Kaltstanzen von 1.500- und 1.700-MPa-Stählen für die Automobilindustrie

Elektroautos und 5-Sterne-Crashverhalten kurbeln Interesse an festeren Stählen an

Um die Ziele der Automobilindustrie in Bezug auf hochfeste, gewichtsarme Karosseriekonstruktionen zu erreichen, die ein Crashtest-Ergebnis mit 5 Sternen ermöglichen, müssen sie ihre Verwendung von extra- und ultrahochfesten Stählen mit höherer Festigkeit weiter steigern. Insbesondere für Elektroautos sind Materialien mit höherer Festigkeit und eine neuartige Verwendung dieser Materialien erforderlich, um die schweren Batteriepacks zu tragen und zu schützen.

Seit mehreren Jahren werden 1,5-GPa-Stähle rollumgeformt, um relativ einfache Profile für Rohkarosserieanwendungen in der Automobilindustrie herzustellen. Doch jetzt bieten systematische Fortschritte in der Stanztechnologie Konstrukteuren von Rohkarosserien und Produktionsingenieuren die Möglichkeit, 1,5-GPa-Stähle für mittelkomplexe Profile kaltzustanzen, statt ausschließlich auf Heißstanzen zu setzen.

Vorteile der Kaltumformung von Gigapascal-Stählen

Vorteile des Kaltumformens:

1. Bis zu 28 % günstiger: Der Kaltumformprozess ist aufgrund der deutlich höheren Betriebskosten des Heißstanzens wesentlich kostengünstiger als das Warmumformen.
2. Deutlich geringerer Energieverbrauch als beim Heißstanzen, was zu niedrigeren Energiekosten und einem geringeren CO₂-Fußabdruck führt.
3. Martensitische Stähle sind in einem breiteren Spektrum an mechanischen Eigenschaften erhältlich als pressgehärtete Stähle (PHS).
4. Kaltumgeformte martensitische Teile haben eine bessere Oberflächenqualität als warmumgeformte Teile.
5. Für kaltgestanzte Teile ist keine zusätzliche Reinigung (Sandstrahlen) erforderlich.
6. Kaltstanzteile können mechanisch durchstochen und zugeschnitten werden, während pressgehärtete Teile teurere Laseroperationen erfordern, um Wasserstoffversprödung zu vermeiden.
7. Martensitische Stähle sind mit kathodischem Korrosionsschutz erhältlich.
8. Martensitische Güten haben aufgrund ihres geringeren Kohlenstoffgehalts bessere Schweißeigenschaften als PHS-Stähle (Ceq oder C.E.).

Überlegungen zur Kaltumformung

1. Die Kaltumformung von hochkomplexen Formen ist nicht möglich.
2. Einkalkuliert werden müssen die Rückfederung und ihre Gegenmaßnahmen. Doch dies ist ein Bereich, in dem die Japaner und andere beweisen, dass es möglich ist: siehe nächsten Abschnitt und „Umgang mit Rückfederung“ unten.

Quelle: SSAB.

Japans frühe Ansätze beim Kaltstanzen mit 1,5 GPa

„Im Vergleich zum Rest der Welt haben die japanischen Gesenkhersteller ihre Gesenke und Werkzeuge auf die höheren Kräfte ausgelegt, die für 1.500-MPa-Stähle erforderlich sind, und um gleichzeitig die Rückfederung zu kontrollieren“, erklärt Hiroshi Kondo, japanischer Automobilstahlberater seit über 30 Jahren. „Alle japanischen Automobilhersteller evaluieren jetzt 1.500-MPa-Stähle für das Kaltstanzen.“

„Die japanischen Hersteller und ihre Zulieferer waren schon früher mit Kaltstanzen anstelle von Rollumformen oder Heißstanzen vertraut“, fährt Kondo fort. „Ein Vorteil des Kaltstanzens gegenüber dem Rollumformen ist, dass Sie mit dem Stanzen mehr Freiheit bei der Geometrie des Teils haben.“

„Und dann gibt es noch die ganzen Vorteile des Kaltstanzens im Vergleich zum Heißstanzen. Von zentraler Bedeutung für die japanischen Automobilhersteller sind der geringe Energieverbrauch und die schnelle Zykluszeit und jetzt natürlich der reduzierte CO₂-Fußabdruck – alles Argumente, die für Kaltstanzen statt Heißstanzen sprechen.“

Welche Automobilteile könnten bei 1,5 GPa kaltgestanzt werden?

Zu den potenziellen Kandidaten für Kaltstanzen bei 1500M-Anwendungen gehören Seitenaufprallträger, Stoßstangenträger, Querträger und ihre Verstärkungen.

„Die meisten Schweller, Schwellerverstärkungen, Bodenquerträger und einige Dachträger können rollumgeformt werden“, erläutert Kenneth Olsson, Automotive Business Development Specialist bei SSAB. „Aber es gibt viele Teile, die aufgrund ihrer Form nicht rollumgeformt werden können.“

„Während Heißstanzen immer eine Option ist, ist es teurer und zeitraubender“, fährt Olsson fort, „Und wenn Sie Ihre Öfen mit fossilen Brennstoffen beheizen – was die meisten Hersteller noch tun –, kommt es zu CO₂-Emissionen, die den Nachhaltigkeitszielen der Autohersteller zuwiderlaufen. Kaltstanzen mit einer Festigkeit von 1.500 MPa ist also eine spannende und noch relativ neue Entwicklung.“

Kenneth Olsson.

Beeindruckende Versuche mit Kaltstanzen von 1,5-GPa- und 1,7-GPa-Stählen

KIRCHHOFF Automotive hat diesen Prototyp eines Seitenaufprallträgers erfolgreich mit Docol^® 1500M und 1700M kaltgestanzt. Die oberen Fotos zeigen die Umformteile, die unteren die Teile nach einem 3-Punkt-Biegeversuch.

Einige Autoteile lassen sich problemlos fester machen

Dieser aus Docol^® CR1150Y1400-MS-EG Stahl kalt gestanzte Seitenaufprallträger wurde erfolgreich in einem für CR950Y1200T-MS-EG ausgelegten Serienwerkzeug getestet. Die Umformfachleute von SSAB glauben, dass das Teil mit CR1220Y1500T-MS-EG erfolgreich kaltgestanzt werden kann.

Kaltumformen vermeidet die Fallgruben durch Wasserstoffversprödung

Nach dem Heißstanzen müssen Hersteller beim Zuschneiden und Einstechen äußerst vorsichtig sein, da es sonst zu verzögerten Brüchen kommen kann. Daher werden in der Regel Laser benötigt, um heißgestanzte Teile zu durchstechen oder zu trimmen – und diese Laser sind komplizierter und teurer als herkömmliche mechanische Werkzeuge.

Beim Kaltumformen können Stanzer ganz ohne Risiko eines verzögerten Bruchs herkömmliche mechanische Stanz- und Schneidewerkzeuge verwenden, selbst bei 1,5-GPa-Stählen. Und das mechanische Inline-Trimmen und -Einstechen sind bewährte, schnelle und kostengünstige Verfahren für die Stanzmaschinen.

Umgang mit Rückfederung beim Kaltstanzen von ultrahochfesten Stählen

Die beiden Hauptvorteile des Heißstanzens sind die Fähigkeit, sehr komplexe Formen umzuformen, und die Eliminierung von Rückfederung. Doch in Japan und anderswo haben Stanzer eine Reihe von Strategien entwickelt, um die Rückfederung bei kaltgestanzten Teilen in den Griff zu bekommen:

1. Simulationen: Umformsimulationen ermöglichen Konstrukteuren die Optimierung der Geometrie des Teils, um die Rückfederung zu kontrollieren und die Präzision von kaltgestanzten Bauteilen zu verbessern.
2. Optimierung: umfasst die Verwendung gerader Biegelinien und spezieller Eck-(Radius-)Konfigurationen.
3. Wulste: die Form und Anordnung der Ziehwulste für eine bessere Rückfederungskontrolle.
4. Gesenkgeometrie: Der Wechsel von einem Stahl mit geringerer Streckgrenze zu einem Stahl mit höherer Streckgrenze wie CR1220Y1500T-MS kann einige Änderungen an der Geometrie des Gesenks erfordern, um eine höhere Rückfederung auszugleichen.
5. Werkzeuge: verbesserte Werkzeugmaterialien, einschließlich Verschleißfestigkeit und Beschichtungen, um die höheren Gesenkkräfte zu bewältigen.

Was andere Experten über das Kaltstanzen von extra- und ultrahochfestem Stahl sagen

Martensitische Stähle bieten eine kaltumformbare Alternative zu warmumgeformten pressgehärteten Stählen, wie World Auto Steel auf seiner Martensit-Websiteschreibt.

Die Verwendung von Kaltstanzen erlaubt die Flexibilität, verschiedene Strategien bei der Gesenkbearbeitung zu berücksichtigen, was zu einer reduzierten Rückfederung oder zur Einfügung von Teilemerkmalen führen kann, die beim Rollumformen nicht erreichbar sind. Das Kaltstanzen von martensitischen Stählen ist nicht auf einfachere Formen mit leichter Krümmung beschränkt.

World Auto Steel zeigt dann ein Foto einer mittleren Außensäule, die mit einem maßgefertigten Rohling aus CR1200Y1470T-MS als oberem Teil und einem unteren Teil aus CR320Y590T-DP kaltgestanzt wurde. Weiter wird angegeben:

In einer Studie wurde ein Zusammenhang zwischen der Streckgrenze von Stahlblechen und der 3-Punkt-Biegeverformung von hutförmigen Teilen festgestellt. Basierend auf einem Vergleich der Streckgrenze ... hat CR12001470T-MS eine ähnliche Leistung wie heißgestanzter PHS-CR1800T-MB und PHS-CR1900T-MB bei derselben Dicke und übertrifft den häufig verwendeten PHS-CR1500T-MB. Aus diesem Grund lassen sich hier potenziell Kosten und sogar Gewicht durch einen Kaltstanzansatz reduzieren, sofern geeignete Press-, Prozess- und Gesenkkonstruktionen verwendet werden.

Der Artikel zeigt eine kaltgestanzte Querträgerverstärkung in der kommerziellen Produktion aus martensitischem 1.500-MPa-Stahl:

Die unterschiedliche Anhebung dieses Teils in Kombination mit einem ungleichmäßigen Querschnitt an den äußersten Kanten hilft bei der Kontrolle der Rückfederung, macht das Rollumformen jedoch deutlich schwieriger, wenn dies der Kaltumformansatz wäre [anstelle seines kaltumgeformten Prozesses].

Der Artikel schließt mit einem Beispiel für eine kaltumgeformte mittlere Dachverstärkung aus 1500T-MS, bei der das patentierte Stress Reverse Forming™-Verfahren für verbesserte Maßgenauigkeit durch eine reduzierte Rückfederungsempfindlichkeit verwendet wurde.

Vergleich von Kaltstanzen von 1,5 GPa mit Heißstanzen von 1,5 GPa

Genauigkeit: Ohne Rückfederung, pressgehärtete Teile können sehr präzise sein. Beim Kaltstanzen ist eine umfassendes Rückfederungskompensation der Schlüssel zur Teilegenauigkeit.
Form der Teile: Heißstanzen ist ideal für hochkomplexe Teileformen – obwohl Kaltstanzen beeindruckende Vorteile bei der Teilekomplexität bringt.
Zykluszeit: Kaltstanzen ist weitaus schneller als Presshärten.
Energieverbrauch: Heißstanzen erfordert schnelles Erhitzen (auf 900 °C) und schnelles Abkühlen, Kaltstanzen nicht, was Geld und Emissionen spart.
Trimmen/Einstechen: 1,5-GPa-PHS-Teile müssen lasergeschnitten und durchstochen werden, um Wasserstoffversprödung zu vermeiden. Andererseits können kaltgeprägte 1.500-MPa-Teile mechanisch geschnitten und inline durchstochen werden.

Fotos mit freundlicher Genehmigung von KIRCHHOFF Automotive.

1400M Seitenaufprallträger, erfolgreich kaltgeprägt in einem für 1200M ausgelegten Gesenk.

Rollumformung: immer noch fest(er)

Während das Kaltstanzen von 1,5-GPa-Teilen relativ neu ist, sind (kalt-)rollumgeformte extra- und ultrahochfeste Stähle seit Jahren üblich (an anderen Orten als Japan). Und Konstrukteure und Zulieferer sind in ihren Rollumformanwendungen immer anspruchsvoller geworden und erweitern die Grenzen bei der Anfertigung von Formen.

Beispielsweise hat Shape Corp. den rollumgeformten Docol^® CR1350Y1700-MS-UC Stahl entwickelt und ihn dann in 3D in diesen Dachrahmen für die Serienproduktion bei Ford-Modellen gebogen. Das Ergebnis ist ein leichtes, kostengünstiges und energieeffizientes Bauteil, das mit seinen dünneren Wänden eine bessere Sicht für die Fahrzeuginsassen bietet.

3D-Rollumformen: eine Lösung, die nach Problemen sucht?

Als Alternative zur Herstellung einiger etwas komplexerer Geometrien aus extra- und ultrahochfesten Stählen wurde dreidimensionales Rollumformen vorgeschlagen.

Die Crashtest-Experten von SSAB schlugen in ihrem Docol^® Konstruktionskonzept für Elektroautos den Einsatz von 3D-Rollumformen in 1700M für den Batterieschutz vor. Hier nutzt das Design 3D-rollgeformte („gewellte“) Träger, die in einem Netzmuster verwoben sind, für einen außergewöhnlich festen Batteriegehäusesockel für Elektrofahrzeuge, der der Hälfte der herkömmlichen Höhe solcher Konstruktionen entspricht.

Die blauen Träger unter dem Fahrzeugboden sind die „Netz“-Struktur des Batteriegehäuses. Ihr Kreuzmuster aus 3D-rollumgeformten Trägern aus Docol 1700M reduziert die Höhe des Netzes um den Faktor 2.

Wie kaltumformbar ist Docol^® CR1220Y1500T-MS?

Docol^® Martensitic 1.500 MPa bietet verbesserte Möglichkeiten für Kaltumformen, die sich in folgenden Aspekten zeigen:

• Tiefziehverhältnis von 2,0
• Lochaufweitungsrate, die in der Regel 40 % beträgt
• Garantierte Biegung von 4,0 x t
• Garantierte Rollumformung von 3,5 x t

Wie geht es weiter mit dem Kaltumformen von extra- und ultrahochfestem Stahl?

SSAB verfolgt aufmerksam die Einführung und den Einsatz neuer Kaltumformtechnologien. Dem Unternehmen ist bewusst, dass die Effizienzgewinne durch die Kaltumformung – mit ihrer kürzeren Klebezeit, einfacheren Pressen und reduziertem Energieverbrauch – gut mit den Zielen der Automobilhersteller für eine vereinfachte Produktion, reduzierte Kosten und Nachhaltigkeit übereinstimmen.

Wir ermutigen Konstrukteure von Rohkarosseriebauteilen, unsere Umformfachleute frühzeitig in ihre Produktentwicklung einzubeziehen, um beste Ergebnisse zu erzielen. Wenden Sie sich an Ihren Docol^® Vertreter vor Ort, um die Ziele und Ambitionen Ihres Projekts zu beschreiben.