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Heißer Stahl für harte Autos – in der Werkstatt von Umformtechnikern

20.03.2012, von , in Karte anzeigen

Mitarbeiter des Instituts für Umformtechnik und Leichtbau der TU Dortmund vermessen den "frisch gepressten" Seitenaufprallträger

Umformtechniker erforschen, wie sich Metall oder Kunststoff in eine bestimmte Form bringen lässt – denn nicht jeder Stoff lässt sich gleich gut mit den gleichen Werkzeugen bearbeiten, und manche Stoffe verändern auch, je nach dem, wie man sie umformt, ihre Eigenschaften. Umformtechniker an der TU Dortmund untersuchen, wie sich aus dünnem Stahl besonders feste Bauteile für Autos formen lassen, und Durchblicker-Reporter Aeneas Rooch hat sie in ihrer Werkstatt besucht.

Die glühende Platine, etwa 1000 Grad heiß, wird gepresst

Zwischen Containern mit Metall, Werkbänken und Computern haben die Wissenschaftler einen Hochtemperaturofen und eine Presse aufgebaut. Hier stellen sie zu Forschungszwecken Seitenaufprallträger her, die heutzutage einer Autotür bei einem Unfall mehr Stabilität verleihen – zum Erforschen allerdings etwas kleiner und handlicher als tatsächliche Autobauteile.
Die Träger sollen möglichst leicht und gleichzeitig möglichst fest sein, deshalb werden sie pressgehärtet. Bei dem Verfahren, das heute bereits Standard in der Automobilindustrie ist, wird Stahlblech erst auf rund 1000°C erhitzt, in diesem warmen (aber noch längst nicht flüssigen Zustand) in seine Form gepresst und anschließend schnell abgekühlt. Dabei verändert es seine Mikrostruktur – unter dem Mikroskop ist gut zu erkennen, dass sich ein feines, nadelförmiges Gefüge gebildet hat, das zu der gewünschten hohen Festigkeit führt –, und so ist ein pressgehärtetes Bauteil ist drei bis fünf Mal so fest wie ein Bauteil, das bei Raumtemperatur in seine Form gebracht wurde.

Die Platine wird aus dem Ofen in die Presse gelegt

Die Wissenschaftler an der TU Dortmund wollen diesen Prozess besser verstehen und kontrollieren. In ihrer Versuchsanlage stellen sie kleine Seitenaufprallträger her und untersuchen anschließend im Labor, welche Eigenschaften sie haben.
Zuerst erwärmen sie dazu eine flache Stahlplatine, einen knapp armlangen Rohling, oval mit vier ausgesparten Ecken. Wenn sie rund 1000°C Temperatur erreicht hat, ist Tempo gefragt: Ein Mitarbeiter öffnet den Hochtemperaturofen, ein anderer in Schutzkleidung nimmt die Platine mit einer Zange heraus und legt sie so schnell wie möglich in die Presse, denn mit jedem Augenblick an der Luft kühlt das Metall ab und wird schwerer umzuformen.
Ein gewaltiger Pressstempel fährt schließlich nach unten und drückt die heiße Platine für zehn Sekunden in ihre Form; dabei wird er durch Wasserkanäle gekühlt, sodass der Platine während des Pressvorgangs ungefähr 30°C pro Sekunde entzogen werden – dieses schnelle Abkühlen ist es, was den Stahl hart macht: Der im Stahl enthaltene Kohlenstoff verteilt sich durch das Aufwärmen gleichmäßig im und wird durch das schnelle Abkühlen regelrecht eingeklemmt; dadurch entstehen auf Mikroebene große Verspannungen, die zu hoher Festigkeit und Härte führen.

Wenn das Bauteil ausgekühlt ist, zerteilen es die Ingenieure im Labor und analysieren es unter dem Mikroskop. Sie wollen herausfinden, wie die verschiedenen Parameter des Umformprozesses (wie eta Temperatur, Druck und Geschwindigkeit beim Umformen oder die Art der Kühlung) die Festigkeit und die Struktur des Bauteils beeinflussen.

Juniorprofessor Alexander Brosius und Reporter Aeneas Rooch (r.) beim Hammer-Test

Um einen Eindruck davon zu bekommen, dass das pressgehärtete Bauteil wirklich fester ist als ein in kaltem Zustand in seine Form gebrachtes, macht Reporter Aeneas Rooch einen brutalen Belastungstest: Mit einem Hammer versucht er, eine Delle in jeweils einen pressgehärteten und einen kalt umgeformten Seitenaufprallträger zu schlagen. Und tatsächlich: Beim pressgehärteten Bauteil platzt nach drei Hammerschlägen nur leicht die Oberfläche ab, während bei dem anderen Träger bereits ein fester Hammerschlag eine deutliche Macke im Metall hinterlässt.

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