ALLEGRO – Hochleistungskomponenten aus Aluminiumlegierungen durch ressourcenoptimierte Prozesstechnologien

Das Kernziel von Allegro ist die Schaffung einer Technologiebasis für neue effiziente Prozesse der integrierten Formgebung und Wärmebehandlung der hochfesten Aluminiumknetlegierung AA7075. Die Technologieentwicklung soll durch synergistische Zusammenführung der relevanten Technologiebausteine (Umformen, Tribologie, Fügen, Beschichten, Werkstoffcharakterisierung, Bauteileigenschaften und Lebensdauer) beschleunigt und in die Anwendung transferiert werden. Am PtU wird dazu der Prozess des Rollformens anhand temperaturunterstützter Prozessrouten untersucht. Die Temperaturunterstützung begünstigt zum einen das Formänderungsvermögen der hochfesten Aluminiumlegierung AA7075 und ermöglicht zum anderen eine Verbesserung und Gradierung der mechanischen Eigenschaften der rollgeformten Profile.

Projektverantwortlicher: Timon Suckow M. Sc.
Laufzeit: Januar 2018 – Juni 2022
Förderlinie: LOEWE-Förderlinie 3

Motivation

Die aktuelle Forschung in der Produktionstechnik konzentriert sich vor allem auf die Steigerung der Ressourceneffizienz und folgt somit dem Ansatz einer grundlegenden Nachhaltigkeit von Prozessen und Produkten. Die Ressourceneffizienz bezieht sich hierbei auf die gesamte Lebensdauer des Produktes mit dem Einsatz von Energie und anderen Ressourcen bis hin zur Wiedereinbringung in den Wertstoffkreislauf. Im Bereich der Aluminiumumformung zeigt sich ein großes Potenzial an Verbesserungsmaßnahmen zum Erreichen einer höheren Ressourceneffizienz. Im Gegensatz zu der aktuellen Produktion, bei der zeit- und kostenintensive nachträgliche Wärmebehandlungen nötig sind, soll eine prozessintegrierte Realisierung der Zieleigenschaften durch neuartige Prozessrouten erreicht werden. Ein Beispiel hierfür können Bauteile mit gradierten Eigenschaften durch gezielte Wärmebehandlung sein, welche dadurch ein besonderes Leichtbaupotenzial ermöglichen. Insbesondere im Elektromobilitätssektor ist ein nachhaltiger Leichtbau erforderlich, da begrenzte Energiespeicherkapazitäten vorliegen.

[1] Prozesskette zur Herstellung eines hochfesten Aluminiumrohrs

Lösungsweg

Neben dem PtU sind an dem Gesamtprojekt Allegro das Institut für Werkstoffkunde sowie das Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit in Darmstadt beteiligt. Hinzu kommen zwei Institute der Universität Kassel. Zu diesen zählen das Institut für Werkstofftechnik / Metallische Werkstoffe und das Institut für Trennende und Fügende Fertigungsverfahren.

Zudem ist am PtU eine Reihe an KMU-Verbundvorhaben fachlich im Allegro-Projekt eingegliedert.

  • 2018 – 2019: WarmAp (Warmumformen von Aluminiumblechen für Hochleistungskomponenten zukünftiger Mobilitätskonzepte)
  • 2020 – 2021: RAmP (Belastungsoptimierte Blechbauteile aus hochfestem Aluminium)
  • 2022 – 2023: PrositAl dual (Produktivitätssicherung temperaturunterstützter Aluminium-Umformprozesse durch duale Forschung und Ausbildung)

Die Ziele der KMU-Verbundvorhaben sind zum einen die Implementierung und Erprobung der in Allegro getätigten Technologiesprünge in einem industrienahen Umfeld und zum anderen die Entwicklung neuer Produktgruppen mit einer deutlichen Komplexitätssteigerung der umzuformenden Bauteile. Als Partner für die Prozessimplementierung und Methodenplanung fungieren die Werner Schmid GmbH (mehrstufige Tiefziehprozesse) und die Hörmann Automotive Gustavsburg GmbH (Tiefziehen mit lokaler Erwärmung). Hinzu kommt die Filzek TRIBOtech GmbH als Experte für tribologische Fragestellungen.

Neben den KMU-Verbundvorhaben gilt der Schwerpunkt der Untersuchungen am PtU dem Rollformen und Presshärten hochfester Aluminiumprofile. Den Herausforderungen der unzureichenden Umformbarkeit und Schweißbarkeit wird in einer Prozesskette zum Rollformen eines Rohrs aus der hochfesten Aluminiumlegierung AA7075 begegnet. Die Prozesskette ist in Abbildung 1 dargestellt.

Eine ressourcenoptimale Ausführung der in der Abbildung dargestellten Prozesskette beinhaltet keine Erwärmungs- und Abschrecksysteme. Aufgrund des inkrementellen Charakters des Rollformens lassen sich auch hochfeste Materialien umformen. Die Herausforderung beim Rollformen eines hochfesten Aluminiumrohrs liegen in der hohen Rückfederung beim Einformen [1]. Diese kann beim Schweißen aufgrund hoher Rückstellkräfte des Rohrs und damit hohen Eigenspannungen zu Problemen führen. Eine geringere Rückfederung kann wiederum durch temperierte Prozessrouten, wie in Abbildung 1 gezeigt, erreicht werden. Die induktive Inline-Erwärmung des Blechbands auf die Lösungsglühtemperatur von T = 460 °C – 480 °C und nachfolgendes Abschrecken bringen das Material in den sogenannten W-Temper Zustand. Damit einhergehend ist eine Verbesserung des Formänderungsvermögens und damit ebenso eine Erweiterung der Prozessgrenzen, trotz Kaltumformung. Mit dieser Prozessroute können auch Profile mit kleinen Biegeradien (z.B. U- oder Hutprofile) hergestellt werden.

Eine weitere Möglichkeit der Inline-Wärmebehandlung stellt die Wärmebehandlung nach dem Umformen und dem Schweißen dar. Diese führt zu einer bis zu 50 % höheren Schweißnahtfestigkeit, auch bei sehr kurzen Lösungsglühdauern von 10 – 30 Sekunden [2]. Zum anderen können gezielt gradierte Eigenschaften im Rohr oder Profil eingestellt und damit belastungsoptimale Bauteile hergestellt werden.

Projektbezogene Veröffentlichungen

Groche, Peter; Günzel, Janosch; Suckow, Timon (2018):
Blechkomponenten aus hochfestem Aluminium – Möglichkeiten und Potenzial der Inline-Wärmebehandlung von EN AW-7075 beim Walzprofilieren.
In: wt Werkstattstechnik online, 10 (108), S. 639-645, Springer-VDI-Verlag, [Artikel]

Suckow, Timon; Günzel, Janosch; Schell, Lukas; Sellner, Erik; Dagnew, Jonathan; Groche, Peter (2019):
Temperatureinfluss in der Aluminium-Blechumformung – Rückfederungsverhalten und Prozessgrenzen beim Gesenkbiegen von EN AW-6082 und EN AW-7075.
In: wt Werkstattstechnik online, 10 (109), S. 733-739, VDI Fachmedien, [Artikel]

Günzel, Janosch; Suckow, Timon; Veitenheimer, Ciaran; Hauß, Joachim; Groche, Peter (2020):
Robuste W-Temper-Umformung von hochfestem Aluminium = Robust W-Temper forming of high-strength aluminum : how time and quenching method affect the mechanical properties of EN AW-7075.
In: Werkstattstechnik online: wt, 10 (110), S. 697-703, VDI Fachmedien, ISSN: 1436-5006, DOI: 10.37544/1436-4980-2020-10-53, [Artikel]

Suckow, Timon; Schroeder, Julius; Groche, Peter (2021):
Roll forming of a high strength AA7075 aluminum tube.
In: Production Engineering, S. 573-586, Springer, ISSN: 0944-6524,
DOI: https://doi.org/10.1007/s11740-021-01046-2, [Artikel]

Günzel, Janosch; Suckow, Timon; Sellner, Erik; Schell, Lukas; Fawaro, Andreas; Groche, Peter (2021):
Effizienter Leichtbau durch moderne Prozesstechnologien.
In: Technik und Mensch, 2 (2021), S. 11-13, VDI, ISSN: 1611-5546, Offizielle URL, [Artikel]

Suckow, Timon; Groche, Peter (2021):
Effiziente Umformung hochfester Aluminiumlegierungen am Beispiel des Rollformens.
In: VDI Technik und Mensch, 3, S. 6, [Artikel]

Suckow, Timon; Völkers, Stephan; Bütev Öcal, Ezgi; Grass, Markus; Böhm, Stefan; Groche, Peter (2022):
Effect of Shortened Post Weld Heat Treatment on the Laser Welded AA7075 Alloy.
In: metals, 12(3), 393. DOI: https://doi.org/10.3390/met12030393, [Artikel]

Danksagung

Das Institut für Produktionstechnik und Umformmaschinen dankt LOEWE, der Hessen Agentur und den beteiligten Partnern für die Unterstützung bei der Durchführung dieses Projekts.

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