Ablauf der Voruntersuchungen zum Hybridschmieden.
Bilder: IPH

Schnitt durch Versuchsbauteil ...

... und metallisches Gefüge der Verbindungszone.

Gegenüberstellung der konventionellen und der neuen Prozesskette.

Blech- plus Massivumformung

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In der Automobilbranche wird das Gewicht metallischer Bauteile fortwährend reduziert. Dies kann durch Multi-Material-Design und entsprechende Fertigungsverfahren geschehen, etwa durch Fügen und Verbundgießen verschiedener Werkstoffe. Ziele der Hybridbauweise sind zum einen die Gewichtsminderung und zum anderen die anforderungsgerechte Gestaltung von Bauteilen wieTailored-Blanks und Tubes-Strukturen aus Leichtmetall, die wenig Last aufnehmen. Verschleißkritische Bereiche desselben Bauteils werden durch einen metallischen Werkstoff mit einer höheren Festigkeit – beispielsweise Stahl – verstärkt.
Bei der Herstellung Werkstoff-hybrider Bauteile in der Massivumformung können unterschiedliche Stahlpaarungen sowie Stahl-Aluminium-Kombinationen realisiert werden. Dies wird als Verbundschmieden bezeichnet und meint das zeitgleiche Umformen und Fügen von unterschiedlichen metallischen Massiv-Elementen. Zu den realisierbaren Bauteilen dieses Verfahrens zählen Zahnräder mit verschleißfesten Funktionsflächen und duktilem Kernmaterial. Deren Dauerfestigkeit ist gegenüber konventionell gefertigten Zahnrädern höher und macht eine kostenintensive Wärmebehandlung zur Verstärkung der Randzone überflüssig.
Steigende und zum Teil konträr klingende technische Anforderungen an Bauteile – beispielsweise hohe Belastbarkeit bei geringem Gewicht – können häufig nicht durch einen Werkstoff allein erfüllt werden. Das Ziel des Multi-Material-Designs ist daher, den richtigen Werkstoff in der richtigen Menge an der richtigen Stelle einzusetzen. Ein hybrides Fertigungsverfahren, bei dem Blech- und Massiv-Umformung sowie ein Fügeprozess zeitgleich stattfinden – also Hybridschmieden – kann das Spektrum hybrider Bauteile erweitern. Hybridgeschmiedete Werkstücke können aus unterschiedlichen Materialien bestehen wie Stahl und Aluminium oder aus Halbzeugen wie massivem Rohling und Blechabschnitt. Des Weiteren ermöglicht Hybridschmieden die Kombination unterschiedlicher Stahl- und Blechsorten in ein und demselben Bauteil. Durch dieses Verfahren kann ein Teil mittels zeitgleicher Umformung der Blech- und Massiv-Elemente einschließlich des Fügens ohne zusätzlichen Prozessschritt hergestellt werden. Das Fügen kann mittels Formschluss oder Stoffschluss realisiert werden. Mit diesem Verfahren lassen sich neben einer Verkürzung der Prozesskette neuartige Leichtbaukonzepte realisieren: Gering belastete Bereiche eines Schmiedeteils können durch Blechstrukturen substituiert oder Blechbauteile durch Massivteile partiell verstärkt werden. Das potentielle Spektrum an Bauteilen, die mittels Hybridschmiedens hergestellt werden können, ist groß. So können in der Fahrzeugtechnik Querlenker, die aus Massiv- und Blechelementen bestehen, gewichtsreduziert gestaltet werden. Durch die Reduzierung der bewegten Massen der Fahrwerkskomponenten führt dies zu verbesserten dynamischen Eigenschaften und senkt das Fahrzeuggewicht. Insbesondere vor dem Hintergrund steigender Rohstoffpreise kann ebenfalls die lokale Substitution teurer Werkstoffe ein erhebliches Potenzial zur Senkung der Werkstoffkosten bedeuten.

Die zu erwartenden Vorteile des Hybridschmiedens waren die Motivation für die Durchführung experimenteller Versuche, deren Methoden und Ergebnisse folgend vorgestellt werden. Bezüglich Geometrie, Werkstoff und Art der Fügeoperation sind zahlreiche Varianten an Massiv- und Blechteilelementen möglich: So kann das Blech-Element mehrere Massiv-Elemente verbinden oder umgekehrt. Zum Fügen kann das Blech-Element in die Massiv-Elemente eingeschoben werden oder diese umschließen. Um erste Grundlagen des Hybridschmiedens zu erforschen, wurden am Institut für Integrierte Produktion Hannover (IPH) experimentelle Versuche für eine mögliche Variante des Hybridschmiedens durchgeführt. Gegenstand der Versuche war die Verbindung zwischen einem Blech- und einem Massivelement durch eine Kombination aus Form- und Stoffschluss über die Umformung des Massivelements. Dazu wurde ein zylindrischer Massivrohling aus dem Werkstoff C45 mit einer Nut versehen und in einem Kammerofen auf 1250 °C erwärmt. Anschließend wurde in die Nut des Rohlings ein nicht vorgewärmtes Blechelement gelegt. Nach dem Einlegen des Blechelements erfolgte unmittelbar die Umformung des Massivelements mit dem eingelegten Blechstreifen in einer Spindelpresse. Durch die Umformung des Massiv-Elements wurde dieses mit dem Blechstreifen verbunden.
Um die Qualität der Fügestelle zu bewerten, wurden die Versuchsbauteile orthogonal zur Fügefläche zersägt und metallographisch untersucht. Ergebnis der Untersuchung ist, dass im Bereich der größten Relativgeschwindigkeit zwischen Blech- und Massiv-Element während der Umformung sowie des größten Umformgrades zumindest teilweise eine stoffschlüssige Verbindung erzielt werden konnte. In den Bereichen, in denen Druck und Relativgeschwindigkeit während der Umformung am geringsten waren, bildete sich ein Spalt zwischen Blech- und Massiv-Element. In diesem Spalt konnte Zunder nachgewiesen werden. Dieser Zunder entstand während der Erwärmung der Massivteile im Ofen und während des Einlegens des Rohlings in die Presse an der Oberfläche der Nut. Das Gefüge des Blech- und Massiv-Elements wurde in der Fügezone durch das Hybridschmieden nicht negativ beeinflusst und ist auf beiden Seiten der Fügestelle unverändert.
Ein weiteres Ergebnis ist, dass das Blech-Element nicht aus der Fügestelle während der Umformung verdrängt, sondern lediglich gestaucht wurde. Die ursprüngliche Blechstärke von 1,2 mm liegt im Fügebereich unter 0,8 mm. Im Bereich des Stoffschlusses liegt die Blechstärke nur bei etwa 0,5 mm.

Gegenwärtig wird am IPH das Hybridschmieden in dem von der Deutschen Forschungsgemeinschaft geförderten Projekt „Monoprozessuales Fügen und Umformen von Blech- und Massivbauteilen am Beispiel von Verbundstrukturbauteilen“ wissenschaftlich untersucht. Im Mittelpunkt dieser Untersuchungen steht die Machbarkeit der integrierten Fügeoperation dieses Verfahrens. Mittels FEM-Simulationen mit dem Programm „Simufact“ werden Möglichkeiten zur praktischen Analyse der grundlegenden Fügemechanismen ermittelt. Weitere praktische Versuche sollen die Wechselwirkungen zwischen Massiv- und Blech-Element zeigen und die Mechanismen zur Erzielung eines Stoffschlusses möglichst in der gesamten Fügezone. Die durchgeführten experimentellen Voruntersuchungen zeigen ein viel versprechendes Potenzial für die Entwicklung des Hybridschmiedens. Sie zeigen, dass bei einer hohen Relativgeschwindigkeit zwischen Blech- und Massiv-Element eine stoffschlüssige Verbindung ohne negative Beeinträchtigung des metallischen Gefüges realisiert werden kann.