Zusammenfassung

Die stoßfänger-Verstärkungs-Stanzprozess für moderne Fahrzeuge wird überwiegend durch Warmstempel (auch bekannt als Presshärtung) erreicht. Diese Methode wandelt Borstahl-Legierungen (typischerweise 22MnB5 ) in Bauteile aus ultrahochfestem Stahl (UHSS) mit Zugfestigkeiten von mehr als 1.500 MPa um. Das Verfahren beinhaltet das Erhitzen der Rohlinge auf über 900 °C , um einen austenitischen Zustand zu erreichen, gefolgt von einem schnellen Transfer in eine wassergekühlte Form, in der Umformung und Abschreckung gleichzeitig erfolgen. Dadurch wird Federrücklauf vermieden und die Herstellung komplexer, leichter und kraftstoffeffizienter Strukturen ermöglicht, die für die Erfüllung globaler Sicherheitsstandards unerlässlich sind.

Die ingenieurtechnische Rolle von Stoßfänger-Verstärkungen

Stoßfänger-Verstärkungen, allgemein als Stoßfängerträger bezeichnet, fungieren als primäres strukturelles Rückgrat des Aufprallmanagementsystems eines Fahrzeugs. Als Verbindungselement zwischen der äußeren Verkleidung und dem Fahrzeugrahmen (häufig über Crashboxen) müssen diese Komponenten bei Front- oder Heckkollisionen kinetische Energie absorbieren und ableiten. Die ingenieurtechnische Herausforderung besteht darin, ein Gleichgewicht zu finden zwischen crashsicherheit mit leichtbau (LW)-Vorgaben, die durch Kraftstoffeffizienzvorschriften und EV-Reichweitenanforderungen vorgegeben sind.

Früher wurden Stoßfängerträger aus unlegiertem Stahl mittels Kaltumformung hergestellt. Die Anforderung nach höheren Sicherheitsbewertungen hat jedoch den Industriestandard hin zu Ultrahochfesten Stählen (UHSS) , insbesondere Bor-Mangan-Legierungen wie 22MnB5. Obwohl Aluminiumlegierungen (Serie 6000 oder 7000) aufgrund ihres hohen Festigkeits-zu-Gewichts-Verhältnisses in einigen Premium-Anwendungen verwendet werden, bleibt Borstahl das dominierende Material aufgrund seines außergewöhnlichen Kosten-Nutzen-Verhältnisses und der Fähigkeit, eine martensitische Härtung zu erreichen.

Die metallurgische Umwandlung ist entscheidend: Der Stahl beginnt mit einer ferritisch-perlitischen Mikrostruktur (Zugfestigkeit ~600 MPa) und wird thermisch behandelt, um eine vollständig martensitische Struktur zu erzielen (Zugfestigkeit >1.500 MPa). Diese Umwandlung ermöglicht es Ingenieuren, die Wanddicke – oft bis auf 1,2 mm–2,0 mm – zu verringern, ohne die strukturelle Integrität zu beeinträchtigen.

Kernprozess: Heißumformung (Presshärtung) – Arbeitsablauf

Die Heißumformung ist der einzige Fertigungsprozess, der in der Lage ist, Stoßfängerträger mit mehr als 1.500 MPa Festigkeit zu formen, ohne die erheblichen Rückfederungseffekte der Kaltumformung zu verursachen. Der Arbeitsablauf ist ein präzise gesteuerter thermischer Zyklus, der Umformung und Wärmebehandlung kombiniert.

1. Austenitisierung (Erhitzen)

Der Prozess beginnt damit, dass vorgeschnittene Rohlinge (häufig mit Al-Si beschichtet, um Zunderbildung zu verhindern) entstapelt und in einen Rollenherdofen eingebracht werden. Die Rohlinge werden auf etwa 900°C–950°C erhitzt und für eine bestimmte Haltezeit gehalten. Diese Wärmebehandlung wandelt die Gefügestruktur des Stahls von Ferrit in austenit austenit um, wodurch das Material hochgradig formbar wird und die Streckgrenze auf etwa 200 MPa abgesenkt wird, was das Umformen erleichtert.

2. Übertragung und Umformen

Sobald der Rohling den Ofen verlässt, ist Geschwindigkeit entscheidend. Roboterübertragungsarme bewegen den glühenden Rohling innerhalb weniger Sekunden (typischerweise <3 Sekunden) in die Pressenmatrize, um ein vorzeitiges Abkühlen zu verhindern. Die hydraulische oder servomechanische Presse schließt sich anschließend schnell. Die Schließgeschwindigkeiten liegen oft im Bereich von 500 bis 1.000 mm/s um sicherzustellen, dass das Material umgeformt wird, bevor die Phasenumwandlung einsetzt.

3. Matrizenhärtung

Dies ist der maßgebliche Schritt des stoßfänger-Verstärkungs-Stanzprozess . Die Form ist mit komplexen internen Kühlkanälen ausgestattet, durch die gekühltes Wasser zirkuliert. Wenn die Presse den unteren Totpunkt (BDC) erreicht, verweilt sie und hält das geformte Bauteil unter hoher Presskraft (typischerweise 500–1.500 Tonnen, abhängig von der Bauteilgröße). Dieser Kontakt leitet Wärme schnell ab und erreicht eine Abkühlgeschwindigkeit von mehr als 27°C/s . Dieses schnelle Abschrecken umgeht die Bildungszonen von Perlit/Bainit und wandelt das Austenit direkt in martensit .

4. Bauteil-Ausstoß

Nach einer Abschreckzeit von etwa 5 bis 10 Sekunden öffnet sich die Presse und das gehärtete Bauteil wird ausgestoßen. Das Bauteil weist nun seine endgültigen mechanischen Eigenschaften auf: extreme Härte, hohe Zugfestigkeit und kein Springback, da die thermischen Spannungen während der Phasenumwandlung abgebaut werden.

Vergleich der Fertigungsmethoden

Während das Heißprägen der Goldstandard für hochleistungsfähige Verstärkungen ist, bleiben Kaltprägen und Walzprofilieren für bestimmte Anwendungen relevant. Das Verständnis der jeweiligen Vor- und Nachteile ist entscheidend für die Auswahl des geeigneten Verfahrens.

Kaltes Wälzen eignet sich gut für niedrigfestere Bauteile oder Kohlenstoffstahlhalterungen, bei denen Kosten und Zykluszeit Vorrang vor Gewichtsreduzierung haben. Die Kaltumformung von UHSS führt jedoch zu starker Werkzeugbeanspruchung und unvorhersehbarem Rückfedern. Rollformen ist effizient für Balken mit konstantem Querschnitt (gerade Balken), kann aber nicht die komplexen, geschwungenen Formen und integrierten Befestigungselemente moderner, aerodynamischer Designs abbilden.

Für Hersteller, die sich zwischen diesen Optionen entscheiden müssen, ist die Wahl des richtigen Fertigungspartners entscheidend. Unternehmen wie Shaoyi Metal Technology schließen diese Lücke, indem sie umfassende Stanzfertigungskapazitäten anbieten. Mit IATF-16949-Zertifizierung und Pressenkapazitäten bis zu 600 Tonnen unterstützen sie Automobilprojekte von der schnellen Prototypenfertigung bis zur Serienproduktion und verarbeiten kritische Strukturbauteile mit der Präzision, die globalen OEM-Standards entspricht.

Nachbearbeitung und Qualitätskontrolle

Die extreme Härte von heißumgeformten Stoßfänger-Verstärkungen führt zu besonderen Herausforderungen bei der nachfolgenden Bearbeitung. Herkömmliche mechanische Schneidwerkzeuge versagen oder verschleißen typischerweise sofort an Stahl mit 1.500 MPa.

Laser-Ausschneiden und -Schneiden

Um die endgültigen Abmessungen zu erreichen und Befestigungslöcher zu schneiden, verwenden Hersteller vorwiegend 5-Achs-Laserschneidanlagen . Diese berührungslose Methode gewährleistet präzise Kanten ohne Mikrorisse, die im Crashfall mögliche Schwachstellen darstellen. Obwohl langsamer als mechanisches Stanzen, bietet das Laserschneiden die erforderliche Flexibilität für verschiedene Stoßfängervarianten auf derselben Produktionslinie.

Oberflächenbehandlung

Wenn das Borstahl-Blech unbeschichtet war, verursachen die hohen Ofentemperaturen eine Oberflächenoxidation (Zunder). Diese Teile müssen vor der E-Coating-Beschichtung sandgestrahlt werden, um eine ordnungsgemäße Haftung sicherzustellen. Alternativ verhindern Al-Si (Aluminium-Silizium) -Vorbeschichtete Bleche die Zunderbildung, erfordern jedoch eine sorgfältige Prozesssteuerung, um eine Ablösung der Beschichtung während der Umformphase zu vermeiden.

Qualitätsprüfung

Strenge Prüfprotokolle sind für Sicherheitsbauteile nicht verhandelbar. Dazu gehören standardmäßige Qualitätskontrollmaßnahmen wie:

• Vickers-Härteprüfung: überprüfung der martensitischen Umwandlung in kritischen Zonen.
• 3D-Blaulicht-Scanning: prüfung der Maßgenauigkeit anhand der CAD-Daten, um sicherzustellen, dass die Befestigungspunkte mit der Karosserie übereinstimmen.
• Mikrostrukturanalyse: periodische zerstörende Prüfungen, um das Fehlen von Bainit oder Ferrit in den belasteten Bereichen zu bestätigen.

Optimierung der Produktionsstrategie

Der Übergang zu wärmegeschweißten Stoßfänger-Verstärkungen stellt eine entscheidende Entwicklung in der Automobilproduktion dar, bei der die Sicherheit der Insassen und die Fahrzeugeffizienz im Vordergrund stehen. Durch die Beherrschung der Variablen Temperatur, Transfertempo und Abschreckdruck liefern Hersteller Bauteile, die extremen Kräften standhalten, während sie gleichzeitig das Gewicht minimieren. Während sich die Stahlqualitäten weiter zu 1.800 MPa und darüber entwickeln, bleibt die Präzision des Umformprozesses der entscheidende Faktor für die Definition der nächsten Generation von Fahrzeugsicherheitsstrukturen.

Häufig gestellte Fragen

1. Was ist der Unterschied zwischen direktem und indirektem Heißprägen?

In direktes Heißumformen , wird das Blech zuerst erhitzt und anschließend in einem einzigen Schritt geformt und abgeschreckt. Dies ist die gängigste Methode für Stoßfängerträger. Indirektes Heißumformen beinhaltet das Kaltumformen des Bauteils zu einer annähernd endgültigen Form, anschließendes Erwärmen und zum Schluss das Einlegen in eine gekühlte Form zum Abschrecken und Kalibrieren. Das indirekte Prägen ermöglicht komplexere Geometrien, ist jedoch aufgrund des zusätzlichen Werkzeugaufwands teurer.

2. Warum wird Bor dem Stahl in Stoßfänger-Verstärkungen zugesetzt?

Bor wird in geringsten Mengen (typischerweise 0,002 %–0,005 %) zugesetzt, um die verhärtungsfähigkeit des Stahls signifikant zu verbessern. Es verzögert die Bildung weicherer Mikrostrukturen wie Ferrit und Perlit während des Abkühlens und stellt sicher, dass der Stahl sich vollständig in hartes Martensit umwandelt, selbst bei den Abkühlgeschwindigkeiten, die in industriellen Umformwerkzeugen erreichbar sind.

3. Können heißgeformte Teile geschweißt werden?

Ja, warmumformte Borstahlteile können verschweißt werden, erfordern jedoch spezifische Parameter. Da die Wärme beim Schweißen die wärmebehandelte Zone lokal ausglühen (weich machen) kann, entsteht ein „weicher Bereich“. Daher muss der Schweißprozess – unabhängig ob Punktschweißen oder Laserschweißen – sorgfältig kontrolliert werden. Häufig wird vor der Montage eine Laserablation angewendet, um die Al-Si-Beschichtung in den Schweißbereichen zu entfernen und so die Schweißfestigkeit sicherzustellen.