Zusammenfassung

Das Stanzen von hochfestem Stahl (HSS) ist ein entscheidender Fertigungsprozess, der der Automobilindustrie hilft, zwei Ziele gleichzeitig zu erreichen: die Maximierung der Kraftstoffeffizienz durch Leichtbau und die Einhaltung strenger Crashtest-Sicherheitsstandards. Durch den Einsatz fortschrittlicher Stahlsorten wie Dual-Phase (DP) und TRIP-Stähle können Hersteller dünnere Materialdicken verwenden, ohne die strukturelle Integrität zu beeinträchtigen.

Diese Festigkeit hat jedoch einen Preis: eine geringere Umformbarkeit und erhebliche elastische Rückfederung (Springback). Eine erfolgreiche Umsetzung erfordert eine umfassende Modernisierung der Pressenanlage – von einer höheren Presskraft und spezialisierten Zuführgeraden bis hin zu fortschrittlicher Simulationssoftware zur Kompensation des Springbacks. Dieser Leitfaden beleuchtet die Werkstoffkunde, die Anforderungen an die Ausrüstung sowie die Prozessstrategien, die notwendig sind, um das Stanzen von hochfestem Stahl in der Automobilfertigung zu beherrschen.

Die Werkstofflandschaft: Von HSLA bis UHSS

Der Begriff „Hochfester Stahl“ ist ein umfassender Oberbegriff, der mehrere unterschiedliche Generationen metallurgischer Entwicklung umfasst. Für Automobilingenieure ist die Unterscheidung zwischen diesen Kategorien entscheidend für die richtige Anwendung und den Werkzeugdesign.

HSLA (Hochfester niedriglegierter Stahl)

HSLA-Stähle bilden die Grundlage für moderne Strukturbauteile. Sorten wie HSLA 50XF (350/450) weisen Streckgrenzen von etwa 50.000 PSI (350 MPa) auf. Diese werden durch Mikrolegierungen mit Elementen wie Vanadium oder Niob erreicht, nicht allein durch Kohlenstoff. Obwohl sie fester als Baustahl sind, behalten sie im Allgemeinen eine gute Umformbarkeit und Schweißbarkeit, wodurch sie für Fahrgestellkomponenten und Verstärkungen geeignet sind.

AHSS (Advanced High-Strength Steel)

AHSS stellt den eigentlichen Sprung in der automobilen Leistungsfähigkeit dar. Diese Stähle verfügen über mehrphasige Gefüge, die einzigartige mechanische Eigenschaften ermöglichen.

• Zweiphasen (DP): Der derzeitige „Arbeitspferd“ der Industrie (z. B. DP350/600). Sein Gefüge besteht aus harten Martensitinseln, die in einer weichen Ferritmatrix verteilt sind. Diese Kombination sorgt für eine niedrige Streckgrenze zur besseren Umformbarkeit, aber hohe Verfestigungsraten für die endgültige Bauteilfestigkeit.
• TRIP (Verformungsinduzierte Plastizität): Diese Stähle enthalten zehrende Austenitphasen, die sich bei mechanischer Belastung in Martensit umwandeln während bei Verformung. Dies ermöglicht außergewöhnliche Dehnung und Energieabsorption, wodurch sie ideal für Crashzonen sind.

UHSS (Ultra-Hochfester Stahl)

Wenn die Zugfestigkeiten 700–800 MPa überschreiten, gelangt man in den Bereich von UHSS. Martensitische Sorten und Presshärtende Stähle (PHS) wie Borstahl fallen hierunter. Diese Werkstoffe sind oft so fest, dass sie nicht effektiv kaltumgeformt werden können, ohne zu reißen, was zur Einführung von Heißumformtechnologien geführt hat.

Pressen- und Ausrüstungsanforderungen: Die versteckten Kosten

Der Wechsel von Baustahl zu hochfester Stahl beim Automotive-Stanzen anwendungen erfordern mehr als nur stärkere Matrizen; sie verlangen eine umfassende Betriebsprüfung.

Der Tonnen-Multiplikator

Die Festigkeit des Materials steht in direktem Zusammenhang mit der zum Verformen erforderlichen Kraft. Eine Faustregel für Ingenieure besagt, dass das Stanzen von DP800 etwa die doppelte Presskraft von HSLA 50XF bei gleicher Bauteilgeometrie erfordert. Mechanische Pressen, die für Weißstahl ausreichend waren, laufen oft ins Stocken oder verfügen nicht über die nötige Energiekapazität am unteren Hubpunkt beim Bearbeiten dieser Sorten.

Bewältigung von Durchbruchstößen

Eines der schädlichsten Phänomene beim HSS-Stanzen ist der sogenannte "Durchbruchstoß" oder negative Presskraft. Wenn ein hochfester Werkstoff bricht (geschnitten wird), setzt die gespeicherte potenzielle Energie sich schlagartig frei. Dies sendet eine starke Druckwelle durch die Pressestruktur zurück, wodurch Zug-/Druckbelastungen auf Bolzen und Lager entstehen, für die diese nicht ausgelegt sind. Die Reduzierung von Durchbruchstößen erfordert oft hydraulische Dämpfer oder eine Verlangsamung der Presse, was die Produktionsleistung beeinträchtigt.

Upgrades der Zuführungsanlage

Das Bandzuführsystem ist oft eine unterschätzte Engstelle. Standardrichtmaschinen, die für Baustahl konzipiert sind, können die Walzwölbung von hochfesten Werkstoffen nicht effektiv beseitigen. Die Verarbeitung von HSS erfordert Richtmaschinen mit:

• Kleineren Arbeitswalzen-Durchmessern: Um das Material stärker zu biegen.
• Engerem Walzenabstand: Um ausreichende wechselnde Spannungen aufzubringen.
• Größeren Stützwalzen: Um ein Durchbiegen der Arbeitswalzen unter dem hohen Druck zu verhindern.

Prozessherausforderungen: Wärme, Verschleiß und Umformbarkeit

Die physikalischen Gegebenheiten beim Umformen ändern sich stark mit steigender Streckgrenze. Reibung erzeugt deutlich mehr Wärme, und das Fehlerfenster wird enger.

Thermische Aufheizung und Reibung

Beim Stanzen verschwindet Energie nicht einfach; sie wandelt sich in Wärme um. Laut branchenspezifischen Daten können beim Umformen von 2 mm Baustahl Temperaturen von etwa 120 °F (50 °C) an der Matrizenkante entstehen, während beim Umformen von DP1000 die Temperaturen auf 210 °F (100 °C) oder höher ansteigen können. Dieser thermische Anstieg kann herkömmliche Schmierstoffe zersetzen und zu direktem Metall-auf-Metall-Kontakt führen.

Werkzeugverschleiß und Kaltverschweißung

Die höheren Kontaktbelastungen, die zur Umformung von hochfesten Stählen (AHSS) erforderlich sind, führen zu beschleunigtem Werkzeugverschleiß. „Kaltverschweißung“ – bei der Material aus dem Blech am Werkzeug haftet – ist ein häufiger Ausfallmechanismus. Sobald ein Werkzeug anfängt, Kaltverschweißungen zu zeigen, sinkt die Teilequalität rapide ab. Studien zeigen, dass abgenutzte Werkzeuge die Locherweiterungsfähigkeit (ein Maß für die Kantendehnbarkeit) von DP- und TRIP-Stählen um bis zu 50 % verringern können, was zu Rissbildung an den Kanten während Faltungsoperationen führt.

Auswahl des richtigen Partners

Angesichts dieser Komplexität ist die Auswahl eines Fertigungspartners mit dem geeigneten Maschinenportfolio entscheidend. Hersteller wie Shaoyi Metal Technology schließen diese Lücke, indem sie Präzisionspresskapazitäten bis zu 600 Tonnen anbieten, die speziell auf die hohen Pressanforderungen von Automobil-Bauteilen ausgelegt sind. Die IATF-16949-Zertifizierung gewährleistet, dass die strengen Prozesskontrollen, die für AHSS – vom Prototyp bis zur Serienfertigung – erforderlich sind, strikt eingehalten werden.

Springback: Der Feind der Präzision

Springback ist die geometrische Veränderung, die ein Bauteil am Ende des Umformprozesses erfährt, wenn die Umformkräfte abgebaut werden. Bei hochfesten Stählen stellt dies die größte Herausforderung für die Qualität dar.

Die Physik der elastischen Rückfederung

Die elastische Rückfederung ist proportional zur Streckgrenze des Materials. Da AHSS eine Streckgrenze aufweist, die das 3- bis 5-fache von Baustahl beträgt, ist der Springback entsprechend ausgeprägter. Eine Seitenwandwölbung oder Winkelveränderung, die bei Baustahl vernachlässigbar war, führt bei DP600 zu einer erheblichen Toleranzüberschreitung.

Simulation ist zwingend erforderlich

Versuch-und-Irrtum-Methode ist nicht mehr praktikabel. Moderne Werkzeugkonstruktionen basieren auf fortschrittlicher Simulationssoftware (wie AutoForm ) um Springback zu prognostizieren, bevor Stahl überhaupt geschnitten wird. Diese „Digitale Prozesszwillinge“ ermöglichen es Ingenieuren, Kompensationsstrategien – wie Überbiegen oder Materialverschiebung – virtuell zu testen. Der Industriestandard ist mittlerweile, vollständige Springback-Kompensationsschleifen in Software durchzuführen, um eine „Windage“-Oberfläche für die Matrizenmaschinen zu erzeugen.

Zukunftstrends: Warmumformung und Integration mehrerer Bauteile

Mit der Weiterentwicklung der Sicherheitsstandards verlagert sich die Industrie bei ihren kritischsten Anwendungen weg von der Kaltumformung.

Heißumformen (Presshärtung)

Für Bauteile wie A-Säulen und B-Säulen, die Zugfestigkeiten über 1500 MPa erfordern, ist Kaltumformung oft unmöglich. Die Lösung ist die Warmumformung, bei der Borstahl (z. B. Usibor) auf etwa 900 °C erhitzt, im weichen Zustand geformt und anschließend abgeschreckt wird innen der wassergekühlten Matrize. Dieser Prozess erzeugt Bauteile mit extremer Festigkeit und praktisch ohne Springback.

Laserstrahlschweißnahtbleche (LWB)

Hersteller wie ArcelorMittal setzen sich für die Multi-Part-Integration (MPI) unter Verwendung von laser­geschweißten Blankfolien ein. Durch das Schweißen verschiedener Stahlqualitäten (z. B. einer weichen Tiefziehqualität und einer starren UHSS-Qualität) zu einem einzigen Blank vor dem Stanzen können Ingenieure die Leistung bestimmter Bereiche eines Bauteils gezielt anpassen. Dadurch verringert sich die Gesamtanzahl der Bauteile, Montageschritte entfallen und die Gewichtsverteilung wird optimiert.

Fazit: Der Weg zur Beherrschung der Leichtbauweise

Die Beherrschung von Hochfester-Stahl-Stanzprozessen im Automobilbereich ist nicht länger nur ein Wettbewerbsvorteil; sie ist heute eine Grundvoraussetzung für Zulieferer der ersten Ebene. Der Übergang vom Weichstahl zu AHSS und UHSS erfordert einen kulturellen Wandel in der Fertigung – weg von empirischen „Tryout“-Methoden hin zu datengestützter, simulationsgeführter Entwicklung.

Der Erfolg in diesem Bereich beruht auf drei Säulen: robuste Ausrüstung die in der Lage ist, hohe Presskräfte und Stöße zu bewältigen; fortschrittliche Simulation um Rückfederung vorherzusagen und auszugleichen; und materialkompetenz um die Abwägungen zwischen Festigkeit und Umformbarkeit zu bewältigen. Da Fahrzeugdesigns weiterhin auf leichtere, sicherere Strukturen abzielen, wird die Fähigkeit, diese schwierigen Materialien effizient zu stanzen, die führenden Unternehmen der nächsten Generation der Automobilfertigung bestimmen.

Häufig gestellte Fragen

1. Welches Metall eignet sich am besten für das Blechstanzen im Automobilbereich?

Es gibt kein einziges „bestes“ Metall; die Wahl hängt von der jeweiligen Anwendung ab. HSLA eignet sich hervorragend für allgemeine strukturelle Bauteile aufgrund des guten Kostennutzen-Verhältnisses und der Festigkeit. Dualphasen (DP) stahl wird häufig für kritische Crash-Bauteile wie Längsträger und Querverstrebungen bevorzugt, da er eine hohe Energieaufnahme bietet. Für Karosserieteilflächen (z. B. Kotflügel, Motorhauben) werden weichere Backverfestigende (BH) stähle verwendet, um Oberflächenqualität und Dellenbeständigkeit sicherzustellen.

2. Können Bauteile aus hochfestem Stahl repariert werden?

Im Allgemeinen nein. Teile aus Ultra-Hochfester Stahl (UHSS) oder gehärteter Borstahl sollte typischerweise nicht repariert, erhitzt oder geteilt werden. Die Hitze beim Schweißen oder Richten kann die sorgfältig konstruierte Mikrostruktur zerstören und dadurch die Crasheigenschaften des Bauteils erheblich verschlechtern. Die Reparaturrichtlinien der Fahrzeughersteller schreiben in der Regel den vollständigen Austausch dieser Komponenten vor.

3. Was ist der Hauptunterschied zwischen HSLA und AHSS?

Der Hauptunterschied liegt in ihrer Mikrostruktur und Verstärkungsmechanismus. HSLA (Hochfester niedriglegierter Stahl) nutzt Mikrolegierungselemente (wie Niob) zur Steigerung der Festigkeit in einer einphasigen Ferritstruktur. AHSS (Werkstoffe mit fortgeschrittener Hochfestigkeit) nutzen komplexe mehrphasige Mikrostrukturen (wie Ferrit plus Martensit bei DP-Stahl), um eine überlegene Kombination aus hoher Festigkeit und Umformbarkeit zu erreichen, die HSLA nicht bieten kann.