Formkonsistenz bei Autobauteilen aus extra- und ultrahochfestem Stahl: auf dem Weg zu einem umfassenden Ansatz

Die Festigkeit von Stahlgüten bei extra- und ultrahochfesten Stählen nimmt ständig zu. Das erlaubt zugleich optimierte, aber komplexe Geometrien (zum Beispiel für eine höhere Unfallsicherheit) und dünnere Maße (für den Leichtbau). Für die Teilehersteller ist es damit aber schwieriger geworden, konsistent geformte Autobauteile herzustellen.

Die Toleranzen der Hersteller bei der Teileform können bis ±0,2 bis 0,5 Millimeter betragen, um Präzisionsschweißen mit Robotern zu gewährleisten und die Hohlräume der Teile mit der ständig wachsenden Menge an Elektronik, Kabeln und Sensoren vollpacken zu können. Wenn die Teile keine konsistente Form haben, können die Teilehersteller vier massive Nachteile erleiden:
1) Die Vergeudung der Produktionsressourcen durch das Umformen der nicht-formkonsistenten Teile.
2) Die Vergeudung der Arbeitsressourcen durch das Aussortieren der nicht-formkonsistenten Teile.
3) Die Materialvergeudung durch Ausschuss und vor allem die Versuche einer Fehlerbehebung, warum konforme Stahlmaterialien Formen erzeugen können, die außerhalb der Toleranzen liegen.
4) Die Vergeudung der Planungsressourcen und eine insgesamt geringere Produktionseffizienz aufgrund von Produktionsverlangsamung und -unterbrechungen.

Wenn Ihre Umformprozesse einwandfrei sind, könnte es dann sein, dass Ihre nicht-konformen Formen das Ergebnis von Inkonsistenz bei Ihren extra- und ultrahochfesten Stählen sind?

Die Konsistenz bei extra- und ultrahochfesten Stählen umfasst die Dicke und Ebenheit des Stahls. Weniger offensichtlich sind andere Erwägungen. So können Inkonsistenzen bei Materialeigenschaften (Streckgrenze, Zugfestigkeit, Bruchdehnung usw.) zu Problemen wie schweren Spannungen führen, die wiederum Ebenheitsprobleme verursachen. Inkonsistenzen können auch zu unerwünschtem und unerwartetem Rückfederungsverhalten führen. Ein extra- und ultrahochfester Stahl kann alle seine Spezifikationen bei Maßen und mechanischen Eigenschaften erfüllen, und dennoch kann es ein Teilehersteller erleben, dass die Formen der Teile außerhalb der Toleranzen liegen. Wie ist das zu erklären?

In der genannten Situation sollte sich der Teilehersteller zunächst fragen: Gibt es eine Tendenz hin zu Teilen außerhalb der Toleranzen? Wenn ja, können wir das ausgleichen, indem wir Anpassungen an unserer Umformausrüstung vornehmen? 

Wenn ja, dann ist die nächste Frage, ob die ausgleichenden Anpassungen über die ganze Länge des Coils mit extra- und ultrahochfestem Stahl wirken? (Mit anderen Worten, gibt es Abweichungen innerhalb des Coils?) Und gibt es Abweichungen zwischen verschiedenen Coils? 

Es gibt mit hoher Wahrscheinlichkeit Abweichungen zwischen den Coils, wenn der Stahl von verschiedenen Herstellern stammt. Der Teilehersteller muss einen Werkzeugsatz für jeden Lieferanten von extra- und ultrahochfestem Stahl haben. Ein solcher Ansatz wird schnell kompliziert und Inkonsistenzen können jedes Mal auftreten, wenn die Ausrüstung angepasst wird.

Die Erkenntnis: Je konsistenter das Stahlmaterial ist, desto einfacher ist es, ein Teil mit den erforderlichen Toleranzen zu erzeugen.

Eine inkonsistente Ebenheit bei extra- und ultrahochfesten Stählen ist ein wesentlicher Faktor, wenn Teile außerhalb der Toleranzen für die spezifizierten Formen sind. Zu den Problemen mit Formtoleranzen zählen die Geradheit der Profile, Ausbauchungen, Probleme mit der Lagekontrolle und dass Stanzmerkmale und Bezugslöcher nicht präzise auf der Vorder- und Rückseite des Teils übereinstimmen. Können Präzisionsrichtmaschinen helfen?

Präzisionsrichtmaschinen wurden verwendet, um Ebenheitsprobleme bei extra- und ultrahochfesten Stahlcoils zu beheben, darunter Probleme mit Coilsätzen, Crossbow und so genannten Wärmetaschen. Präzisionsrichtmaschinen haben ihren Platz in der Metallverarbeitung, aber um einen Artikel aus WorldAutoSteel zu zitieren:

„Das Ausgleichen von Kantenwellen und Verformungen erfordert ein Überschreiten der Streckgrenze des Stahlbands in einer Größenordnung von 50 % und mehr des Bandquerschnitts. Dies kann eine potenzielle Kaltverfestigung des Bandstahls fördern, was die Umformbarkeit negativ beeinträchtigt ... Die zunehmend höhere Streckgrenze von extra- und ultrahochfesten Stählen stellen die Möglichkeiten der Richtmaschinen auf die Probe, die nicht zum Glätten dieser hochfesten Materialien ausgelegt sind.“

Die zunehmend höhere Streckgrenze von extra- und ultrahochfesten Stählen stellen die Möglichkeiten der Richtmaschinen auf die Probe, die nicht zum Glätten dieser hochfesten Materialien ausgelegt sind.“

Präzisionsrichtmaschinen sind zudem große Ausrüstungsteile, die sich nur schwer vor dem Stanzbereich aufstellen lassen. Die Alternative, die Nivellierung auszulagern, hat ihre eigenen Nachteile: Der Teilehersteller kann nicht sicher sein, dass die mechanischen Eigenschaften des extra- und ultrahochfesten Stahl durch die ausgelagerte Richtmaschine bewahrt wurden (d. h. keine Kaltverfestigung).

SSAB verfeinert ständig die Walzverfahren, so dass die Empfänger unserer extra- und ultrahochfesten Docol® Stahlcoils überhaupt keine Präzisionsrichtmaschine benötigen. Für das Problem der „Wärmetaschen“ – der unebene Zustand, der aus inneren Spannungen während des Vergütungsprozesses resultieren kann – haben wir zum Beispiel mehrere Schritte in unserem Werk eingeführt, um solche Spannungen zu reduzieren. 

SSAB bietet auch eigene, sehr genaue Umwandlungen von Coils in Bleche oder Spaltband gemäß unseren Docol-Spezifikationen, so dass eine Kaltverfestigung und damit die Reduzierung der Duktilität minimiert wird.  Für die Kunden kann dieser Service bei unseren hochfesten martensitischen Güten besonders nützlich sein.

„So häufig treten Probleme auf, die durch die Spezifikationen der Autohersteller nicht vollständig behoben werden können“, erklärt José Puente Cabrero, Produktleiter für kaltumgeformte extra- und ultrahochfeste Docol Stähle bei SSAB. „Wenn Sie den gesamten Produktionsprozess betrachten, stehen die Spezifikationen für extra- und ultrahochfeste Stähle für vielleicht 20 Prozent der Herausforderungen, auf die ein Material tatsächlich reagieren muss.“
 
„So können wir zum Beispiel über die Anforderungen eines Herstellers an Bruchdehnung oder Biegbarkeit eines Teiles sprechen und dabei feststellen, dass das, was dem Hersteller tatsächlich Kopfzerbrechen bereitet, das Verhalten des Teils bei einem Crashtest ist. Das ist aber ein Aspekt, der sich in einer einfachen Spezifikation nur schwer ausdrücken lässt.“

„Anstelle von einfachen Spezifikationen muss SSAB als Lieferant von extra- und ultrahochfesten Stählen ein umfassendes Verständnis für die Rolle haben, die das Teil spielt. Wir müssen verstehen, wie das Teil mit den umliegenden Teilen interagiert. Wie ist es verbunden? Welche Crashtests sind relevant? Welche Lasten gibt es bei diesen Crashtests? Welches sind die relevanten Kriterien bei diesen Tests?“

„Das ideale Szenario ist, wenn der Autohersteller, der Teilehersteller und der Stahlerzeuger schon in einem frühen Stadium bei der Autokonstruktion zusammenarbeiten. Mit anderen Worten: Welche Ziele verfolgt der Autohersteller mit diesem Teil? Wenn wir die Ziele des Autoherstellers kennen, können wir rückwärts weiterarbeiten  und gemeinsam die optimierten Geometrien, die Umformung und die korrekte extra- und ultrahochfeste Stahlgüte ermitteln.“

„Die Erfahrung von SSAB ist, das wir, wenn wir auf sehr strenge Toleranzen stoßen, fragen müssen: ,Was steckt hinter dieser Anforderung?' Versucht der Autohersteller, ein Produktionsproblem – wie Formkonsistenz – zu beheben, indem er die Spezifikationen für die Lieferanten verschärft?“

„Für den gesamten Prozess und die Endergebnisse ist es besser, wenn in einem sehr frühen Stadium der Konstruktion eines Teiles darüber nachgedacht wird, welches Material verwendet werden soll, wie dieses umgeformt werden soll und wie es auf diese Umformprozesse reagieren wird. Wenn Konstrukteure so denken, werden ihre Konstruktionen optimierter – genauso wie der Umformprozess und die Formkonsistenz des fertigen Teils.“

Puente Cabrero weiter: „Je konsistenter wir unsere extra- und ultrahochfesten Docol Stähle machen, desto mehr Probleme können wir in der Lieferkette und bei der Montage vermeiden.“

„Unser ständiges Ziel als Stahlerzeuger ist es, Konsistenz auch in der Massenproduktion zu erzielen. SSAB hat einige klare Vorteile: Unser Eisenerz aus Nordschweden ist von äußerst hoher Qualität und Konsistenz. Und alle Docol Güten laufen mit hoher Reproduzierbarkeit – unabhängig davon, in welchem Werk von SSAB sie erzeugt werden.“

„Unsere Kunden sagen uns, dass die extra- und ultrahochfesten Docol Stähle bereits sehr konsistent seien. Doch wir leben im Zeitalter der Digitalisierung. Deshalb sind wir darauf vorbereitet, noch mehr anzubieten. Können wir zum Beispiel über die heutigen Branchenmaßstäbe hinausgehen und Grenzformänderungskurven (FLC) anbieten? Was wäre, wenn wir Stahleigenschaften präzise vorhersagen könnten, so dass wir digitale Zwillinge für unsere Kunden erstellen könnten?“ 

„Stellen Sie sich vor: Die digitalen Zwillinge sind so spezifisch für jeden unserer Stahlcoils, dass die Teilehersteller mit Hilfe der Zwillinge die Werkzeugparameter ändern könnten, um eine noch genauere Konsistenz der endgültigen Form zu erzielen.“

„Bleiben Sie dran“, sagt Puente Cabrero.