Warmumformung ist die Lösung für anspruchsvolle Leichtbauanforderungen im Karosseriebau

Die Umformung von ultra-hochfesten Materialien bei großen Formänderungen stellen eine Herausforderung dar, da deutlich höhere Umformkräfte benötigt werden. Diese erhöhten Presskräfte belasten die Presswerkzeuge und stellen erhöhte Anforderungen an die Presse dar. Gleichzeitig führen sie zu einer Zunahme der Bauteilrückfederung, was unerwünschte Auswirkungen auf die Qualität der Bauteile hat. Um diesen Konflikt zwischen steigender Materialfestigkeit und geringeren Umformkräften zu lösen, kommt die Warmumformung zum Einsatz, die auch als Presshärten bekannt ist.

Warmumformung ist ein Verfahren in der Metallverarbeitung, bei dem Metall bei erhöhten Temperaturen umgeformt wird. Durch die Anwendung von Wärme können Metalle plastisch verformt werden, was bedeutet, dass sie eine dauerhafte Veränderung ihrer Form erfahren, ohne zu brechen oder zu reißen. Die Warmumformung wird hauptsächlich bei Metallen wie Stahl, Aluminium und Kupfer angewendet. Sie umfasst verschiedene Verfahren, darunter Schmieden, Walzen, Strangpressen und Warmziehen, wobei bei uns lediglich Warmziehen zum Einsatz kommt. Bei diesen Verfahren wird das Metall auf eine Temperatur oberhalb seiner Austenitisierungstemperatur erhitzt, um seine Duktilität und Verformbarkeit zu erhöhen. Die vollständige Auflösung der Matrix wir hier benötigt um Stahl gefügig zu machen und dann härtbar.

Die Vorteile der Warmumformung liegen in der verbesserten Umformbarkeit des Metalls, wodurch komplexe Formen und enge Toleranzen erreicht werden können. Durch die Verwendung von erhöhten Temperaturen können auch Materialspannungen und Verformungskräfte reduziert werden. 

Die Warmumformung wird in verschiedenen Industriezweigen eingesetzt, wie beispielsweise im Automobilbau, in der Luft- und Raumfahrt, im Maschinenbau und in der Schwerindustrie. Sie ermöglicht die Herstellung von Bauteilen mit hoher Präzision, Festigkeit und Haltbarkeit.

Unter Warmformen versteht man eine Wärmebehandlung bestehend aus Austenitisierung und Abkühlen unter solchen Bedingungen, dass eine Härtezunahme durch mehr oder weniger vollständige Umwandlung des Austenits in der Regel in Martensit erfolgt.

Die Austenitisierung ist der Behandlungsschritt, in dem das Werkstück auf Austenitisierungstemperatur gebracht wird und durch vollständige Phasenumwandlung und Carbidauflösung die Matrix des Stahls austenitisch wird. Nach der Austenitisierung erfolgt das Abkühlen. Damit das gesamte Werkstück ein martensitisches Gefüge annimmt, muss die Geschwindigkeit des Temperatursturzes größer sein als die kritische Abkühlgeschwindigkeit des jeweiligen Stahls.

Das Abkühlen kann in verschiedenen Medien erfolgen, die sich charakteristisch durch ihre Abkühlwirkung in den verschiedenen Temperaturbereichen unterscheiden. Nach dem Härten besteht das Gefüge sogenannter Übereutekoider Stähle üblicherweise aus Martensit + Restaustenit + Carbid. Dem Anteil dieser Phasen ist z.B. bei der Wärmebehandlung von Werkzeugstählen große Bedeutung beizumessen, da Eigenschaften wie Verschleißfestigkeit und Maßhaltigkeit vom Gefügezustand nach dem Härten beeinflusst werden.

Die Warmumformung hat sich zu einer essenziellen Technologie in der Automobilindustrie entwickelt, um die steigenden Anforderungen an Leichtbau, Sicherheit und Effizienz zu erfüllen. Diese innovative Methode ermöglicht die Herstellung von hochwertigen Bauteilen mit reduziertem Gewicht, ohne dabei die Festigkeit und strukturelle Integrität zu beeinträchtigen. Hier werden wir einen genaueren Blick auf die Vorteile der Warmumformung werfen und erklären, warum sie für die Automobilindustrie von großer Bedeutung ist.

Gewichtsreduktion bei gleichbleibender Festigkeit: Die Warmumformung erlaubt es, Bauteile mit komplexen Geometrien aus hochfesten Stählen herzustellen. Durch das gezielte Erwärmen des Werkstücks und die anschließende Umformung können dünnwandige Strukturen realisiert werden, die gleichzeitig eine hohe Festigkeit und Steifigkeit aufweisen. Dies führt zu einer erheblichen Gewichtsreduktion bei den Bauteilen, ohne dass dabei die erforderliche Festigkeit beeinträchtigt wird.

Verbesserte Sicherheit: Ein weiterer Vorteil der Warmumformung liegt in der Optimierung der Sicherheit von Fahrzeugen. Durch die gezielte Umformung und das Einsatzmaterial hochfester Stähle können Bauteile mit verbesserter Crashsicherheit hergestellt werden. Die Warmumformung ermöglicht die Gestaltung von Verstärkungsstrukturen und Energieabsorptionszonen, die die Insassen im Falle eines Unfalls optimal schützen.

Um die optimale Energieabsorptionszonen in einem Bauteil zu ermöglichen hat weba eine im Umformwerkzeug integrierte SoftZone Technologie entwickelt, die es erlaubt in einem Prozessschritt, Bereiche mit erhöhter Duktilität zu fertigen und im Crashfall eine exaktes Aufnehmen der Energie an einer bestimmten Position in der Karosserie zu erzielen. Beispielsweise wird wird die Karosserie so konstruiert, dass das Versagen der Karosserie bei einem Seitencrash kontrolliert abläuft. Dadurch wird verhindert, dass die Fahrgastzelle deformiert wird und somit die Sicherheit der Insassen beeinträchtigt wird z.B. der Sitz zur Mitte des Fahrzeugs verschoben wird.

Kostenersparnis durch Materialausnutzung: Die Warmumformung zeichnet sich durch eine hohe Materialausnutzung aus. Das Werkstück wird gezielt erwärmt, um eine bessere Umformbarkeit zu gewährleisten und Materialverluste zu minimieren. Dadurch werden Ressourcen effizient genutzt und Kosten gespart.

Energieeffizienz und Umweltfreundlichkeit: Durch die Gewichtsreduktion der Fahrzeugbauteile mittels Warmumformung wird der Kraftstoffverbrauch reduziert und die Energieeffizienz verbessert. Dies trägt zur Verringerung des CO2-Ausstoßes und zur Minimierung der Umweltbelastung bei. Die Automobilindustrie setzt zunehmend auf umweltfreundliche Lösungen, und die Warmumformung spielt hierbei eine entscheidende Rolle.

Vielseitigkeit und Designfreiheit: Die Warmumformung bietet große Flexibilität bei der Herstellung von Bauteilen mit komplexen Formen und Geometrien. Durch die Anpassung der Umformparameter und des Werkzeugdesigns können innovative und ästhetisch ansprechende Bauteile realisiert werden. Diese Freiheit im Designprozess eröffnet neue Möglichkeiten für die Gestaltung von Fahrzeugen und trägt zur Differenzierung auf dem Markt bei.

Es gibt zwei Varianten der Warmumformung:

• direkte Warmumformung 
• indirekte Warmumformung

Beide werden in vielen Presswerken angewendet, wobei das direkte Verfahren die vorherrschende Methode ist.

Direkte Warmumformung:

Bei der direkten Warmumformung wird das Metall direkt in die gewünschte Form gebracht, ohne den Einsatz von Zwischenwerkzeugen. Die vorgefertigte Formplatine wird auf eine typische Austenitisierungstemperatur von etwa 910 °C erhitzt. Dies geschieht in einem Durchlaufofen, auch als Rollenherdofen bezeichnet. Der Einsatz von Durchlauföfen bietet den Vorteil einer kontinuierlichen Erwärmung der Formplatinen, was zu einer effizienten Produktion beiträgt. Die Temperatur und die Verweilzeit im Ofen müssen jedoch sorgfältig kontrolliert werden, um eine optimale Austenitisierung des Materials zu gewährleisten.

Es ist wichtig, dass die Erwärmungsgeschwindigkeit an die erforderliche Austenitisierung des Halbzeugs angepasst wird. Ein zu kurzer Aufenthalt im Ofen könnte dazu führen, dass das Basismaterial nicht vollständig austenitisiert wird. Die Erwärmung der Platinen kann auch in Kammeröfen erfolgen. Diese können jedoch nur bei AISi-beschichteten (Korrosionsschutz) Formplatinen verwendet werden, da keine Schutzatmosphäre oder Taupunktregelung möglich ist. Ein Vorteil von Kammeröfen sind niedrigere Anschaffungskosten.

Nachdem die Formplatine die richtige Temperatur erreicht hat, wird sie in wenigen Sekunden mit einem Roboter in das Umformwerkzeug gegeben. Dies gewährleistet, dass die Hitze im Material optimal genutzt wird. Beim Umformen und Härten wird die Formplatine schnell abgekühlt, um eine ausreichende Abschreckung zu gewährleisten. 

Insgesamt ermöglicht die Erwärmung der Formplatine auf die Austenitisierungstemperatur eine präzise Umformung und die Herstellung komplexer Bauteile. Durch die gezielte Anpassung der warmform Prozessparameter kann eine qualitativ hochwertige Produktion gewährleistet werden, die den Anforderungen der spezifischen Anwendung entspricht.

Der Vorteil der direkten Warmumformung besteht darin, dass sie eine schnelle und effiziente Methode ist, um komplexe Formen herzustellen. Da kein Zwischenwerkzeug erforderlich ist, sind die Produktionskosten oft geringer. 

Indirekte Warmumformung:

Die indirekte Warmumformung beinhaltet den Einsatz von Zwischenwerkzeugen, um das Metall in die gewünschte Form zu bringen. Hierbei wird das Metall zuerst in eine Zwischenform gebracht und dann in die endgültige Form umgeformt. Dieses Verfahren ermöglicht eine größere Kontrolle über den Verformungsprozess und die Herstellung von Werkstücken mit höherer Genauigkeit und Oberflächengüte. 

Beide Methoden der Warmumformung haben ihre eigenen Vorteile und Anwendungsbereiche. Die Wahl zwischen direkter und indirekter Warmumformung hängt von verschiedenen Faktoren ab, wie zum Beispiel der Komplexität der gewünschten Form, den mechanischen Eigenschaften des Metalls und den wirtschaftlichen Aspekten der Produktion. Ingenieure und Hersteller treffen ihre Entscheidung basierend auf diesen Faktoren, um die besten Ergebnisse zu erzielen und die Anforderungen ihrer spezifischen Anwendungen zu erfüllen.

Bei der Warmumformung ist ein schneller Transfer der Formplatine aus dem Ofen zur Presse entscheidend, um ein Abkühlen vor dem Umformen zu verhindern. Im Serienprozess sollte die Transferzeit zwischen Ofen und Umformpresse idealerweise zwischen 5 und 12 Sekunden liegen. Eine deutlich längere Transferzeit und ein übermäßiges Abkühlen der Formplatine können zu lokalen Gefügeumwandlungen während des Umformprozesses führen, was zu Indifferenzen im Materialverhalten und möglichen örtlichen Belastungsspitzen führen kann. Diese vorzeitige Martensitbildung kann zu lokalen Rissen führen und das Bauteil kann nicht in die Endgeometrie gezogen werden.

Ebenso muss das Warmumformwerkzeug schnell geschlossen werden, um das Bauteil von etwa 850°C auf 250°C bis 150°C in kürzester Zeit abzukühlen. Dies stellt eine hohe Belastung für die Einsatzstähle der Umformwerkzeuge dar. Die Presswerkzeuge müssen daher  eine hohe Wärmeschock-Resistenz aufnehmen und gezielt ableiten können. Integrierte Kühlsysteme sind daher unerlässlich, um eine effiziente Wärmeableitung und dadurch Abkühlung zu gewährleisten.

Um eine gleichmäßige Pressung sicherzustellen, ist eine gut tuschiertes Presswerkzeug erforderlich, d.h. die Aktivflächen müssen exakt aufeinander abgestimmt sein. Abhängig von der Materialstärke liegen die gängigen Kühlzeiten zwischen 6 und 12 Sekunden. Das Werkzeug bleibt während dieser Kühlzeit, auch Haltezeit genannt, unter sehr hohem Druck von ca. 1.200 to, um eine optimale Formgebung und Härtung zu ermöglichen.

In der Warmumformung und beim Presshärten kommen verschiedene Materialien zum Einsatz, abhängig von den Anforderungen und dem gewünschten Endprodukt. Im Allgemeinen werden Metalle und Legierungen verwendet, die eine ausreichende Verformbarkeit und Festigkeit besitzen, um den Umformprozess und die anschließende Wärmebehandlung zu durchlaufen.

Beim Presshärten, einem Verfahren zur Herstellung hochfester Stahlkomponenten mit gleichzeitiger Härtung, kommen spezielle Stahllegierungen zum Einsatz. In der Regel handelt es sich um Borlegierungen, wie beispielsweise Bor-Mangan-Stahl (22MnB5). Diese Legierungen weisen eine hohe Festigkeit auf und ermöglichen eine effektive Härtung während des Umformprozesses durch kontrolliertes Abkühlen.

Darüber hinaus können auch andere Metalle und Legierungen in der Warmumformung und beim Presshärten Verwendung finden, je nach den spezifischen Anforderungen der Anwendung. Aluminium, Magnesiumlegierungen oder Titanlegierungen werden beispielsweise ebenfalls in der Automobilindustrie eingesetzt.

Es ist wichtig zu beachten, dass die Auswahl des Materials für die Warmumformung und das Presshärten von verschiedenen Faktoren abhängt, einschließlich der gewünschten mechanischen Eigenschaften, der Einsatzbedingungen des Endprodukts und der spezifischen Anforderungen des Herstellungsprozesses. Eine sorgfältige Materialauswahl ist entscheidend, um die gewünschten Leistungsmerkmale des Bauteils zu erreichen.