Stanzung von Automotive Strukturverstärkungen: Der Engineering-Leitfaden

Zusammenfassung

Das Stanzen von strukturellen Verstärkungen im Automobilbereich ist eine anspruchsvolle Fertigungsdisziplin, die zwei gegensätzliche Anforderungen ausbalancieren muss: maximale Crashsicherheit und minimales Fahrzeuggewicht (Leichtbau). Der Industriestandard für sicherheitsrelevante Bauteile wie A-Säulen und Türrahmen hat sich hin zu Heißumformen (Presshärtung) von Borstählen verschoben, wodurch Zugfestigkeiten von über 1.500 MPa erreicht werden, ohne das Problem des Federeffekts (Springback). Kaltes Wälzen bleibt jedoch entscheidend für Aluminium-Batteriegehäuse von EVs und weniger komplexe Geometrien, bei denen Kosteneffizienz oberste Priorität hat. Erfolg in diesem Bereich erfordert den Umgang mit fortschrittlichen Werkstoffen, die Einhaltung enger Toleranzen und die richtige Auswahl der Pressentonnage für die Serienproduktion.

Die ingenieurtechnische Herausforderung: Warum strukturelle Verstärkungen einzigartig sind

Im Kontext der Karosserie-in-Weiß (BIW) im Automobilbereich sind strukturelle Verstärkungen das Gerüst, das Insassen bei einem Zusammenstoß schützt. Im Gegensatz zu optischen Karosserieteilen (der „Haut“) müssen diese Komponenten – wie A-Säulen, B-Säulen, Schweller, Dachrahmen und Querverstrebungen – immense kinetische Energie absorbieren und umleiten. Die grundlegende ingenieurtechnische Herausforderung liegt in der „Leichtbauauflage“. Da die Emissionsvorschriften strenger werden und Elektrofahrzeuge (EVs) eine maximale Reichweite erfordern, können Ingenieure die Sicherheit nicht einfach erhöhen, indem sie dickere Stahlbleche einsetzen.

Stattdessen verlässt sich die Industrie auf Hochfeste Mehrphasenstähle (AHSS) und Aluminiumlegierungen. Während weicher Stahl typischerweise eine Streckgrenze von etwa 200 MPa bietet, können moderne pressgehärtete Stähle, die in Verstärkungen verwendet werden, 1.500 MPa (ca. 217 ksi) überschreiten. Dadurch können dünnere Blechdicken eingesetzt werden, was das Gewicht reduziert, während die strukturelle Integrität erhalten oder verbessert wird.

Das Stanzen dieser Hochleistungswerkstoffe birgt jedoch erhebliche Fertigungsherausforderungen. Der Hauptgegner beim Kaltstanzen hochfester Werkstoffe ist rückfedern —die Neigung des Metalls, nach dem Entfernen der Umformkraft in seine ursprüngliche Form zurückzukehren. Dies macht das Erreichen enger Toleranzen bei komplexen Geometrien notorisch schwierig und erfordert oft ausgeklügelte Simulationssoftware und Servopressentechnologie zur Kompensation.

Verfahrensvergleich: Heißumformen (Presshärtung) vs. Kaltumformen

Die Wahl zwischen Heiß- und Kaltumformen ist die zentrale Prozessentscheidung für strukturelle Verstärkungen. Jedes Verfahren weist unterschiedliche Mechaniken, Kosten und werkstoffliche Auswirkungen auf.

Heißumformen (Presshärtung)

Das Heißumformen, auch Presshärtung genannt, ist das dominierende Verfahren für sicherheitskritische Karosseriekomponenten. Dabei werden Borstahl-Blechzuschnitte auf etwa 900°C (1.650°F) erhitzt, bis sie einen austenitischen Zustand erreichen. Der glühend heiße Zuschnitt wird dann schnell in eine wassergekühlte Form überführt, wo er gleichzeitig umgeformt und abgeschreckt wird.

Diese schnelle Abkühlung verändert die Gefügestruktur des Stahls von Austenit zu Martensit, wodurch die Geometrie fixiert wird und Rückfederung vollständig eliminiert wird. Laut branchenspezifischen Daten kann dieses Verfahren die Zugfestigkeit von Borstahl von anfänglich 50 ksi auf über 200 ksi (ca. 1.380 MPa) erhöhen. Deshalb erzeugt das Warmumformen sicherheitskritische Bauteile wie Türverstärkungen und Stoßfängerträger, die sowohl äußerst fest als auch dimensionsgenau sind.

Kaltes Wälzen

Die Kaltumformung erfolgt bei Raumtemperatur und nutzt die Plastizität des Materials. Obwohl sie schneller und energieeffizienter ist (keine Erwärmung erforderlich), stößt sie bei ultrahochfesten Werkstoffen aufgrund von Kaltverfestigung und Rückfederung an Grenzen. Fortschritte in der Servopressentechnologie – die eine präzise Steuerung der Stößelgeschwindigkeit und Haltekraft ermöglicht – haben jedoch die Fähigkeiten der Kaltumformung erweitert. Sie bleibt die bevorzugte Methode für Aluminiumbauteile sowie für Strukturteile mit einfacheren Geometrien oder geringeren Festigkeitsanforderungen.

Werkstofftechnologie: AHSS, Borstahl und Aluminium

Die Leistung einer gestanzten Verstärkung wird durch das verwendete Material bestimmt. Die Automobilbranche hat mittlerweile weit über den Einsatz von einfachem Weichstahl hinausgegangen.

Borstahl (22MnB5)

Borstahl ist das Rückgrat des Warmstempels. Die Zugabe von Bor erhöht die Härtefähigkeit erheblich. In seinem Anfangszustand ist es relativ weich und formfähig, aber nach dem Pressgehärtungsprozess wird es außergewöhnlich hart. Diese Doppelform ermöglicht die Erstellung komplexer Formen, die sich zu unnachgiebigen Sicherheitsstrukturen verfestigen.

Aluminiumlegierungen (Serie 5xxx und 6xxx)

Mit dem Aufstieg der Elektrofahrzeuge gewinnt Aluminium an Beliebtheit für Batteriegehäuse und Stoßtürme, um schwere Batteriepacks auszugleichen. Metallstempel spielen bei der Herstellung von Elektrofahrzeugen eine entscheidende Rolle durch die Bildung dieser leichten Legierungen. Allerdings ist Aluminium anfällig für Risse und Risse bei tiefer Ziehung, erfordert spezielle Schmierstoffe und oft mehrere Ziehschritte im Vergleich zu Stahl.

Galvanisierte Stahl<br>

Für strukturelle Fahrzeugunterbodenteile, die Streusalz und Feuchtigkeit ausgesetzt sind, ist Korrosionsbeständigkeit unverzichtbar. Verzinkter Stahl mit einer Zinkschicht wird häufig für Chassisteile und Rahmenteile verwendet. Das Stanzen von verzinkten Materialien erfordert eine sorgfältige Pflege der Werkzeuge, da die Zinkschicht abplatzen (Gallenbildung) und sich an den Werkzeugen ablagern kann, was die Teilequalität beeinträchtigt.

Die Lücke schließen: Vom Prototyp zur Massenproduktion

Die Auswahl eines Stanzpartners für strukturelle Verstärkungen geht nicht nur darum, den günstigsten Stückpreis zu finden; vielmehr kommt es darauf an, einen Lieferanten mit der nötigen Vielseitigkeit zu wählen, der den gesamten Produktlebenszyklus abdecken kann. Automobilprogramme durchlaufen typischerweise eine schnelle Prototypenerstellung, gefolgt von der Validierung in geringen Stückzahlen und schließlich der Serienproduktion in hohen Stückzahlen. Eine zersplitterte Lieferkette, bei der Prototypen von einem Unternehmen und Serienteile von einem anderen hergestellt werden, kann zu kritischen „Übersetzungsfehlern“ bei der Werkzeugauslegung und der Toleranzeinhaltung führen.

Idealerweise sollte ein OEM oder Tier-1-Zulieferer einen Partner beauftragen, der nahtlos skalieren kann. Dazu gehören wesentliche Fähigkeiten wie eine breite Palette an Pressentonnen (z. B. 100 bis 600 Tonnen), um unterschiedliche Bauteilgrößen und Materialdicken abzudecken, sowie internes Werkzeug-Know-how, um den Übergang von Soft-Tools zu progressiven Hartwerkzeugen zu managen.

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Kritische Anwendungen: Schlüsselstrukturelemente

Verschiedene Bereiche des Fahrzeugs erfordern unterschiedliche Umformstrategien basierend auf Lastpfaden und Crashszenarien.

• Die Sicherheitszelle (Pfeiler und Türrahmen): Die A-Säule und B-Säule sind die primären vertikalen Träger, die ein Einstürzen des Daches bei einem Überschlag verhindern. Bei der modernen Fertigung kommen häufig „lasergeschweißte Zuschnitte“ zum Einsatz – dabei werden Bleche unterschiedlicher Dicke vor dem Umformen miteinander verbunden – um eine einzige B-Säule zu schaffen, die oben dick (für mehr Festigkeit) und unten dünner (zur Steuerung der Verformungsmodi) ist.
• EV-Batteriegehäuse: Die Batterieunterwanne ist das wichtigste strukturelle Element eines Elektrofahrzeugs. Sie muss die Batteriemodule vor Straßenschmutz und seitlichem Eindringen schützen. Diese Bauteile sind typischerweise groß und flach gezogen und werden oft aus hochfestem Aluminium umgeformt, um das Gewicht gering zu halten. Hier ist Präzision entscheidend; die Dichtfläche muss absolut eben sein, um Wassereintritt zu verhindern.
• NVH-Reduzierungskomponenten: Nicht alle strukturellen Bauteile dienen der Crashsicherheit. Halterungen und Querverstrebungen dienen oft dazu, den Fahrzeugrahmen zu versteifen, um Geräusche, Vibrationen und Rauigkeit (NVH) zu reduzieren. Präzisionsstanverfahren erzeugen NVH-Reduktionshalterungen die Fahrlärm dämpfen und zum hochwertigen Gefühl des Fahrzeuginnenraums beitragen.

Fazit: Die Zukunft der Multi-Materialbauweise

Die Zukunft des Stanzens von strukturellen Verstärkungen im Automobilbereich liegt in „dem richtigen Material am richtigen Ort“. Wir bewegen uns weg von monolithischen Stahlkarosserien hin zu Hybridkonstruktionen aus mehreren Materialien, bei denen warmumgeformte Borstahl-Säulen mit Aluminium-Stoßtürmen und Verbundwerkstoff-Dachschienen verbunden werden. Für Ingenieure und Einkaufsteams bedeutet dies, dass sich die Anforderungen an einen geeigneten Stanzpartner weiterentwickeln. Es reicht nicht mehr aus, lediglich Stahl stanzen zu können; die Fähigkeit, unterschiedliche Hochleistungsmaterialien zu simulieren, umzuformen und zu verbinden, ist nun der neue Maßstab für exzellente strukturelle Fertigung.

Häufig gestellte Fragen

1. Welche Hauptvorteile bietet das Warmumformen im Vergleich zum Kaltumformen?

Das Heißprägen (Presshärtung) eliminiert nahezu vollständig das Rückfedern, welches ein großes Problem beim Kaltumformen von hochfesten Stählen darstellt. Es ermöglicht die Herstellung komplexer geometrischer Formen mit Zugfestigkeiten über 1.500 MPa und eignet sich daher ideal für sicherheitskritische Bauteile wie B-Säulen und Türversteifungen, bei denen hohe Maßhaltigkeit und maximale Festigkeit erforderlich sind.

2. Wie beeinflusst der Anstieg von EVs die Automobilstanzung?

Elektrofahrzeuge erfordern erhebliche Leichtbau-Maßnahmen, um das hohe Gewicht der Batteriepakete auszugleichen, was zu einer verstärkten Anwendung von Aluminiumstanzteilen für strukturelle Bauteile wie Batteriegehäuse und Subrahmen führt. Zudem erfordern EV-Architekturen neue Arten von Verstärkungen zum Schutz des Batteriepakets bei Seitenaufprall, was zu größeren und stärker integrierten gestanzten Komponenten führt.

3. Welche Rolle spielt die IATF 16949-Zertifizierung im Stanzprozess?

IATF 16949 ist der globale technische Standard für Qualitätsmanagementsysteme in der Automobilindustrie. Für einen Stanzlieferanten zeigt diese Zertifizierung, dass er strenge Prozesse zur Vermeidung von Fehler, zur Reduzierung von Variationen in der Lieferkette und zur kontinuierlichen Verbesserung besitzt, was obligatorisch ist, um sicherheitsrelevante strukturelle Bauteile an Erstausrüster liefern zu können.