex konstruierter Bauteile aus hochfestem Aluminium für den industriellen Einsatz. Dabei wurden eine Reihe von Innovationsprojekten mit Kunden, Universitäten und Zulieferern durchgeführt, die unter anderem von der EU finanziert wurden. Auf Basis des in den Projekten gewonnen Wissens wurde 2016 eine erste Prototypanlage gebaut, auf der eine Reihe typischer von Prototypkomponenten gefertigt werden konnten. Ein Jahr später, im Herbst 2017, nahm AP&T die erste vollumfängliche Produktionsanlage für die Warmumformung von hochfestem Aluminium im AP&T-Testzentrum im schwedischen Ulricehamn in Betrieb. Die Anlage erlaubt Warmumformung, W-Temper und Halbwarmumformung. Diese Anlage biete völlig neue Möglichkeiten für die Gestaltung eines Produktionsprozess von Leichtbaukarosserieteilen, heißt es.
Dank der hohen Festigkeit und des geringen Materialgewichts von hochfesten Aluminiumlegierungen könnte das Karosseriegewicht um bis zu 40 % gesenkt werden, wenn herkömmliches Stahlblech durch hochfestes Aluminium ersetzt wird. Die innovative Entwicklung fand in der Automobilindustrie große Beachtung und wurde mit mehreren Preisen wie dem Altair Enlighten Award und dem SIQ Quality Innovation Award ausgezeichnet. Heute steht die Anlage als kommerzielle, skalierbare Lösung für OEMs und Automobil-Zulieferer zur Verfügung.
Die Skalierbarkeit der neuen Technik mache sie auch für kleine Produktionsmengen interessant und ermögliche es, die Produktionskapazität relativ einfach zu erhöhen, heißt es. In Bezug auf den Produktionsaufwand pro Bauteil sei die Lösung von AP&T im Vergleich zu bekannten herkömmlichen Lösung wettbewerbsfähig. Das auf den Anlagen umgesetzte Verfahren erlaube es zudem, Bauteile, die wie Autotürrringe derzeit aus mehreren Einzelteilen gefügt werden, in einem einzigen Warmumformvorgang komplett einstückig herzustellen. Daraus ergibt sich ein rationellen Fertigungsprozess mit weniger Arbeitsabläufen, einfacherer Handhabung und Logistik, weniger Werkzeugen, besserer Materialausnutzung und entsprechend geringeren Produktionskosten pro Einheit. Um die Produktion weiter zu rationalisieren, wurde jeder Vorgang im Prozess analysiert und optimiert. Dabei hat man sich vor allem der Herausforderung angenommen, die Zeit für den künstlichen Alterungsprozess der Aluminiumlegierungen zu verkürzen.
Neue Methoden zur künstlichen Alterung
Bei der Warmumformung von Aluminium wird das Material dadurch gehärtet, es auf Lösungsglühtemperatur erwärmt und im Werkzeug umgeformt und abgekühlt wird. Um anschließend die gewünschten mechanischen Eigenschaften zu erhalten, muss das Material künstlich gealtert werden. Dazu wird es auf eine bestimmte Temperatur erhitzt und eine bestimmte Zeit dort gehalten. Das Aushärten durch konventionelles künstliches Altern hat jedoch zwei Nachteile: Erstens ist der Vorgang zeitaufwändig und kann mehrere Stunden dauern. Zweitens wird das Material gehärtet, bevor das Bauteil in das Fahrzeug eingebaut wird. Dies kann zu Schwierigkeiten beim Fügen führen.
Verfestigung im Lackier- und Einbrennprozess
AP&T verwendet eine optimierte Alterungssequenz, um die Zykluszeit durch einen Auslagerungsprozess nach dem Umformen des Bauteils zu reduzieren. Damit wird das Material für den nachfolgenden, sogenannten Einbrennprozess vorbereitet, welcher nach dem Zusammenbau der Bauteile stattfindet. Statt mehreren Stunden dauert dieser Auslagerungsprozess lediglich 5 bis 30 Minuten. Die endgültige Verfestigung erfolgt während des Lackierens, das nach dem Zusammenbau der Karosserieteile erfolgt. Dies führt zu einem sehr dehnbarem Materialverhalten bei der Endmontage des Bauteils im Karosseriebau und führt zu einer guten Passform. Diese verbesserte Alterungssequenz wurde von AP&T in Zusammenarbeit mit Hydro Aluminium entwickelt. In Kooperation wurde eine Aluminiumlegierung (AA6xx) entwickelt, die perfekt auf diesen Prozess zugeschnitten ist.
Werkzeugentwicklung mit fortschrittlicher Simulation
Die bei der Blechumformung eingesetzten Werkzeug unterliegen hohen Anforderungen, damit sichergestellt ist, dass die Karosseriebauteile den notwendigen Toleranzwerten entsprechen und die Bruchgefahr verhindert wird. Die Entwicklung von Werkzeugen für das Warmumformen von hochfestem Aluminium ist derzeit für die Tooling-Abteilung von AP&T von großer Bedeutung. Das tribologische Verhalten zwischen Werkzeugoberfläche und hochfesten Aluminium Platinen haben wir durch die richtige Kombination von Werkzeugbeschichtung und Schmiermittel optimiert. Auf dem Gebiet der FEM-Blechumformungssimulation haben wir insbesondere großen Wert auf die Werkstoffcharakterisierung gelegt, um die mechanischen Eigenschaften verschiedener Aluminiumsorten mit hoher Festigkeit zu analysieren. Darüber hinaus haben wir unsere Simulationsfähigkeiten aufgrund unterschiedlicher Testgeometrien validiert, um ein effektives Zusammenspiel zwischen FEM-Simulation, Werkzeugkonstruktion und Werkzeugherstellung sicherzustellen.
