Magnesiumlegierungsstanzen für die Automobilindustrie: Der Vorteil des Warmumformens – Warmumformen von Magnesiumlegierungssheet für leichtgewichtige Automobiltüren

Zusammenfassung

Das Stanzformen von Magnesiumlegierungen steht an der Spitze des automobilen Leichtbaus und ermöglicht Bauteile, die 33 % leichter als Aluminium und 75 % leichter als Stahl sind. Während das herkömmliche Kaltstanzen aufgrund der hexagonal dicht gepackten (HCP) Kristallstruktur von Magnesium versagt, ermöglicht die Warmumformungstechnologie (200 °C–300 °C) die Aktivierung von nicht-basalen Gleitsystemen, wodurch komplexe Formgebungen realisierbar werden. Die branchenübliche Legierung AZ31B , wird mittlerweile für Innentüren, Sitzgestelle und Querträger eingesetzt, um die Reichweite von Elektrofahrzeugen (EV) zu verlängern. Dieser Leitfaden behandelt die entscheidenden Prozessparameter, die Materialauswahl und die erforderlichen Machbarkeitsdaten, um den Übergang von schweren Gussteilen zu leichten Schmiedestanzzügen zu schaffen.

Der ingenieurtechnische Fall: Warum Magnesium stanzen?

Im Wettlauf um die Maximierung der Reichweite von Elektrofahrzeugen haben Ingenieure die einfachen Verbesserungsmöglichkeiten mit Aluminium weitgehend ausgeschöpft. Magnesium (Mg) ist der logische nächste Schritt. Mit einer Dichte von nur 1,74 g/cm³ gegenüber 2,70 g/cm³ bei Aluminium ist Magnesium das leichteste verfügbare Konstruktionsmetall. Der Ersatz von Stahlbauteilen durch magnesiumgeformte Stanzteile kann Gewichtsreduktionen von bis zu 75 % ermöglichen, während der Wechsel von Aluminium etwa 33 % Einsparung bringt.

Über die reine Massereduzierung hinaus bietet Magnesiumblech eine überlegene dämpfungsfähigkeit —die Fähigkeit, Vibrationen und Geräusche zu absorbieren. Für Karosserie-in-Weiß-(BIW)-Anwendungen führt dies zu einer verbesserten NVH-Performance (Noise, Vibration and Harshness) ohne zusätzliche, schwere akustische Dämmung. Im Gegensatz zu Kohlefaser, die Recyclingprobleme verursacht, ist Magnesium vollständig recycelbar und entspricht damit den Anforderungen der Kreislaufwirtschaft für Automobil-OEMs.

Historisch war die Verwendung von Magnesium auf Druckguss (Motorblöcke, Getriebegehäuse) beschränkt. Gesiegelte (verformte) Magnesiumteile weisen jedoch deutlich bessere mechanische Eigenschaften auf, da sie die bei Gussverfahren inhärente Porosität vermeiden. Dadurch eignet sich gesiegeltes Magnesium ideal für große, dünnwandige Strukturbauteile, die eine hohe spezifische Festigkeit erfordern.

Der kritische Prozess: Warmumformtechnologie

Die Hauptbarriere beim Stanzen von Magnesium ist seine Kristallstruktur. Bei Raumtemperatur besitzt Magnesium ein hexagonal dichtestgepacktes (HCP)-Gitter mit begrenzten Gleitsystemen (hauptsächlich basale Gleitung), wodurch es spröde ist und bei Verformung leicht reißt. Herkömmliche Kaltstanzeverfahren, wie sie bei Stahl verwendet werden, führen zu sofortigem Versagen.

Die Lösung ist Warmumformen . Durch Erwärmen der Magnesiumfolie und des Werkzeugs auf einen bestimmten Bereich von 200°C bis 300°C (392°F–572°F) , zusätzliche Gleitsysteme (prismatisch und pyramidal) werden thermisch aktiviert. Dies erhöht die Duktilität erheblich, wodurch tiefe Ziehungen und komplexe Geometrien möglich werden, die bei Raumtemperatur nicht realisierbar sind.

Wesentliche Prozessparameter

• Temperaturregler: Eine gleichmäßige Erwärmung ist entscheidend. Eine Abweichung von nur ±10 °C kann zu lokalem Einschnürungsversagen oder Bruch führen. Sowohl das Blech als auch der Werkzeugteil werden üblicherweise erwärmt.
• Schmierung: Herkömmliche Ölschmierstoffe zersetzen sich bei diesen Temperaturen. Es sind spezielle hitzebeständige Schmierstoffe erforderlich, die oft Molybdändisulfid (MoS2) oder Graphit enthalten, um Kaltverschweißung zu verhindern.
• Formgeschwindigkeit: Im Gegensatz zum Hochgeschwindigkeitsstanzen von Stahl erfordert das Warmumformen von Magnesium oft langsamere Pressengeschwindigkeiten (z. B. 20 mm/s gegenüber Hunderten von mm/s), um die Dehnungsraten zu kontrollieren und Risse zu vermeiden, obwohl aktuelle Forschungs- und Entwicklungsarbeiten die Taktzeiten verbessern.

Werkstoffauswahl: AZ31B und Blechproduktion

AZ31B (ca. 3 % Aluminium, 1 % Zink) ist die Standardlegierung für Automobil-Magnblech. Sie bietet die beste Kombination aus Festigkeit, Duktilität und Schweißbarkeit. Ihre Streckgrenze liegt typischerweise bei etwa 200 MPa, bei einer Zugfestigkeit von 260 MPa, wodurch sie wettbewerbsfähig gegenüber Baustählen und einigen Aluminiumsorten ist.

Eine erhebliche Herausforderung war bisher die Kosten für die Herstellung von Magnblech. Herkömmliche Walzverfahren sind aufgrund des Bedarfs an mehreren Glühprozessen teuer. Innovative extrusions-Flachung verfahren gewinnen jedoch an Bedeutung. Bei diesem Verfahren wird ein Magnrohr extrudiert, aufgeschnitten und zu einem Blech abgeflacht, wodurch die Produktionskosten im Vergleich zum konventionellen Walzen potenziell um 50 % gesenkt werden könnten. Diese Kostensenkung ist entscheidend, um Magnum-Stanzen kommerziell für Massenfahrzeuge und nicht nur für Luxus-Sportwagen rentabel zu machen.

Vergleichsanalyse: Stanzformen vs. Druckguss

Entwicklungsingenieure im Automobilbereich verwechseln Magnesium-Druckguss oft mit Stanzformen. Obwohl beide das gleiche Basis-Metall verwenden, unterscheiden sich die Anwendungen und Eigenschaften erheblich.

Entscheidung Matrix: Wählen Sie das Stanzen für große, flache Strukturbauteile wie Innentüren, Motorhauben und Dächer. Wählen Sie das Druckgießen für komplexe, klobige Teile wie Lenksäulengehäuse oder Getriebegehäuse.

Vom Prototyp bis zur Massenproduktion

Der Wechsel zum Magnesium-Stanzen erfordert spezialisierte Partner, die die thermischen Besonderheiten des Materials verstehen. Es ist nicht so einfach, eine Stahlspule durch Magnesium an einer bestehenden Anlage auszutauschen. Die Werkzeuge müssen sich an die thermische Ausdehnung anpassen, und die Pressparameter müssen präzise gesteuert werden.

Für OEMs und Tier-1-Lieferanten, die diese Technologie validieren möchten, ist die Zusammenarbeit mit einem erfahrenen Fertigungspartner unerlässlich. Shaoyi Metal Technology bietet umfassende automotive Stanzlösungen, die die Lücke vom schnellen Prototyping bis zur Serienproduktion schließen. Mit IATF-16949-Zertifizierung und Presskapazitäten von bis zu 600 Tonnen können präzise Komponenten wie Querlenker und Subframes geliefert werden, wobei strenge globale Standards eingehalten werden. Ob Sie ein warmumgeformtes Prototyp verifizieren oder die Produktion hochfahren müssen – das technische Know-how gewährleistet die Machbarkeit komplexer Leichtbaukonstruktionen.

Anwendungen und Zukunftsaussichten

Die Einführung des Magnesiumstanzens beschleunigt sich. Aktuelle Serienanwendungen umfassen:

• Sitzrahmen: Ersetzen von Stahlrahmen, um 5–8 kg pro Fahrzeug einzusparen.
• Innentürenverkleidungen: Verwendung von warmumgeformtem AZ31B, um steife, leichte Träger herzustellen.
• Querträger: Integration mehrerer Teile in eine einzige gestanzte Magnesiumstruktur.
• Dachverkleidungen: Senkung des Schwerpunkts für verbesserte Fahreigenschaften.

Da das Gewicht der EV-Batterien weiterhin kritisch ist, steigt die Bereitschaft der Automobilhersteller, eine „Leichtbauprämie“ zu zahlen. Wir erwarten, dass die Kosten für Magnesiumbleche sinken werden, sobald das Extrusions-Flachwalzverfahren skalierbar wird, wodurch warmgeformtes Magnesium zur Standardlösung für die nächste Generation elektrischer Fahrzeugplattformen wird.

Die Grenze des Leichtbaus

Magnesiumlegierungs-Stanzen ist längst keine bloße Forschungs- und Entwicklungs-Kuriosität mehr; es ist eine tragfähige und notwendige Technologie für die Zukunft des Automobildesigns. Durch die Beherrschung des Warmumformverfahrens und die Auswahl der richtigen Legierungen wie AZ31B können Hersteller Gewichtseinsparungen erzielen, die mit Aluminium nicht zu erreichen sind. Diese Umstellung erfordert zwar Investitionen in beheizte Werkzeuge und Prozesskontrolle, doch der Nutzen – leichtere, effizientere und fahrdynamisch überlegene Fahrzeuge – ist unbestreitbar.

Häufig gestellte Fragen

1. Was ist der Unterschied zwischen Magnesium-Stanzen und Druckguss?

Das Stanzen ist ein Festkörperverfahren, bei dem Bleche in Form gebracht werden, ideal für dünne, große Bauteile wie Autotüren oder Dächer. Es erzeugt Teile ohne Porosität und mit höherer Festigkeit. Beim Druckgießen wird geschmolzenes Magnesium in eine Form eingespritzt, was sich besser für komplexe, klobige 3D-Formen wie Motorblöcke eignet, jedoch oft zu geringerer struktureller Integrität aufgrund von Luftporen führt.

2. Warum erfordert Magnesium warmes Umformen?

Magnesium weist eine hexagonal dichteste Packung (HCP) Kristallstruktur auf, die seine Verformbarkeit bei Raumtemperatur begrenzt. Kaltumformung führt normalerweise zu Rissen. Durch Erhitzen des Materials auf 200 °C–300 °C werden zusätzliche Gleitsysteme im Kristallgitter aktiviert, wodurch das Metall duktil genug wird, um bruchfrei zu komplexen Automobilteilen umgeformt zu werden.

3. Wie viel leichter ist Magnesium im Vergleich zu Aluminium?

Magnesium ist ungefähr 33 % leichter als Aluminium und etwa 75 % leichter als Stahl. Diese erhebliche Gewichtsreduktion macht es zum effektivsten strukturellen Metall zur Reichweitenverlängerung von Elektrofahrzeugen.