Lektion 4.7UmformenKapitel 4 · Blech- und Rohrumformung

Superplastisches Umformen

Heißes Gas bläst ein superplastisches Blech in eine Form

Beim superplastischen Umformen (SPF) wird ein spezielles feinkörniges Blech erhitzt, bis es sich auf ein Mehrfaches seiner Länge dehnen lässt, wie warmer Kaugummi. Gasdruck bläst es dann langsam in eine einseitige Form (ein geformtes Stahlwerkzeug). So entsteht aus einem Blech ein tiefes, komplexes Paneel, etwa Flugzeugtüren und Karosserieteile für Sportwagen, für das sonst viele Einzelteile nötig wären.

Foto: San Diego Air & Space Museum Archives, Public domain, via Wikimedia Commons

Superplastisches Umformen · einspannen und erhitzen, mit Gas blasen, öffnen und entnehmenLesen Sie die Bilder von links nach rechts; die eingekreisten Zahlen entsprechen den Schritten unten.

So funktioniert es

Das Blech einspannen. Ein flaches Blech aus superplastischer Legierung wird über eine Form mit einer Kavität (der Hohlform des Teils) gelegt. Ein dichter Deckel drückt auf den Rand und sorgt für eine gasdichte Abdichtung.
Alles erhitzen. Beheizte Platten (heiße Pressplatten) bringen Form und Blech auf Umformtemperatur: etwa 450–520 °C bei Aluminium 5083, etwa 900 °C bei Titan Ti-6Al-4V.
Gas einblasen. Argon (ein Inertgas, das heißes Metall vor Reaktionen mit Luft schützt) strömt mit niedrigem Druck, typischerweise etwa 10–30 bar, über das Blech.
Langsam dehnen lassen. Das Blech wölbt sich wie eine Seifenblase, während die Luft darunter durch Entlüftungen entweicht. Der Druck steigt allmählich, sodass sich das Metall langsam, über Minuten bis Stunden, ohne Reißen dehnt. Seine winzigen Körner (die Kristalle, aus denen Metall besteht) gleiten aneinander vorbei, was Dehnungen von mehreren Hundert Prozent erlaubt.
Die Form füllen, dann öffnen. Das Blech erreicht die Wände der Kavität und kommt zuletzt in den Ecken an, sodass die Ecken am dünnsten werden. Die Presse öffnet sich, das heiße Teil wird herausgehoben, und sein Flansch (der eingespannte Rand) wird abgeschnitten.

Wichtige Fakten

Werkstoffe: Feinkörnige superplastische Legierungen: Titan Ti-6Al-4V, Aluminium 5083 und einige Aluminium-Lithium-Legierungen, einige Edelstähle
Typische Teile: Flugzeugtüren, Wartungsklappen und Kanäle, Karosserieteile für Autos in kleiner Serie, hohle versteifte Strukturen
Bauteilgröße: Von kleinen Halterungen bis zu Paneelen von einigen Metern Länge
Präzision: Nahe an der Formgeometrie, typischerweise einige Zehntel Millimeter auf der Formseite, mit fast keiner Rückfederung (elastischem Zurückfedern)
Oberfläche: Glatt auf der Formseite; Titan muss gereinigt werden, um eine harte, sauerstoffreiche Randschicht zu entfernen
Geeignete Losgröße: Kleine bis mittlere Serien: Hunderte bis einige Tausend Teile pro Jahr
Werkzeug- und Maschinenkosten: Nur eine Form, aus hitzebeständigem Stahl oder Keramik, günstiger als aufeinander abgestimmte Stanzwerkzeuge; die beheizte Presse ist eine große Investition
Geschwindigkeit: Langsam: etwa 15 Minuten bis einige Stunden pro Teil, bei Aluminium schneller als bei Titan

Stärken und Grenzen

Stärken

Tiefe, komplexe Formen in einem Stück, die Baugruppen aus vielen Teilen ersetzen
Nur eine Form nötig, daher sind die Werkzeugkosten geringer
Fast keine Rückfederung, daher sind die Formen genau
Zusammen mit Diffusionsschweißen (Bleche, die unter Wärme und Druck verschmolzen werden) entstehen hohle versteifte Strukturen

Grenzen

Langsame Zyklen: Minuten bis Stunden pro Teil
Braucht spezielle feinkörnige, teurere Legierungen
Ungleichmäßige Dicke: Ecken und tiefe Taschen werden dünner
Heißes, energiehungriges Verfahren; Titan braucht Schutzgas und Oberflächenreinigung

Wo es eingesetzt wird

FlugzeugstrukturenTüren, Wartungsklappen und Kanäle aus Titan und Aluminium
StrahltriebwerkeHohle Fanblätter aus Titan, hergestellt durch Kombination von SPF mit Diffusionsschweißen
AutomobilbauKarosserieteile aus Aluminium für Sport- und Luxusautos in kleiner Serie
ArchitekturGebogene Fassaden- und Verkleidungspaneele aus Aluminium

So erkennen Sie es

Tiefe, glatte Formen mit weichen Kanten aus einem Blech, ohne Schweißnähte oder Fugen.
Eine scharfe, glatte Seite (die Formseite); die andere Seite zeigt weichere, gerundete Details.
Variierende Dicke: dünner in Ecken und tiefen Taschen, an einer Schnittkante sichtbar.
Zieht tiefer, als es eine gewöhnliche Presse schaffen würde, immer mit großzügigen Radien.

Im Vergleich mit

Stanzen und Tiefziehen4.2kalt, schnell und mit zwei aufeinander abgestimmten Werkzeugen, aber die Formen müssen flacher sein und die Werkzeuge kosten mehr.Hydroforming4.5ebenfalls Flüssigkeitsdruck gegen eine Form, aber kalt, mit Wasser oder Öl bei weit höherem Druck.Thermoformen2.4der Verwandte für Kunststoff: Ein erwärmtes Kunststoffblech wird per Vakuum oder Luftdruck auf eine Form gezogen.

Ansehen

superformusa · Die Kernmethode: Gas bläst das heiße Blech in die Kavität einer Matrize

superformusa · Eine Variante: Das Blech wird zuerst zu einer Blase geblasen und dann über ein Positivwerkzeug geformt

superformuk · Echte Karosserieteile aus der Produktion

David Kirkham · Werkstattaufnahmen, wie ein geformtes Teil die heiße Presse verlässt

Echte Fotos ansehen

Wikipedia: Superplastisches Umformen — Prinzip, Temperaturen und Flugzeugbeispiele; überwiegend Text
Wikipedia: Superplastizität — die Werkstoffwissenschaft hinter der extremen Dehnung
Fotosuche auf Wikimedia Commons

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Superplastische Legierungen dehnen sich bei Hitze und langsamem Ziehen um mehrere Hundert Prozent.
Gasdruck drückt das Blech in eine einseitige Form, daher bleibt das Werkzeug einfach.
Ideal für tiefe, komplexe einteilige Paneele; der Preis sind langsame Zyklen und dünne Ecken.