Ressourcenoptimierung durch neue Mg-Leichtgewichtskonzeptkomponenten

Reduzierung von Energie und Abfall durch die Entwicklung von polymerbeschichteten kaltverformbaren Mg-Blechen

Im Rahmen des von der AiF geförderten Projekts „CoFoMag“ wurden in enger Zusammenarbeit mit Forschern des Leibniz-Instituts für Polymerforschung, des Fraunhofer-Instituts IWU und des Warschauer Instituts für Technologie erfolgreich Magnesiumbleche für die Automobilindustrie hergestellt. Das Demonstrator-Bauteil zeigte eine ähnliche Umformbarkeit wie das Wettbewerbsbauteil aus Aluminium AA6014-T4. Darüber hinaus reduziert dieses innovative Leichtbau-Werkstoffsystem den Ressourcenverbrauch (u. a. Wasser, Schmiermittel und Energie) bei der Herstellung und Verarbeitung von Halbzeugen auf Magnesiumbasis erheblichEntflammbarkeit besteht.

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Projekt CoFoMag

CoFoMag Approach

Der Ansatzpunkt des CoFoMag Projekts war die Entwicklung eines Werkstoffsystems, in dessen Mittelpunkt eine optimierte Magnesiumblechlegierung steht, die sich bei Raumtemperatur leicht umformen lässt. Anschließend wurde das umformbare Mg-Blech mit einer wirksamen Korrosionsschutzschicht überzogen, die ihre Funktionalität auch nach dem Umformprozess beibehält. Dieser Oberflächen-/Korrosionsschutz wurde durch eine neuartige, umformstabile Pulverbeschichtung erreicht, die in einem Coil-Coating-Verfahren direkt nach dem letzten Walzstich aufgebracht und anschließend thermisch ausgehärtet werden kann. Um die tribologischen Eigenschaften der Beschichtung während der Umformung zu verbessern, wurden zusätzlich Lubricants in die Pulverlackformulierung integriert. Mit diesem innovativen Ansatz kann im Idealfall komplett auf Schmierstoffe verzichtet werden.
Um das Leichtbauwerkstoffsystem realistisch zu bewerten, wurde ein Demonstratorbauteil im realen Maßstab hergestellt, bei dem die ursprüngliche Aluminiumlegierung und die Schmierung ersetzt wurden. Eine auf diesem Demonstratorteil basierende Wirtschaftlichkeitsanalyse ergab, dass der CoFoMag-Ansatz die Herstellungskosten im Vergleich zur konventionellen Warmumformung von handelsüblichen Mg-Legierungen erheblich senken kann. Konkret führte der CoFoMag-Ansatz annähernd zu einer Halbierung der Produktionskosten, was ihn zu einer vielversprechenden und wirtschaftlich tragfähigen Alternative macht.

Zusammengefasst wurden die folgenden Ziele erreicht:

• Verbesserung der Umformbarkeit der Mg-Legierung (ZEWK) bei Raumtemperatur um 54 % im Vergleich zum Stand der Technik (ZE10-Legierung)
• hervorragendes Streckziehverhalten des Leichtbausystems bei RT durch signifikante Reibungsreduzierung durch die Integration der Selbstschmierfunktion in die Pulverlackbeschichtung
• keine signifikanten Unterschiede bei der Herstellung der ZEWK-Legierung im Vergleich zur Herstellung und Verarbeitung herkömmlichen Mg-Legierung
• durch die Verwendung von Novell Oberflächenvorbereitung konnte eine verbesserte Korrosionsbeständigkeit erreicht werden
• Reduzierung der Produktionskosten um 40 % im Vergleich zur Warmumformung kommerziell verfügbarer Mg-Legierungen mit anschließender Beschichtung

Mit den gewonnenen Erkenntnissen kann das Leichtbaupotenzial von Magnesiumblechlegierungen für ein breiteres Spektrum industrieller Anwendungen genutzt werden, die insbesondere von KMU hergestellt werden. Im Vergleich zum konventionellen Herstellungsprozess von Magnesiumblechbauteilen spart die neue Kombination aus Schutzschicht und kaltumformbarem Magnesiumblech Chemikalien, Energie, Prozessschritte und reduziert den Abfall im Produktionsprozess, da die Umformtemperatur niedrig ist und temporäre Beschichtungen/Öle/Schmierstoffe während des Transports und der Verarbeitung nicht mehr vom Blech entfernt werden müssen. Die gezielten systematischen Untersuchungen zum Umformverhalten und zu den Bauteileigenschaften des neuen Werkstoffsystems eröffnen KMU neue und nachhaltige Lösungen für einen intelligenten Leichtbau und deren Umsetzung in der Großserie. Damit wird dem aktuellen Trend zur Reduzierung von CO2-Emissionen und Abfallvermeidung, z. B. in der Automobilindustrie und deren Zulieferern, Rechnung getragen. Die Ziele des Forschungsprojekts wurden erreicht.

Vorteile & Impact

• Einzigartige Synergie von Forschungseinrichtungen zur Entwicklung neuer Mg-Leichtbau-Hybrid-Strukturkonzepte.

• Innovation, die zu einer Verringerung des Energieverbrauchs und der Abfallproduktion durch den Einsatz neuer Leichtbautechnologien führt.

Stretch forming test: Force-displacement curve during Erichsen test of a bare and a coated ZEWK sample. For comparison the average penetration depths of the conventional AZ31 and the conventional rare-earth containing alloy ZE10 are displayed.
CoFoMag automotive part demonstrator a) Forming Limit Diagram for complete forming; b) forming results experiment for room temperature formable ZEWK alloy and c) FE-Simulation results using the material properties
CoFoMag automotive part demonstrator – Overview and ranking of the forming results. Excellent results by using the developed polymer formulation on the room temperature formable Mg alloy using conventional industrial conditions
CoFoMag FLC RT CoFoMag plus Demonstrator