Bittere Kälte macht Aluminium gefügig

Der Verkehrsbereich zählt in Sachen Klimaschutz zu den größten Problemfeldern. In Österreich verursacht der Verkehr fast ein Drittel aller Treibhausgasemissionen – der Wachstumstrend ist im Gegensatz zu anderen Sektoren ungebrochen. Eine der Stoßrichtungen, um hier voranzukommen, ist der Leichtbau von Fahrzeugen. Denn: Je mehr Gewicht ein Fahr- oder Flugzeug hat, umso mehr Energie muss aufgewendet werden, um es zu bewegen. Eine Gewichtsreduktion senkt also den mit dem Verkehr verbundenen CO2-Ausstoß (oder, auf E-Mobilität bezogen: steigert die Reichweite der Fahrzeuge). 

Aluminium ist als Werkstoff für den Fahrzeugbau daher auch in Zukunft immer wichtiger: Seit den 1970er hat sich der Aluminiumanteil im deutschen Automobilbau von 2,5 kg auf 140 kg pro Neufahrzeug im Jahr 2012 gesteigert und wird im Jahr 2020 160 bis 180 kg erreichen. „Der größte Vorteil gegenüber dem ‚Hauptkonkurrenten‘ Stahl ist mit Sicherheit die geringe Dichte. Sie entspricht nur etwa einem Drittel von Stahl“, erläutert Florian Grabner, Forscher am AIT Austrian Institute of Technology. Die Be- und Verarbeitung ist an sich nicht schwieriger als die von Stahl. Allerdings sind wegen einer grundlegend anderen Mikrostruktur die mechanischen Kennwerte von Aluminiumlegierungen, z. B. die Festigkeit oder die maximal mögliche Dehnung, zumeist niedriger als jene von Stahl. „Diese mechanischen Kennwerte sind aber ausschlaggebend beim Herstellen von Blechbauteilen", so Grabner, der am LKR Leichtmetallkompetenzzentrum Ranshofen, einem Tochterunternehmen des AIT, eine Projektserie mit dem Titel „KryoAlu“ leitet. Darin wird gemeinsam mit Partnern aus Wissenschaft und Industrie ein neues Verfahren zur Verformung von Aluminiumblechen entwickelt, das bisherige Schwierigkeiten umgeht.

Pressen bei bis zu minus 180 Grad

Stand der Technik ist es, Aluminium bei erhöhten Temperaturen zu verformen. „Bei hohen Temperaturen ist der Werkstoff weich, das heißt, bei der Umformung sind hohe Dehnungen möglich. Jedoch ist die übertragbare Kraft geringer, was lokal zu Rissen im umgeformten Bauteil führt", erklärt Grabner. Beim Erhitzen wird nämlich die Mikrostruktur verändert, sodass zusätzliche Wärmebehandlungsprozesse notwendig sind, um wieder den Ausgangszustand zu erreichen.

Die Idee basiert auf einer interessanten Eigenschaft von Aluminium: Auch bei tiefen Temperaturen verbessert sich die Umformbarkeit des Metalls, und dabei verändert sich die Mikrostruktur nicht, dabei gilt: je kälter, umso bessere mechanische Eigenschaften. Im „KryoAlu“-Projekt – „kryo“ ist griechisch und bedeutet „kalt“ – wurde ein Verfahren entwickelt, bei dem Aluminiumbleche in flüssigem Stickstoff (minus 196 Grad) vorgekühlt, von einem Roboter in die auf bis zu minus 180 Grad gekühlte Umformwerkzeuge eingelegt und nach dem Tiefziehen wieder entnommen werden. Mit diesem innovativen Verfahren können künftig wesentlich komplizierter geformte Teile aus einem Blechstück hergestellt werden – so können z. B. mehrere Einzelteile einer Autotür zusammengefasst und aus einem Teil gefertigt werden. Dadurch werden Fügestellen eingespart, zudem ist eine hohe Oberflächengüte erzielbar. Diese Vorteile können je nach konkretem Einsatzgebiet die erhöhten Kosten durch die Kühlung wettmachen.

In den abgeschlossenen KryoAlu Projekten konnte die semi-industrielle Kleinserientauglichkeit der kryogenen Blechumformung nachgewiesen werden. Aktuelle Herausforderungen bei der Umsetzung in die Serie betreffen vorrangig die effiziente Vorkühlung der Platinen mit hohem Durchsatz und serientaugliche Einhausung der Umformwerkzeuge zur Vermeidung von Eisbildung an der Werkzeugoberfläche.