„Warum treten trotz qualifizierter Werkstoffe beim Kaltfließpressen dennoch Probleme auf?“
Der Werkstoff ist „qualifiziert“ – warum kommt es dann vor Ort zu Problemen?
Im Kaltfließpressprozess tritt häufig folgende Situation auf:
Nach der Ankunft des Materials im Werk liegen alle Materialzertifikate vollständig vor, die chemische Zusammensetzung entspricht den Normen, und auch Zugfestigkeit, Härte sowie Maßabweichungen befinden sich innerhalb der geforderten Toleranzen. Bei Bedarf werden zudem externe Prüfungen durchgeführt, deren Ergebnis ebenfalls als „qualifiziert“ ausfällt.
Doch sobald das Material tatsächlich in die Kaltfließpressmaschine eingesetzt wird, treten Probleme auf:
Risse, Falten, unzureichende Füllung der R-Ecken, Schwankungen bei den Produktmaßen, ungewöhnlicher Werkzeugverschleiß – gelegentlich verhält sich sogar derselbe Material-Lieferauftrag auf verschiedenen Anlagen oder mit unterschiedlichen Werkzeugen völlig unterschiedlich.
In solchen Momenten fällt vor Ort meist als Erstes der Satz:
„Gibt es etwa ein Problem mit dem Material?“
Diese Einschätzung muss nicht falsch sein, doch sollte man keine voreiligen Schlüsse ziehen.
Denn im Kaltfließpressprozess sind „qualifiziertes Material“ und „stabile Produktion“ zwei unterschiedliche Konzepte.
Normen klären lediglich die Frage: „Ist das Material konform?“
Die Aufgabe von Werkstoffnormen besteht darin, festzulegen, welche grundlegenden technischen Anforderungen ein Material erfüllen muss.
Zum Beispiel:
- Ist die chemische Zusammensetzung innerhalb der vorgegebenen Grenzwerte?
- Sind Abmessungen und zulässige Toleranzen den Anforderungen entsprechend?
- Erfüllen mechanische Eigenschaften wie Zugfestigkeit, Querschnittsreduktion und Härte die Vorgaben?
- Gibt es sichtbare Oberflächendefekte?
- Entspricht der Lieferzustand der Bestellung oder dem technischen Vertrag?
- Fallen ggf. Einschlüsse, Entkohlung und Gefüge innerhalb der festgelegten Spezifikationen aus?
Alle diese Aspekte sind äußerst wichtig.
Ohne Normen fehlt dem Material eine gemeinsame Qualitäts-Sprache; ohne Prüfung können Lieferant und Abnehmer kaum beurteilen, ob das Material die vereinbarten Anforderungen erfüllt.
Daher bilden Normen die Grundlage der Werkstoffqualitätskontrolle.
Alleerdings beantwortet eine Norm hauptsächlich folgende Frage:
Ist dieses Material gemäß den geltenden Vorschriften konform?
Sie gibt jedoch keine direkte Antwort auf die Frage:
Kann dieses Material unter den spezifischen Bedingungen eines Kunden – bezogen auf dessen Bauteilgeometrie, ein bestimmtes Werkzeugset, eine bestimmte Kaltfließpressmaschine und eine bestimmte Schmierbedingung – langfristig stabil produziert werden?
Dies ist der Unterschied zwischen normativer Beurteilung und ingenieurtechnischer Bewertung.
Auf der Kaltfließpress-Produktionsstätte geht es vor allem um die Frage: „Ist der Prozess stabil?“
Beim Kaltfließpressen wird das Material nicht einfach nur in eine bestimmte Form gepresst, sondern es durchläuft im Werkzeug einen Prozess großer plastischer Verformung.
Während dieses Vorgangs wirken gleichzeitig Druck, radiale Umströmung, lokale Zugbelastungen, Scherkräfte und Reibung auf das Material ein.
Die tatsächliche Stabilität am Produktionsstandort hängt nicht allein vom Material selbst ab, sondern auch von folgenden Faktoren:
- Ob die Bauteilgeometrie für das Kaltfließpressen geeignet ist;
- Ob die Radien der Werkzeuge angemessen ausgelegt sind;
- Ob die Verformungsmenge pro Arbeitsgang zu groß ist;
- Ob die einzelnen Umformprozesse sinnvoll verteilt wurden;
- Ob die Maschinensteifigkeit ausreichend ist;
- Ob die Koaxialität der Werkzeuge stabil bleibt;
- Ob die Phosphatier- und Seifenbeschichtung gleichmäßig und fest haftet;
- Ob die Werkzeug-Schmierung kontinuierlich auch in Bereiche mit hoher Verformung gelangt;
- Ob die Werkzeugtemperatur bei der Serienfertigung kontrolliert bleibt.
Daher geht es auf der Kaltfließpress-Produktionsstätte nicht einfach um ein schlichtes „konform – nicht konform“, sondern vielmehr um die Frage:
Kann das Material nach dem Eintritt in mein Prozesssystem stabil fließen, stabil umgeformt und dauerhaft in Serie gefertigt werden?
Warum kann ein qualifiziertes Material dennoch für einen bestimmten Prozess ungeeignet sein?
Der Grund ist ganz einfach: Normen legen lediglich Toleranzbereiche fest, während Prozesse eine genaue Abstimmung erfordern.
Selbst wenn verschiedene Chargen eines identischen Werkstoffgrades chemisch innerhalb der vorgegebenen Normgrenzen liegen, können sich aufgrund unterschiedlicher Gehalte an Elementen wie C, Mn, Cr, Mo oder B die Verformungsbeständigkeit, das Verhalten beim sphärischen Glühen sowie die Eigenschaften beim Wärmebehandeln deutlich unterscheiden.
Ebenso können Materialien, die zwar den Anforderungen an die Oberflächengüte entsprechen, bei Produkten mit geringer Umformung problemlos eingesetzt werden, bei hochverformten Bauteilen, komplexen Kopfformen oder Sicherheitskomponenten für Fahrzeuge jedoch bereits kleinste lokale Defekte verstärkt auftreten.
Auch bei gleicher Phosphatier- und Seifenbeschichtung kann es passieren, dass eine zu schwache Haftfestigkeit oder mangelnde Dehnbarkeit der Beschichtung dazu führt, dass diese bereits beim ersten Kaltfließpressgang bröselt oder abplatzt; anschließende Bearbeitungsschritte geraten dann möglicherweise in punktuelle Trockenreibung.
Zudem kommt es häufig vor, dass dieselbe Materialrolle auf einer Maschine stabil verarbeitet werden kann, auf einer anderen jedoch Probleme verursacht. Dies liegt daran, dass Unterschiede in der Maschinensteifigkeit, der Werkzeugpräzision, der Schmiermittelzufuhr sowie der Temperaturführung der Werkzeuge bestehen.
Dies verdeutlicht, dass das Problem nicht zwangsläufig ausschließlich im Material liegt, sondern auch in der Wechselwirkung zwischen Material und Prozesssystem begründet sein kann.
Wie sollte ein Ingenieur hierbei vorgehen?
Bei auftretenden Unregelmäßigkeiten im Kaltfließpressprozess empfiehlt es sich nicht, vorschnell pauschal zu urteilen: „Das Material ist schuld“ oder „Die Kundenprozesse sind fehlerhaft“.
Eine professionellere Herangehensweise besteht vielmehr darin, schrittweise systematisch zu prüfen:
Erstens: Prüfen, ob das Material den Bestellanforderungen und technischen Vereinbarungen entspricht.
Zweitens: Überprüfen, ob das Material den konkreten Kaltfließpress-Anforderungen des jeweiligen Produkts gerecht wird.
Drittens: Begutachten der Oberflächenbehandlung, insbesondere der Gleichmäßigkeit, Haftfestigkeit und Dehnbarkeit der Phosphatier- und Seifenbeschichtung.
Viertens: Analyse der Werkzeugauslegung, der Radien, der Aufteilung der Umformgänge sowie der Verformungsmengen pro Arbeitsgang.
Fünftens: Beurteilung der Maschinensteifigkeit, der Koaxialität, der Schmiermittelversorgung sowie der Temperaturstabilität der Werkzeuge.
Nur so lässt sich der Übergang vom reinen „Qualitätsurteil“ hin zum eigentlichen „technischen Urteil“ vollziehen.
Schlussfolgerungen dieses Kapitels
Das Material entspricht den Normen und ist eine notwendige, jedoch keine hinreichende Voraussetzung für die Kaltfließpresseproduktion.
Die Normen legen lediglich das Mindestniveau des Materials fest, während die technische Steuerung die Stabilität der Serienproduktion gewährleistet.
Daher darf man sich beim Kaltfließpresswerkstoff nicht allein auf das Werkstoffzertifikat sowie auf die Werkstoffnummer und die chemische Zusammensetzung verlassen.
Eine wirklich professionelle Beurteilung eines Kaltfließpresswerkstoffs muss vor Ort erfolgen:
Wie wird sich dieses Material nach dem Eintreten in die Form verhalten?
Wird es im laufenden Produktionsprozess zu Schwankungen kommen?
Kann es unter den spezifischen Bedingungen hinsichtlich Anlage, Werkzeug, Schmierung und Temperaturführung des Kunden langfristig stabil arbeiten?
Dies sind die Fragen, die die Technik der Kaltfließpresswerkstoffe tatsächlich beantworten muss.
Der Kerngedanke des ersten Kapitels lautet daher:
Eine Einhaltung der Normen zeigt lediglich, dass das Material die grundlegenden Voraussetzungen für die Produktion erfüllt; erst ein stabiler Kaltfließprozess beweist, dass das Material optimal mit dem gesamten Prozesssystem abgestimmt ist.