UMFORMtechnik (Blech)

 
 
   

Hydroformen lasergelöteter Stahl-Aluminium-Rohre

Im Automobilbau steht vor dem Hintergrund der Diskussion zur Minimierung der CO2 -Emissionen aktuell die Verbrauchsreduktion im Zentrum des Interesses von Forschung und Entwicklung. Eine Möglichkeit der Reduzierung ist der Leichtbau.

Mehr zum Thema

Mehr zur Firma

Ein zentraler Leichtbauansatz besteht darin, Strukturbauteile belastungsorientiert auszulegen. Das bedeutet, dass Bauteile und Baugruppen lokal unterschiedliche mechanische Eigenschaften, wie beispielsweise Festigkeiten, aufweisen. Dafür werden als Halbzeuge Tailored Blanks oder Tailored Tubes verwendet, die typischerweise aus verschiedenen Blechdicken zusammengesetzt sind. Insbesondere rohrförmige Strukturbauteile eignen sich wegen ihrer hohen Steifigkeit bei geringem Gewicht gut für Leichtbauanwendungen. Durch das Herstellungsverfahren der Innenhochdruckumformung (IHU) können auch komplizierte Geometrien belastungsoptimiert und mit hoher Genauigkeit realisiert werden.

Ein weiterer Leichtbauansatz ist die Kombination unterschiedlicher Werkstoffe, um lokal unterschiedliche Bauteileigenschaften zu bewirken. Vor dem Hintergrund maßgeschneiderter Halbzeuge wird von Tailored Hybrid Blanks (THB) und Tailored Hybrid Tubes (THT) gesprochen. Von deutschen Automobilherstellern wird dabei oft der Einsatz von Mischverbindungen beispielsweise in Form von Blechteilen aus Stahl und Aluminium genannt. Maßgeschneiderte Rohre aus Stahl-Aluminium-Verbunden werden bisher jedoch nicht industriell hergestellt und angewendet, da ein qualitativ hochwertiger und zuverlässiger Fügeprozess für die Werkstoffpartner fehlt.

Die Fügestelle zwischen den verschiedenen Werkstoffen muss dicht sein, sodass der Innendruck beim IHU-Verfahren nicht entweichen kann, und dabei in hohem Grade umformbar sein, damit die Freiheit bei der Formkonstruktion nicht eingeschränkt wird. Für diese Anforderungen stellt das Laserstrahllöten eine hervorragende Lösung dar. In einem aktuellen Forschungsprojekt, das gemeinsam vom Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH) und vom Institut für Integrierte Produktion Hannover gGmbH (IPH) durchgeführt wird, soll die Machbarkeit lasergelöteter Stahl-Aluminium-Rohre untersucht werden. Das LZH übernimmt dabei die Auslegung des Laserstrahllötprozesses während sich das IPH mit den umformtechnischen Fragen befasst.


Innenhochdruckumformung

Seit Anfang der 1990er Jahre hat sich die IHU-Technik im Fahrzeugbau etabliert. Das IHU-Verfahren zeichnet sich durch große Formfreiheit der Bauteile bei hoher Materialausnutzung aus. Es ermöglicht die Fertigung von Bauteilen mit hoher Festigkeit und komplexer Geometrie, wie sie für Strukturteile in der Karosserie benötigt werden.


Fügeverfahren für Hybridbauteile

Neben der Festigkeit und Umformbarkeit beim Fügen der Tailored Hybrid Tubes müssen stets metallurgische Vorgänge in der Kontaktzone berücksichtigt werden. Die Bildung intermetallischer Phasen führt dabei zu einer Versprödung im Fügebereich, wohingegen die Potentialdifferenz zwischen den Grundelementen Eisen und Aluminium für das Auftreten von Kontaktkorrosion verantwortlich ist. Beim Laserstrahllöten, oder auch kurz Laserlöten, stehen die Fügepartner durch Verwendung von Lotwerkstoffen nicht in direktem Kontakt, sodass ein erhöhter Schutz gegenüber Kontaktkorrosion und der Entstehung intermetallischer Phasen gegeben ist.

Der Nachteil der Lotwerkstoffe sind ihre geringen Schmelztemperaturen, was den Einsatz von lasergelöteten Tailored Hybrid Tubes im Motorraum oder im Abgasstrang verhindert. Grundlegende Untersuchungen zu den Anforderungen an das Verfahren des Laserlötens von Tailored Hybrid Tubes sowie eine entsprechende Prozessentwicklung wurden bereits am LZH durchgeführt. Die grundlegende Machbarkeit des Umformens gelöteter Blechhalbzeuge wurde nachgewiesen. Zurzeit werden Untersuchungen zur Erhöhung der Prozesssicherheit durchgeführt, so dass wiederholbar hohe Fügequalitäten für hohe Umformgrade herstellbar sind.

Der zum Laserlöten verwendete Prozesskopf beinhaltet verschiedene Komponenten, die der Erhöhung der Prozesssicherheit dienen. Mithilfe eines Scanners soll der Laserstrahl in Vorschubrichtung gependelt werden, weiterhin wird mit einer temperaturabhängigen Leistungsregelung über ein Pyrometer während des Lötprozesses ein günstiger Temperatur-Zeit- Verlauf eingestellt. Dieser soll die Bildung von intermetallischen Phasen begrenzen und zu einer optimalen Temperaturverteilung beitragen, die das Aufschmelzen des Lotes begünstigt und gleichzeitig das Anschmelzen des Aluminiums verringert.


Innenhochdruckumformen von Tailored Hybrid Tubes

Das Ziel des Forschungsprojekts ist die Verbesserung des Leichtbaupotenzials von Blechbauteilen im Automobilbau. Dies soll durch die Kombination von werkstoffseitigem Leichtbau durch Stahl-Aluminium-Hybridverbindungen mit konstruktivem Leichtbau in Form von geschlossenen Hohlprofilen erreicht werden. Weiterhin sollen Richtlinien für die Prozessauslegung erstellt werden. Der innovative Beitrag dieses Forschungsprojektes liegt in der neuartigen Herstellungsweise von Strukturbauteilen mit stark variierbarer Charakteristik bezogen auf Festigkeit, Steifigkeit, Form und Gewicht. Die Herstellungsweise basiert auf zwei etablierten Fertigungsverfahren mit unterschiedlichen Zielsetzungen: Fügen und Umformen.

Das Fügen unterschiedlicher Blechelemente durch Lötprozesse wurde bisher nur grundlegend unter dem Aspekt der Weiterverarbeitung durch Umformen untersucht. Das Prozessfenster zum Fügen von maßgeschneiderten Stahl-Aluminium-Rohren zur Herstellung einer maximal umformbaren Lötverbindung konnte bisher noch nicht reproduzierbar nachgewiesen werden und wird in diesem Projekt erstmalig untersucht. Außerdem existieren keine Erkenntnisse zum Umformverhalten gelöteter Rohrelementwerkstoffe in einem IHU-Prozess. Hier ist vornehmlich der Erkenntnisgewinn über das gemeinsame Umformverhalten der drei Bestandteile Stahl, Aluminium und Lot des THTs eine bedeutende Innovation. Zuletzt ist der Aufbau einer industriellen Prozesskette zur Herstellung von gelöteten Stahl-Aluminium-Rohren bisher noch nicht vorhanden.

Durch die Verwendung entsprechender Bauteile lässt sich das Gewicht von Karosseriekomponenten, wie beispielsweise Achsträgern, Cockpit- und Sitzquerträgern, oder den Aufprallschutz in Türen zur Anbindung an Türinnenblechen, deutlich reduzieren. Grundsätzlich ist auch eine Verwendung in anderen Produktionsbereichen denkbar, in denen Leichtbaumaßnahmen zur Anwendung kommen: In der Luft- und Raumfahrttechnik könnten hydrogeformte Tailored Hybrid Tubes eingesetzt werden, um Flugzeuge leichter zu machen, sodass ihre Leistung gesteigert, respektive ihr Treibstoffverbrauch reduziert wird. Bei Werkzeugmaschinen könnten bewegte Teile durch entsprechende Rahmenstrukturen leichter oder steifer ausgelegt werden, sodass Bearbeitungsprozesse mit höherer Dynamik ermöglicht werden.


Erste Umformsimulationen der Tailored Hybrid Tubes

Seitens der Umformung liegt die größte Herausforderung in einer gleichmäßigen Formgebung. Die Verwendung zweier unterschiedlicher Werkstoffe führt bei Tailored Hybrid Tubes mit gleichbleibender Blechdicke dazu, dass sich der Rohrabschnitt aus dem Werkstoff mit geringerem Fließwiderstand deutlich stärker umformt. Diese unterschiedlichen Umformeigenschaften können über den Parameter der Blechdicke kompensiert werden, sodass die Umformung durch einen über die Innenfläche gleichmäßigen Druck möglich ist.

Dies konnte in ersten Simulationen ermittelt werden, die zeigen, dass im Stahlteil deutlich höhere Spannungen herrschen. Ursache dafür ist, dass bei gleicher Druckkraft die Blechdicke im Aluminiumteil doppelt so groß wie im Stahlteil gewählt wurde. Dadurch halbiert sich die resultierende Spannung im Bauteil, so dass der Stahl- und Aluminiumteil ähnlich stark deformiert werden. Die nächsten Schritte im Forschungsprojekt sind die Durchführung umformtechnischer Vorversuche und einer anschließenden statistischen Auswertung, um die am geeigneten Parameterkombinationen für die Umformung der Tailored Hybrid Tubes zu identifizieren.

Weiterhin werden reale Materialkennwerte ermittelt und für die FEM-Simulation übernommen, um diese so realistisch wie möglich durchführen zu können. Insbesondere das Verhalten der Lötnaht und der Randbereiche der Fügezone kann nicht genau prognostiziert werden und erfordert voraussichtlich eine wiederholte Anpassung des Simulationsmodells.

IPH – Institut für Integrierte Produktion

30419 Hannover

Tel.: +49 511 279 76-0

http://www.iph-hannover.de

Laser Zentrum Hannover e.V.

30419 Hannover

Tel.:+49 511 2788-0

http://www.lzh.de

http://www.ihu-tht.de

Das IGF-Vorhaben 18028 N der Forschungsvereinigung Automobiltechnik (FAT) und der Europäischen Forschungsgesellschaft für Blechverarbeitung (EFB) e.V. wird über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.