Warmstanzung vs. Kaltstanzung von Automobilteilen: Die ingenieurtechnische Entscheidungsanleitung

Zusammenfassung

Die Wahl zwischen Heißumformung und Kaltumformung für Automobilteile hängt grundsätzlich von der Balance zwischen zugfestigkeit , geometrische Komplexität , und herstellungskosten ab. Die Heißumformung (Presshärtung) ist der Industriestandard für sicherheitsrelevante „Body-in-White“-Bauteile wie A-Säulen und Türrahmen, bei denen Borstahl auf 950 °C erhitzt wird, um ultrahohe Festigkeiten (1.500+ MPa) mit null Federrücklauf zu erreichen, jedoch bei längeren Taktzeiten (8–20 Sekunden). Die Kaltumformung bleibt führend in Bezug auf Effizienz für hochvolumige Fahrwerk- und Strukturbauteile und bietet niedrigere Energiekosten sowie hohe Produktionsgeschwindigkeiten, steht aber vor Herausforderungen beim Federrücklauf beim Umformen moderner hochfester Stähle (AHSS) mit 1.180 MPa.

Der Kernmechanismus: Wärme vs. Druck

Auf ingenieurtechnischer Ebene verläuft die Grenze zwischen diesen beiden Verfahren entlang der rekristallisationstemperatur des Metalls. Diese thermische Schwelle bestimmt, ob sich die Mikrostruktur des Stahls während der Verformung verändert oder lediglich durch mechanische Beanspruchung härtet.

Warmstempel , auch bekannt als Presshärtung, beinhaltet das Erwärmen des Zuschnitts über seine Austenitisierungstemperatur (typischerweise 900–950 °C), bevor die Formgebung erfolgt. Der entscheidende Punkt ist, dass Formgebung und Abschrecken gleichzeitig innerhalb der wassergekühlten Form stattfinden. Diese schnelle Abkühlung wandelt die Mikrostruktur des Stahls von Ferrit-Perlit in martensit , die härteste Phase des Stahls. Das Ergebnis ist ein Bauteil, das weich und formbar in die Presse eingeht, aber als ultrahochfester Sicherheitsschild austritt.

Kaltes Wälzen erfolgt bei Raumtemperatur (deutlich unterhalb des Rekristallisationspunkts). Es basiert auf kaltverfestigung (oder Verfestigung), bei der die plastische Verformung selbst das Kristallgitter verschiebt, um die Festigkeit zu erhöhen. Obwohl moderne Kaltumformpressen – insbesondere Servo- und Transfersysteme – enorme Presskräfte (bis zu 3.000 Tonnen) aufbringen können, ist die Umformbarkeit des Materials durch seine anfängliche Duktilität begrenzt. Im Gegensatz zum Warmumformen, das den Materialzustand durch Wärme „zurücksetzt“, muss beim Kaltumformen gegen die natürliche Tendenz des Metalls angekämpft werden, in seine ursprüngliche Form zurückzukehren – ein Phänomen, das als Federrücklauf bekannt ist.

Warmumformen (Presshärtung): Die Sicherheitszellen-Lösung

Das Warmumformen ist heute untrennbar mit der automobilen „Sicherheitszelle“ verbunden. Angesichts strengerer Emissionsvorschriften, die Leichtbau erfordern, und verschärfter Crashtest-Normen setzen OEMs zunehmend auf Presshärtung, um dünnere, aber stärkere Bauteile herzustellen, die den Insassenschutz nicht beeinträchtigen.

Der Prozess: Austenitisierung und Abschrecken

Das Standardmaterial für diesen Prozess ist 22MnB5-Boronstahl . Der Prozessablauf ist deutlich und energieintensiv:

1. Erwärmung: Rohlinge durchlaufen einen Rollenherdofen (oft über 30 Meter lang), um eine Temperatur von etwa 950 °C zu erreichen.
2. Transfervorgang: Roboter bewegen die glühenden Rohlinge schnell in die Presse (Übertragungszeit <3 Sekunden, um eine vorzeitige Abkühlung zu verhindern).
3. Umformen und Abschrecken: Der Werkzeugverschluss formt das Bauteil, während es gleichzeitig mit einer Abkühlrate von >27 °C/s abgeschreckt wird. Diese „Haltezeit“ im Werkzeug (5–10 Sekunden) ist der Engpass bei der Taktzeit.

Der „Keine Rückfederung“-Vorteil

Der entscheidende Vorteil des Warmumformens ist die Maßhaltigkeit. Da das Bauteil heiß und duktil umgeformt und dann während der martensitischen Umwandlung „eingefroren“ wird, tritt praktisch keine Rückfederung auf. Dies ermöglicht komplexe Geometrien wie einteilige Türringe oder komplizierte B-Säulen, die kalt nicht ohne starke Verzugsbildung oder Rissbildung gestanzt werden könnten.

Typische Anwendungen

• A-Säulen und B-Säulen: Kritisch für den Überschlagschutz.
• Dachträger und Türgriffe: Mehrere Teile zu einzelnen hochfesten Bauteilen integrieren.
• Stoßfänger und Aufprallträger: Erfordern oft Streckgrenzen über 1.200 MPa.

Kaltumformung: Der Effizienz-Motor

Während die Warmumformung bei Endfestigkeit und Komplexität die Nase vorn hat, dominiert die Kaltumformung in puncto mengeneffizienz und betriebskosten . Für Bauteile, die keine komplexen, tiefgezogenen Geometrien auf Gigapascal-Festigkeitsniveau erfordern, ist die Kaltumformung die wirtschaftlich überlegene Wahl.

Der Aufstieg der 3. Generation AHSS

Historisch gesehen war die Kaltumformung auf weichere Stähle beschränkt. Mit dem Aufkommen der dritte Generation hochfester Stähle (AHSS) , wie zum Beispiel Quench and Partition (QP980) oder TRIP-unterstütztes Bainitisches Ferrit (TBF1180), hat die Lücke geschlossen. Diese Werkstoffe ermöglichen, dass kaltumgeformte Bauteile Zugfestigkeiten von 1.180 MPa oder sogar 1.500 MPa erreichen, wodurch sie in Bereiche vordringen, die bisher dem Warmumformen vorbehalten waren.

Geschwindigkeit und Infrastruktur

Eine Kaltumformlinie, die typischerweise Progressiv- oder Transferwerkzeuge verwendet, arbeitet kontinuierlich. Im Gegensatz zur Stop-and-Go-Arbeitsweise des Presshärtens (mit Wartezeit für den Abschreckvorgang) können Kaltumformpressen mit hohen Hubzahlen betrieben werden und Teile in Bruchteilen einer Sekunde produzieren. Es gibt keinen Ofen, der beheizt werden muss, was den Energieverbrauch pro Bauteil erheblich reduziert.

Für Hersteller, die diese Effizienz bei hochvolumigen Komponenten nutzen möchten, ist die Zusammenarbeit mit einem leistungsfähigen Zulieferer entscheidend. Unternehmen wie Shaoyi Metal Technology überbrücken die Lücke zwischen Prototyping und Serienproduktion und bieten präzises Stanzpressen nach IATF-16949-Zertifizierung mit Presskapazitäten bis zu 600 Tonnen. Ihre Fähigkeit, komplexe Querträger und Lenkgestänge herzustellen, zeigt, wie modernes Kaltstanzen strenge OEM-Normen erfüllen kann.

Die Rückfederungsherausforderung

Die primäre ingenieurtechnische Hürde beim Kaltstanzen von hochfestem Stahl ist rückfedern . Mit steigender Festigkeit nimmt die elastische Rückfederung nach dem Umformen zu. Werkzeugkonstrukteure müssen ausgeklügelte Simulationssoftware nutzen, um „kompensierte“ Werkzeuge zu entwerfen, die das Metall überbiegen, in Erwartung, dass es in die korrekte Toleranz zurückfedert. Dadurch wird der Werkzeugbau für kaltumgeformte AHSS deutlich kostspieliger und iterativer als beim Heißumformen.

Kritische Vergleichsmatrix

Für Einkäufer und Ingenieure läuft die Entscheidung oft auf einen direkten Abwägungsprozess zwischen Leistungskennzahlen und Produktionseffizienz hinaus. Die folgende Tabelle fasst den allgemeinen Konsens für automobilspezifische Anwendungen zusammen.

Technologische Konvergenz: Die Lücke schließt sich

Die binäre Unterscheidung zwischen „heiß“ und „kalt“ wird immer flexibler. In der Industrie zeichnet sich eine Konvergenz ab, bei der neue Technologien die Nachteile beider Verfahren zu verringern versuchen.

• Presshärtende Stähle (PQS): Dies sind Hybridwerkstoffe, die für das Warmumformen konzipiert sind, aber so ausgelegt sind, dass sie etwas Duktilität behalten (im Gegensatz zu vollständig sprödem Martensit). Dies ermöglicht „maßgeschneiderte Eigenschaften“ innerhalb eines einzelnen Bauteils – starr in der Aufprallzone, aber duktil in der Knautschzone, um Energie zu absorbieren.
• Kaltumformbarer 1500 MPa: Stahlhersteller führen kaltumformbare martensitische Sorten (MS1500) ein, die ohne Ofen die Festigkeitswerte von warmumgeformten Stählen erreichen können. Diese sind jedoch derzeit auf einfache Formen wie profilgebogene Sitzbankrahmen oder Stoßfängerträger beschränkt, da ihre Umformbarkeit extrem gering ist.

Letztendlich priorisiert die Entscheidungsmatrix geometrie . Wenn das Bauteil eine komplexe Form aufweist (Tiefziehen, enge Radien) und eine Festigkeit von >1.000 MPa erfordert, ist das Heißpressen oft die einzige machbare Option. Wenn die Geometrie einfacher ist oder die Festigkeitsanforderung <1.000 MPa beträgt, bietet das Kaltumformen erhebliche Vorteile in Bezug auf Kosten und Geschwindigkeit.

Fazit: Den richtigen Prozess wählen

Die Debatte „Heiß- versus Kaltumformen“ dreht sich nicht darum, welcher Prozess überlegen ist, sondern darum, das Fertigungsverfahren an die Funktion des Bauteils in der Fahrzeugarchitektur anzupassen. Das Heißpressen bleibt der unangefochtene König des Sicherheitskäfigs – unverzichtbar für den Passagierschutz durch hochfeste, komplexe Strukturpfosten. Es ist die Premium-Lösung, wo ein Versagen keine Option ist.

Umgekehrt ist das Kaltumformen das Rückgrat der automobilen Massenproduktion. Seine Weiterentwicklung mit AHSS-Materialien der 3. Generation ermöglicht es, einen zunehmenden Anteil struktureller Bauteile zu übernehmen und Gewichtseinsparungen zu erzielen, ohne die längeren Taktzeiten des Presshärtens in Kauf nehmen zu müssen. Für Einkaufsteams ist die Strategie klar: Presshärten für komplexe, eindringungsresistente Sicherheitsbauteile vorschreiben und Kaltumformen für alle anderen Anwendungen maximieren, um die Programmkosten wettbewerbsfähig zu halten.

Häufig gestellte Fragen

1. Was ist der Unterschied zwischen Heiß- und Kaltumformen?

Der Hauptunterschied liegt in der Temperatur und der Materialumwandlung. Warmstempel erwärmt das Metall auf ca. 950 °C, um seine Mikrostruktur zu verändern (Martensitbildung), wodurch die Herstellung komplexer, ultrahochfester Bauteile ohne Federrücklauf möglich wird. Kaltes Wälzen formt Metall bei Raumtemperatur unter hohem Druck und nutzt dabei die Kaltverfestigung. Es ist schneller und energieeffizienter, jedoch durch Federrücklauf und geringere Umformbarkeit bei hochfesten Werkstoffen begrenzt.

2. Warum wird Heißumformen für Fahrzeug-A-Säulen verwendet?

A-Säulen erfordern eine einzigartige Kombination aus komplexe Geometrie (um der Fahrzeuggestaltung und den Sichtlinien gerecht zu werden) und extrem stabile Konstruktion (um ein Einstürzen des Daches bei einem Überschlag zu verhindern). Das Heißumformen ermöglicht es, dass 22MnB5-Stahl in diese komplexen Formen gebracht wird, während Zugfestigkeiten von über 1.500 MPa erreicht werden – eine Kombination, die beim Kaltumformen im Allgemeinen nicht ohne Rissbildung oder starke Verformungen erreichbar ist.

3. Erzeugt das Kaltumformen schwächere Teile als das Heißumformen?

Im Allgemeinen ja, aber die Lücke schließt sich. Traditionelles Kaltumformen erreicht für komplexe Teile meist maximal 590–980 MPa. Moderne aHSS der 3. Generation (Advanced High-Strength Steels) ermöglichen jedoch, dass kaltumgeformte Teile 1.180 MPa oder sogar 1.470 MPa bei einfacheren Geometrien erreichen. Für die höchste Festigkeitsklasse (1.800–2.000 MPa) bleibt das Heißumformen jedoch die einzige kommerzielle Lösung.