Als Werkstoff für den Fahrzeug-Leichtbau hat Aluminium enormes Potenzial. „Der größte Vorteil gegenüber dem ‚Hauptkonkurrenten‘ Stahl ist mit Sicherheit die geringe Dichte. Sie entspricht nur etwa einem Drittel von Stahl“, erläutert Florian Grabner, Forscher am Austrian Institute of Technology (AIT). Die Be- und Verarbeitung ist an sich nicht schwieriger als die von Stahl. Allerdings sind wegen einer grundlegend anderen Mikrostruktur die mechanischen Kennwerte von Aluminiumlegierungen, z. B. die Festigkeit oder die maximal mögliche Dehnung, zumeist niedriger als jene von Stahl.
Neues Verfahren zur Verformung von Aluminium
„Diese mechanischen Kennwerte sind aber ausschlaggebend beim Herstellen von Blechbauteilen", so Grabner, der am LKR Leichtmetallkompetenzzentrum Ranshofen, einem Tochterunternehmen des AIT, eine Projektserie mit dem Titel „Kryo-Alu“ leitet. Darin wird gemeinsam mit Partnern aus Wissenschaft und Industrie ein neues Verfahren zur Verformung von Aluminiumblechen entwickelt, das bisherige Schwierigkeiten umgeht.
Bekannte Probleme beim Warmumformen
Stand der Technik ist es, Aluminium bei erhöhten Temperaturen zu verformen. „Bei hohen Temperaturen ist der Werkstoff weich, das heißt, bei der Umformung sind hohe Dehnungen möglich. Jedoch ist die übertragbare Kraft geringer, was lokal zu Rissen im umgeformten Bauteil führt", erklärt Grabner. Beim Erhitzen wird nämlich die Mikrostruktur verändert, sodass zusätzliche Wärmebehandlungsprozesse notwendig sind, um wieder den Ausgangszustand zu erreichen.
Blechbearbeitung bei bis zu minus 180 °C
Die Idee basiert auf einer interessanten Eigenschaft von Aluminium: Auch bei tiefen Temperaturen verbessert sich die Umformbarkeit des Metalls, und dabei verändert sich die Mikrostruktur nicht, dabei gilt: je kälter, umso bessere mechanische Eigenschaften. Im „KryoAlu“-Projekt – „kryo“ ist griechisch und bedeutet „kalt“ – wurde ein Verfahren entwickelt, bei dem Aluminiumbleche in flüssigem Stickstoff (minus 196 °C) vorgekühlt, von einem Roboter in die auf bis zu minus 180 °C gekühlte Umformwerkzeuge eingelegt und nach dem Tiefziehen wieder entnommen werden.
Kryogenes Umformen im Video
[embed]https://youtu.be/atsixhnI_vs[/embed] Umformen von Aluminium bei Temperaturen von -196 °C. Um diese Temperatur zu erreichen, werden Aluminiumbleche in flüssigen Stickstoff getaucht.
Die Vorteile des neuen Leichtbau-Verfahrens
Mit diesem innovativen Verfahren können künftig wesentlich komplizierter geformte Teile aus einem Blechstück hergestellt werden – so können z. B. mehrere Einzelteile einer Autotür zusammengefasst und aus einem Teil gefertigt werden. Dadurch werden Fügestellen eingespart, zudem ist eine hohe Oberflächengüte erzielbar. Diese Vorteile können je nach konkretem Einsatzgebiet die erhöhten Kosten durch die Kühlung wettmachen.
Der Schritt zur Serienfertigung
In den abgeschlossenen Kryo-Alu-Projekten konnte die semi-industrielle Kleinserientauglichkeit der kryogenen Blechumformung nachgewiesen werden. Aktuelle Herausforderungen bei der Umsetzung in die Serie betreffen vorrangig die effiziente Vorkühlung der Platinen mit hohem Durchsatz und serientaugliche Einhausung der Umformwerkzeuge zur Vermeidung von Eisbildung an der Werkzeugoberfläche.
