Ingenieurkurs · Kapitel 9｜Materialeignung und praktische Bearbeitungsbedingungen
In dem vorherigen Kapitel haben wir die Auswirkungen der Produktstruktur und der Umformprozessschritte auf das Verhalten des Materials bei der Anwendung besprochen. In diesem Kapitel gehen wir weiter auf ein häufig auftretendes Problem in der Praxis ein: Das Produkt hat sich nicht verändert, auch die Materialsorte und -spezifikation sind unverändert – warum funktioniert die Kaltfließpresstechnik auf einer Maschine problemlos, während sie auf einer anderen Maschine ganz anders abläuft?
Bei solchen Unterschieden ist zunächst zu prüfen, ob die Materialzustände überhaupt vergleichbar sind, anschließend sind die tatsächlichen Bearbeitungsbedingungen genau zu überprüfen. Die Entscheidungsgrundlage sollte aus Chargenprotokollen, physischen Mustern und Produktionsdaten stammen und nicht allein auf Aussagen wie „Eine andere Maschine schafft es“ oder „Bisher lief alles reibungslos“ beruhen.
Als Materiallieferant müssen wir den Materialzustand eng mit der Produktstruktur und dem Umformprozess unserer Kunden verzahnen. Dabei geht es nicht nur darum, die Lieferqualität gemäß den Vorgaben sicherzustellen, sondern auch die Eignung und Stabilität des Materials im realen Produktionsprozess nachzuweisen.
Die Materialkonformität ist die Grundlage; für eine stabile Umformung muss zudem der Materialzustand optimal auf die konkreten Bearbeitungsanforderungen abgestimmt sein.
*【Abbildung 1: Gelieferte Drahtrolle und kaltgepresstes Bauteil im gleichen Bild】Bildunterschrift: Von der gelieferten Drahtrolle bis zum kaltgepressten Bauteil muss die Materialeignung jeweils anhand des konkreten Produkts und der Umformanforderungen bewertet werden.*
I. Zunächst die Vergleichbarkeit des Materialzustands prüfen
Zwei Stahlspulen mit identischer Sorte und Durchmesser weisen noch lange keine vollständig gleichen Eigenschaften beim Einzug in die Kaltfließpresse auf. Unterschiedliche Glüh-, Zieh- sowie Oberflächenbehandlungsverfahren können zu Abweichungen in Gefüge, Festigkeit, Duktilität und Oberflächenbeschaffenheit führen. Bevor man die Produktionsleistung miteinander vergleicht, sollten zunächst die Materialinformationen sorgfältig abgeglichen werden:
- Chargen- und Spulennummer: Stammt das Material aus derselben Charge und derselben Spule? Ist der Entnahmepunkt klar definiert?
- Lieferzustand: Stimmen Glüh-, Zieh- und Oberflächenbehandlungsprozesse überein?
- Prüfprotokolle: Lassen sich die Prüfergebnisse tatsächlich dem vom Kunden eingesetzten Material zuordnen und beziehen sich nicht lediglich auf dieselbe Materialsorte?
- Weitere Behandlungsschritte: Gab es während Transport, Lagerung oder vor dem Einsatz in der Maschine zusätzliche Bearbeitungen oder Veränderungen der Oberflächenbeschaffenheit?
Beim Vergleich sollten möglichst Materialien aus derselben Charge und derselben Spule mit eindeutig gekennzeichnetem Entnahmepunkt verwendet werden. Selbst wenn bereits feststeht, dass beide Proben aus derselben Spule stammen, darf man sich nicht auf Vermutungen beschränken, wonach das Material möglicherweise unterschiedlich sei. Vielmehr gilt es, die tatsächlichen Umformbedingungen und die Häufigkeit bzw. das Auftreten von Auffälligkeiten genauer zu untersuchen. Die Überprüfung des Materialzustands dient dazu, einen validen Vergleich herzustellen, nicht aber, vorschnell Schuldzuweisungen vorzunehmen.
II. Unterschiedliche Anlagen erfordern eine noch genauere Berücksichtigung der tatsächlichen Umformbedingungen
Bei Werkstoffen sind nicht die Marke oder das Modell der Anlage entscheidend, sondern die konkreten Umformanforderungen. Derselbe Artikel, der auf verschiedenen Anlagen gefertigt wird, kann sich in Schnittlänge und Oberflächenbeschaffenheit der Endflächen, in den jeweils von den einzelnen Arbeitsgängen übernommenen Umformgraden, im Produktionsrhythmus, in der Schmiermittelzufuhr sowie im Temperaturzustand nach längerem Dauerbetrieb unterscheiden.
Diese Unterschiede verändern die lokalen Umform- und Kontaktbedingungen, denen das Material während des Umformprozesses ausgesetzt ist. Daher ist die Erkenntnis, dass ein bestimmter Werkstoff unter einer bestimmten Kombination von Bedingungen problemlos verarbeitet werden kann, zwar eine wichtige Anwendungsinformation, ersetzt jedoch nicht die unabhängige Prüfung seiner Eignung unter anderen Bedingungen.
Für Werkstofflieferanten besteht die Aufgabe darin, diese Bedingungen zu verstehen, um die tatsächlichen Anforderungen der Kunden an den Werkstoff klar zu erfassen und so die Werkstoffauswahl, die Lieferzustände sowie die Prüfmethoden gezielter auszurichten. Gleichzeitig bleibt festzuhalten, dass die Frage, ob der Werkstoff den Qualitätsanforderungen entspricht, weiterhin anhand der entsprechenden Normen, technischen Vereinbarungen und Prüfergebnisse zu beurteilen ist; beide Aspekte können sich nicht gegenseitig ersetzen.
III. Unterschiedliches Produktionsverhalten: Zunächst die Muster der Abweichungen identifizieren
Die Produktionsleistung auf unterschiedlichen Anlagen liefert wertvolle Informationen für eine vergleichende Analyse. Statt sofort zwischen „Werkstoffproblem“ und „Bearbeitungsproblem“ zu entscheiden, ist es sinnvoller, zunächst genaue Angaben zur Ausdehnung, zum Zeitpunkt und zum Ort der auftretenden Abweichungen zu dokumentieren:
- Sind die Probleme auf eine bestimmte Rolle oder einen bestimmten Materialabschnitt beschränkt, oder treten sie bei mehreren Rollen auf?
- Treten die Abweichungen bereits zu Beginn der Produktion auf, oder erst nach längerem Dauerbetrieb?
- Sind sie lokal begrenzt auf dieselben Bereiche, und weisen sie ähnliche Formen und Ausrichtungen auf?
- An welcher Arbeitsstation lassen sich die Abweichungen erstmals beobachten?
Diese Informationen helfen dabei, die Probenahmestellen und die weiteren Untersuchungsschritte gezielt festzulegen. Die folgende Abbildung zeigt beispielsweise Risse am Flanschrand eines Werkstücks. Bei der Überprüfung sollten Lage, Anzahl und Verteilung der Risse zusätzlich protokolliert und Proben der betreffenden Arbeitsstationen gesichert werden, um festzustellen, in welchem Verarbeitungsschritt die Abweichungen erstmals aufgetreten sind.
*【Abbildung 2: Nahaufnahme eines gerissenen Flanschrandes】Bildunterschrift: Beispiel für Risse an einem Kaltfließpressteil zur Verdeutlichung der Position und Morphologie der Abweichungen.*
Je präziser die Beschreibung der Abweichungen, desto zielgerichteter gestalten sich die anschließenden Untersuchungen. Fotos dienen der Dokumentation der beobachteten Phänomene; die Ursachen müssen jedoch durch Werkstoffprüfungen und Prozessprotokolle bestätigt werden.
4. Materialprüfung: Aufeinander abgestimmte Dokumentation, physische Proben und Prüfergebnisse
Der Schwerpunkt der Materialprüfung liegt nicht darin, einfach aufzulisten, wie viele Untersuchungen durchgeführt wurden, sondern vielmehr darauf, dass jede einzelne Prüfung klare Fragen beantwortet und eine Rückverfolgbarkeit zu den jeweiligen Materialien und Proben ermöglicht.
Prüfung der Unterlagen zur Bestätigung der Materialherkunft und des Lieferzustands. Klären Sie die Rohmaterialchargen, Produktionswege, Rollennummern sowie die zugehörigen Prüfergebnisse und stellen Sie die Beziehung zwischen dem vom Kunden verwendeten Material und den Prüfprotokollen sicher. Bei Vergleichen verschiedener Chargen sind zudem Spezifikationen, Lieferzustände und Probennahmebedingungen zu überprüfen.
Physische Inspektion: Bewahren Sie Schlüsselproben aus dem gesamten Bearbeitungsprozess auf. Kennzeichnen Sie Drahtmaterial, Zuschnitte, Proben aus den einzelnen Arbeitsstationen sowie fehlerbehaftete Teile separat und legen Sie sie als Muster zurück. Die alleinige Aufbewahrung des endgültig gerissenen Teils macht es häufig schwierig, festzustellen, ob der Fehler bereits in einer früheren Fertigungsstufe entstanden ist.
Gezielte Prüfungen: Wählen Sie die Untersuchungsschwerpunkte entsprechend konkreter Fragestellungen aus. Bei Oberflächenanomalien stehen Form und Verteilung im Vordergrund; bei Rissbildungen werden je nach Bedarf Querschnitte, Gefüge oder Bruchflächen untersucht. Betrifft das Problem die Umformbarkeit des Materials, so sind zusätzlich relevante Kennwerte wie Festigkeit, Duktilität und Härte zu prüfen.
Zugversuch: Überprüfung der Festigkeits- und Duktilitätskennwerte des Materials. Beachten Sie gemäß dem Prüfplan Parameter wie Zugfestigkeit, Dehnung oder Querschnittsreduktion. Beim Vergleich unterschiedlicher Proben ist sicherzustellen, dass Testmethode, Probennahmebedingungen und Materialzustand miteinander vergleichbar sind.
*[Abbildung 3: Zugversuch vor Ort] Bildunterschrift: Originalaufnahme vom Ort eines Zugversuchs, die die Methode der mechanischen Werkstoffprüfung zeigt.*
Härteprüfung: Zusammenführung der Messergebnisse mit der Lage der Prüfpunkte zur Beurteilung des Materialzustands. Wählen Sie je nach Probe und Problemstellung die geeignete Methode aus und dokumentieren Sie die Position der Probenentnahme, die Messpunkte sowie die Versuchsbedingungen. Die nachfolgende Abbildung zeigt einen Mikro-Vickers-Härteeindruck zusammen mit der Messoberfläche zur Erläuterung des Verfahrens zur lokalen Härteprüfung.
*[Abbildung 4: Mikro-Vickers-Härteprüfung] Bildunterschrift: Originalaufnahme einer Mikro-Vickers-Härteprüfung mit Erhalt des ursprünglichen Eindrucks und der Messmarkierungen. Abbildung 3 und Abbildung 4 dienen lediglich der Veranschaulichung der Prüfmethoden und stellen nicht die tatsächlichen Prüfergebnisse der in diesem Text erwähnten gerissenen Proben dar.*
Bei der praktischen Analyse von Anomalien sollten die Prüfergebnisse gemeinsam mit den entsprechenden Drahtmaterialien, den Proben aus den einzelnen Fertigungsstationen sowie den Bearbeitungsbedingungen betrachtet werden. Der Wert der Prüfung besteht darin, spezifische Probleme zu verifizieren, statt eine einzelne Kennzahl an die Stelle einer umfassenden Ursachenanalyse zu setzen.
V. Wirksame Vergleiche sind wertvoller als häufiger Materialwechsel
Wenn sich Material, Werkzeuggeschwindigkeit und Schmierbedingungen gleichzeitig ändern, ist es selbst bei einer Verbesserung der Produktionsleistung schwer zu bestimmen, welcher Faktor hauptsächlich dazu beigetragen hat. Damit die Vergleichsergebnisse nachvollziehbar sind, sollten Materiallieferant und Verarbeiter gemeinsam die Vergleichsobjekte, die zu dokumentierenden Inhalte sowie die Bewertungsmethoden festlegen:
| Vergleichspunkt | Dokumentationsinhalt |
|---|---|
| Material und Probenentnahme | Liefercharge, Rollennummer, Lieferzustand und Probennummer |
| Produkt und Prozess | Produktzeichnungen, Zuschnitte sowie Proben aus allen Bearbeitungsstationen, tatsächliche Produktionsbedingungen |
| Hauptveränderungsfaktoren | Aufzeichnungen vor und nach Anpassungen; möglichst keine gleichzeitigen Änderungen mehrerer Parameter |
| Kontinuierliche Produktionsleistung | Produktionsmenge, Anzahl der auftretenden Störungen, Zeitpunkt und Ort der Fehler |
Sofern die Bedingungen dies zulassen und die festgelegten Prozess- sowie Sicherheitsanforderungen eingehalten werden, können bereits bewährte Materialien und das zu prüfende Material unter zwei unterschiedlichen Produktionsbedingungen miteinander verglichen werden. Dabei lässt sich überprüfen, ob sich die Unterschiede wiederholen und ob sie mit der jeweiligen Materialcharge, den Bearbeitungsbedingungen oder deren Kombination zusammenhängen.
Um zu beurteilen, ob eine Verbesserung tatsächlich wirksam ist, müssen sowohl die kontinuierliche Produktionsleistung, die Anzahl der auftretenden Störungen als auch die Reproduzierbarkeit der Ergebnisse betrachtet werden – nicht nur die Frage, ob einige wenige Proben erfolgreich umgeformt wurden.
VI. Materialien müssen nicht möglichst weich sein, sondern zum jeweiligen Produkt passen
Eine Verringerung der Kraft, die zur Umformung des Materials erforderlich ist, kann bei einigen Produkten hilfreich sein. Dennoch sollte „je weicher, desto besser“ nicht zum allgemeinen Auswahlkriterium erhoben werden. Bei der Materialauswahl sind zudem Faktoren wie Gefügezustand, Oberflächenqualität, Maßhaltigkeit und die geforderten Eigenschaften nach der Umformung zu berücksichtigen.
Bei der Festlegung der Lieferkonzepte sollten anhand des konkreten Produkts folgende Fragen geklärt werden: Wo konzentriert sich die Hauptumformung? Welcher Materialzustand ist erforderlich? Ist die Oberflächenbehandlung dem tatsächlichen Bearbeitungsprozess angemessen? Erlauben die späteren Leistungsanforderungen eine Änderung des Lieferzustands? Kann der Materialzustand zwischen einzelnen Chargen konsistent gehalten werden?
Für Produkte, deren Endleistung auf einen festgelegten Materialzustand angewiesen ist, darf keinesfalls von den Produktanforderungen abgewichen und allein aus Gründen der Härtereduzierung der Prozess angepasst werden. Bei der Beurteilung eines Materialkonzepts sind nicht nur die Ergebnisse einzelner Prüfungen entscheidend, sondern auch die Lieferqualität, die Umformleistung und die späteren Eigenschaften – sie müssen alle zugleich den Anforderungen genügen.
Ansicht eines Ingenieurs
Dasselbe Material verhält sich auf verschiedenen Anlagen unterschiedlich; dies sollte der Ausgangspunkt für weitere Untersuchungen sein und nicht das Ende gegenseitiger Schuldzuweisungen zwischen Materiallieferant und Verarbeiter. Der Materiallieferant stellt nachvollziehbare Materialunterlagen und Prüfergebnisse bereit, der Verarbeiter liefert die tatsächlichen Betriebsbedingungen sowie Proben aus den einzelnen Fertigungsstufen. Durch entsprechende Abgleiche und Vergleichsprüfungen lassen sich schrittweise die Einflussfaktoren klären, woraus dann fundierte Verbesserungskonzepte abgeleitet werden können.
Für die Creation Group besteht der Wert ihrer Materialdienstleistung nicht nur darin, Stahldrähte zu liefern, die den geforderten Spezifikationen entsprechen, sondern auch darin, ausgehend von den konkreten Produkten der Kunden Lieferzustände, Musterprüfungen und Nutzungsrückmeldungen miteinander zu verknüpfen, um die Eignung des Materials kontinuierlich zu überprüfen.
Bei der Beurteilung eines Materials müssen dessen beanspruchte Umformanforderungen berücksichtigt werden; bei der Analyse von Auffälligkeiten ist stets auf die entsprechenden realen Teile, Aufzeichnungen und Prüfergebnisse zurückzugreifen.
Wenn beim Kaltfließpressen auf unterschiedlichen Anlagen uneinheitliche Ergebnisse auftreten, können Materialsorte, -abmessungen, -charge, Produktzeichnungen sowie Fotos des Drahts und der fehlerhaften Teile an die Creation Group übermittelt werden, damit gemeinsam die weiteren Untersuchungs- und Prüfrichtungen festgelegt werden können. Zunächst wird ein sinnvoller Vergleich hergestellt, anschließend werden Verbesserungsmaßnahmen erörtert, sodass jede Inspektion und jeder Versuch einen klaren Zweck hat.
Technische Referenzen: [① Nippon Steel: Untersuchung zur Gefügeausbildung und Werkstoffeigenschaften von kohlenstoffhaltigen Kaltfließpressdrähten](https://www.nipponsteel.com/en/tech/report/nssmc6/pdf/116-13.pdf); [② Studie zur Bewertung der Schmier- und Gleiteigenschaften von Kaltumformbeschichtungen](https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S004316480500167).