Stück aus Metall und Aluminium, Bild: IPH

Das neue Leichtbau-Verfahren soll Aluminium-Massivteile und Stahlbleche stoffschlüssig verbinden – bereits während der Umformung und ohne weiteren Fügeschritt. Bild: IPH

Das Verbundhybridschmieden kombiniert erstmals zwei Leichtbauansätze: Zum einen verbindet es Blech- und Massivteile stoffschlüssig miteinander, zum anderen nutzt es verschiedene Werkstoffe mit unterschiedlichen Eigenschaften – etwa leichtes Aluminium und festen Stahl.

In einem einzigen Prozessschritt wollen die Wissenschaftler ein Stahlblech und einen massiven Aluminiumbolzen umformen und gleichzeitig fügen. Bisher werden die einzelnen Komponenten erst umgeformt und dann verbunden, etwa mittels Bolzenschweißen. Das Verbundhybridschmieden soll den zusätzlichen Fügeschritt überflüssig machen – und so dazu beitragen, dass sich Leichtbauteile schneller und wirtschaftlicher herstellen lassen.

Aluminium und Stahl clever kombinieren

Blech mit Stanzabdruck, Bild: IPH
Eine formschlüssige Verbindung ist den Forschern am IPH bereits gelungen. Nun wollen sie die beiden Komponenten stoffschlüssig miteinander verbinden. Bild: IPH

Auf dem Weg zum neuen Leichtbauverfahren stehen die Wissenschaftler des Instituts für Integrierte Produktion Hannover (IPH) gemeinsam und das Institut für Schweißtechnik und Trennende Fertigungsverfahren (ISAF) der TU Clausthal vor zwei Herausforderungen. Zum einen hat Aluminium einen deutlich niedrigeren Schmelzpunkt als Stahl – das erschwert die gemeinsame Umformung. Zum anderen entstehen spröde intermetallische Phasen, wenn sich Stahl und Aluminium vermischen. Eine solche stoffschlüssige Verbindung ist nicht belastbar und damit ungeeignet für den Automobilbau. Die Forscher nutzen deshalb ein verzinktes Stahlblech und einen Aluminiumbolzen mit Zinkbeschichtung: Zink lässt sich sowohl mit Aluminium als auch mit Stahl stoffschlüssig verbinden, ohne dass spröde Phasen entstehen.

Im Forschungsprojekt „Verbundhybridschmieden“ untersuchen die Wissenschaftler, unter welchen Bedingungen das Verfahren gelingt – also bei welcher Temperatur, welchem Druck und welcher Geschwindigkeit die beiden Komponenten umgeformt und gefügt werden sollten. Für welche Blechdicken und Bolzenformen sich das Verfahren eignet, ermitteln die Wissenschaftler ebenfalls. Zudem erforschen sie, welchen Belastungen die Fügezone standhält und inwieweit sich das Hybridbauteil nach dem Fügen weiterverarbeiten lässt.

Bauteile für die Automobil- und Luftfahrtbranche

Mittels Verbundhybridschmieden könnten in Zukunft Bauteile für die Automobil- und Luftfahrtbranche hergestellt werden, beispielsweise Längsträger, Aufnahmen für Heckleuchten oder Ösen zur Frachtsicherung. Leichtbau spielt im Automobil- und Flugzeugbau eine große Rolle, denn mit jeder Gewichtseinsparung sinkt der Kraftstoffverbrauch. Das Institut für Integrierte Produktion Hannover (IPH) gGmbH erforscht seit Jahren unterschiedliche Leichtbauansätze in der Blech- und Massivumformung: Die Forscher widmen sich beispielsweise dem Querkeilwalzen und Innenhochdruckumformen von Hybridbauteilen aus Stahl und Aluminium.

Auch die Kombination von Blech- und Massivbauteilen unterschiedlicher Werkstoffe in einem einzigen Umformschritt ist den Forschern schon gelungen – bisher haben sie jedoch nur eine prototypische formschlüssige Verbindung zwischen einem Stahlblech und einem Aluminiumbolzen hergestellt. Im Forschungsprojekt „Verbundhybridschmieden“ setzen sie auf eine stoffschlüssige Verbindung mit Zink als Lotwerkstoff, da dies gleichzeitig Vorteile bei der Kontaktkorrosion der Materialpaarung Stahl-Aluminium bietet. hei