Ressourceneffiziente Herstellung mechanischer Verbindungselemente

Bedingt durch den stetig wachsenden Kostendruck sowie durch die strikter werdenden Randbedingungen bezüglich Material- und Energieeffizienz ist das Ziel aktueller Entwicklungsprojekte bei der HEWI G. Winker GmbH & Co. KG eine umweltfreundliche und ressourcenschonende Fertigung von innovativen Komponenten. Mit massivumgeformten Komponenten, u. a. aus Stahl, sind signifikante Gewichtseinsparungen im Automobil- sowie Maschinenbau möglich.

Die Gewichtsreduktion an einer einzelnen Mutter mag zunächst nur wenig Sinn ergeben, jedoch sprechen zwei Hauptgründe eindeutig für eine eingehendere Betrachtung dieser Art von C-Gütern: Zum einen die Vielzahl an Verbindungselementen in allen technischen Anwendungen und zum anderen die normativ bedingte (Über-)Dimensionierung der Verbindungselemente. Daraus ergibt sich ein hohes Potenzial für geometrischen und stofflichen Leichtbau.

Unter Anwendung angepasster numerischer Auslegungsmethoden ist eine signifikante Massenreduktion unter Einhaltung gegebener strukturmechanischer Randbedingungen möglich. Hierbei werden Teilvolumina, die nicht unmittelbar zur Tragfähigkeit beitragen, definiert reduziert.

Zur Realisierung der geometrisch und stofflich optimierten Leichtbaumutter wurde auf ein gesamtheitliches Konzept gesetzt, das die interagierenden Bereiche Werkstoffauswahl, Fertigungsverfahren und Konstruktion kombiniert.

Am Anfang stand die ortsaufgelöste Analyse der strukturmechanischen Eigenschaften der Mutter, anhand der die Optimierung erfolgte. Im Bereich der Konstruktion wurden Teilvolumina, die nicht unmittelbar zur Tragfähigkeit beitragen, definiert reduziert. Durch den Einsatz mikrolegierter, bainitischer Stahlwerkstoffe kann nun innerhalb der Vormaterialherstellung auf entsprechende Glühbehandlungen zur Einstellung einer hinreichend umformbaren Gefügestruktur verzichtet werden. Außerdem wird beim eigentlichen Produkt die üblicherweise durchzuführende Wärmebehandlung zur Erzielung definierter Härtewerte obsolet. Als Fertigungsverfahren für die Mutter wurde die Kaltumformung gewählt. Diese ermöglicht zum einen die Herstellung von Werkstücken und Halbzeugen mit komplexer Gestalt und zum anderen eine gezielte Beeinflussung der Werkstück- bzw. Bauteileigenschaften.

Die patentierte Leichtbaumutter ist seit Ende des Jahres 2014 bei einem OEM (Original Equipment Manufacturer) als Serienteil im Einsatz. Aktuell arbeitet die HEWI G. Winker GmbH & Co. KG mit weiteren namhaften deutschen OEMs daran, komplette Teilefamilien von Muttern unter Anwendung geometrischer und stofflicher Leichtbauprinzipien in den Großserieneinsatz zu überführen.

Das Gewicht der Mutter (Beispiel Bundmutter M16x1,5 gemäß DIN EN 1667) konnte durch die konsequente Anwendung der Leichtbauprinzipien von ca. 60 g auf ca. 47 g reduziert werden. Diese Reduktion mag unscheinbar erscheinen, doch bei Jahresbedarfen von 20 Mio. Teilen ergibt sich durch das um ca. 20 % reduzierte Werkstoffeinsatzgewicht eine Einsparung von bis zu 260 t Stahl. Durch die Verwendung einer speziell ausgewählten bainitischen Werkstoffgüte ist sowohl bei der Herstellung des Stahls als auch für die Erreichung der Bauteilfestigkeiten >1.000 MPa kein Wärmebehandlungsprozess mehr notwendig. Durch Verzicht auf den Wärmebehandlungsprozess ergibt sich somit bei analog angenommener Teilemenge eine Reduktion der CO2-Emissionen von ca. 387 t.

Durch die Kopplung der interagierenden Bereiche Werkstoffauswahl, Fertigungsverfahren und Konstruktion bei der Entwicklung der mittlerweile weltweit patentierten Leichtbaumutter ist es möglich geworden, signifikante ökonomische und ökologische Vorteile gegenüber dem Stand der Technik zu generieren.

Besonders bei der Verwendung von stark kaltverfestigenden Stählen, mit einer höheren Ausgangsfestigkeit (z. B. 700 – 750 MPa) als üblicherweise für die Kaltumformung verwendete Stähle, sind die Werkzeugverformung und nicht zuletzt mögliche Versagensmodi detailliert zu betrachten. Daher war es in der Entwicklungsphase der Leichtbaumuttern notwendig, durch den Einsatz vollgekoppelter numerischer Analysen die elastische und/oder elastoplastische Nachgiebigkeit vorgespannter/armierter Werkzeuge infolge der Umformung und einer daraus resultierenden geometrischen Abweichung der Werkstücke von der Sollgeometrie im Vorfeld der Werkzeugherstellung zu analysieren und zu optimieren.

Die HEWI G. Winker GmbH & Co. KG ist seit fast 60 Jahren weltweit bekannt als zuverlässiger Partner im Bereich Verbindungstechnik mit höchsten Ansprüchen. Das Unternehmen mit derzeit 550 Mitarbeitern gilt nicht nur als Spezialist für Teile mit Innengewinde, speziell im Bereich Fahrwerkstechnik für Pkw und Lkw, sondern auch als Ideenschmiede aus der hoch innovative Lösungen im Bereich komplexer kaltumgeformter Fließpressteile kommen.