Konstruieren mit Alu sollte immer einen Versuch wert sein

Meinolf Droege ist Fachjournalist in Ingelheim

Vor allem der Automobilbau hat den Einsatz von Aluminium in den letzten Jahren gepuscht und damit auch die Entwicklung der Verarbeitungsverfahren vorangetrieben. Neben der Karosserie wird der Motor- und Antriebsbereich zur Einsatzdomäne. Von den Ergebnissen profitieren alle Branchen: Die gesammelten Erfahrungen aus Konstruktion und Verarbeitung können die Anwender im Maschinen- und Anlagenbau mit Hilfe von spezialisierten Zulieferern hervorragend nutzen. Gute Chancen dafür bietet die Hannover Messe 2002 im Rahmen der Fachmesse Subcon Technology in den Hallen 2 bis 5 und insbesondere bei der Sonderpräsentation Alu-Trends (Halle 4, Stand F26). Hier lassen sich Lösungen direkt miteinander vergleichen und diskutieren.

Die Konstrukteure im Maschinenbau nutzen zunehmend die Vorteile von leichten Legierungen, auch wenn sie dabei häufig umdenken müssen. Spezielle Fügetechniken und das Denken in Profilgeometrien verlangen, sich von alten Gewohnheiten zu trennen. Nur dann kommt die werkstoffspezifische Vielseitigkeit voll zur Geltung, die Aluminium für den Maschinen- und Anlagenbauer interessant macht.

Schmieden, Gießen und Strangpressen – drei ausgereifte Fertigungsverfahren stehen zur Verfügung, um das Leichtmetall zu verarbeiten und Maschinenbau-Komponenten maßschneidern zu lassen. Aluminium-Schmiedeteile werden vor allem bei höheren Anforderungen an die dynamischen Eigenschaften bewegter Maschinenelemente verwendet. Die Gesenkschmiedestücke haben ein feinkörnig homogenes, poren- und lunkerfreies Gefüge und sind korrosionsbeständig, wenn sie aus AlMgSi-Legierungen bestehen. Darüber hinaus lassen sie sich statisch und dynamisch hoch belasten.

Die Gussverfahren gliedern sich in Sand-, Kokillen- und Druckguss. Das Feingießen erlaubt noch engere Toleranzen als das Druckgießen und eignet sich besonders für hochfeste Bauteile mit komplexer Geometrie wie Motorengehäuse, Verdichter- oder Pumpenlaufräder. Porenarme Gussstücke für dynamisch belastete Bauteile lassen sich mit besonderen Schmelzbehandlungen und Verfahren wie dem Niederdruck-Kokillenguss oder dem neueren Thixoverfahren erzielen.

Profile können mit nahezu unbegrenzter Freiheit gestaltet werden und ermöglichen anwendungsoptimierte und preiswerte Bauteile. Stimmt der Konstrukteur die Querschnitte gezielt auf die Belastungen ab, erhält er leichte Bauteile mit hoher Steifigkeit und Festigkeit, die nur noch mit geringem Aufwand spanend zu bearbeiten sind. Strangpressprofile bieten zudem einen Mehrfachnutzen über integrierte Zusatzfunktionen. So können Kanäle für Druckluft- und Kühlschmierstoffleitungen, Absaugeinrichtungen oder Befestigungsmöglichkeiten direkt in das Profil eingebracht werden. Die geringen Massen von Achsen und Führungen erleichtern das reibungs-, spiel- und ruckfreie Verfahren bei geringen Positioniertoleranzen. Für Alu-Profile sprechen zudem ihre Korrosionsbeständigkeit und das ansprechende Design.

Seit gut 20 Jahren wird Aluminium für den Bau von Schnitt- und Stanzwerkzeugen verwendet, um die Massen zu verringern (wobei die Schnitteinheiten aus Stahl, Hartmetall oder Keramik gefertigt werden). Von Vorteil sind das gute Handling, die einfache und schnelle Bearbeitung sowie die Korrosionsbeständigkeit. Die höheren Span- und Erodiergeschwindigkeiten führen zu deutlichen Zeiteinsparungen bei geringerem Werkzeugverschleiß. Je nach Werkstoff liegen die Vorschubgeschwindigkeiten beim Zerspanen um das Fünffache über denen von Stahl.

Bei Folgeverbund- und Transferwerkzeugen, die häufig mit mehreren hundert Hüben pro Minute störungsfrei arbeiten müssen, sind besonders die niedrigen bewegten Massen von Vorteil. Oft lassen sie sich manuell ein- und ausbauen. Bei Stanzwerkzeugen können die Hubzahlen bei geringerem Maschinenverschleiß und gleicher Teilequalität erhöht werden. Im Formen- und Spritzgießwerkzeugbau erreichen inzwischen auch Alu-Serienwerkzeuge hohe Stückzahlen, abhängig von Anwendungsfall und Kunststoff. Hier sind neben der kurzen Bearbeitungszeit die um bis zu 40 % kürzeren Zykluszeiten von Vorteil, weil Formen auf Grund der größeren Wärmeleitfähigkeit von Alu schneller abkühlen.

Ein bedeutender Kostenfaktor im Maschinenbau ist die Verbindungstechnik. Aluminium lässt sich mit den gängigen Verfahren untereinander, aber auch mit anderen Werkstoffen verbinden. Verfahren wie das Laser- und Elektronenstrahlschwei-ßen eröffnen neue Möglichkeiten zum automatisierten Fertigen. Bei Strangpressprofilen sind schnell montierbare Schnappverbindungen kostengünstig. Darüber hinaus stehen Schraub-, Durchsetzfüge-, Niet- und Klebetechniken zur Verfügung.

Die Korrosionsbeständigkeit des Aluminiums erlaubt in vielen Fällen, auf das Beschichten zu verzichten, und bietet somit Einsparpotenziale gegenüber herkömmlichen Stahlkonstruktionen. Für höhere Anforderungen stehen diverse Oberflächenbehandlungs-Methoden zur Verfügung.

Hohe Ansprüche an die Funktionalität der Oberflächen lassen sich erfüllen, wenn die Beschichtungen gezielt auf den Einsatzzweck abgestimmt werden. Erreichen lassen sich niedrige Reibkoeffizienten, hohe Oberflächenhärten und Verschleißfestigkeiten, langzeitstabiles Reflexionsverhalten, gute Korrosionsbeständigkeit und elektrochemische Verträglichkeit. Besonders mit neuen Methoden wie vakuum- und plasmatechnischen Verfahren können leichte Bauteile gefertigt werden, die verschleißfest, korrosionsbeständig sowie kratzfest sind und zugleich dekorativ aussehen.

Als Argument gegen Aluminium wird oft der höhere Kilopreis gegenüber Stahl angeführt. Doch bei einem Preisvergleich sind letztlich die gesamten Kosten eines Bauteils entscheidend. Dazu gehören auch die Ausgaben für Bearbeitung, Handling und Korrosionsschutz. Konsequent auf Aluminium abgestimmte Konstruktionen führen immer wieder zu Lösungen, die wirtschaftliche Vorteile bieten und das Vorurteil von der teuren Alu-Konstruktion widerlegen.

Aluminiumwerkstoffe haben im vergangenen Jahrzehnt in der industriellen Anwendung kräftig zugelegt. Besonders deutlich fielen die Zuwächse in den Bereichen Verkehr, Bau, Maschinenbau und Verpackung aus. Absatzprognosen und die momentane Nachfrage weisen auf ein stetiges Wachstum in allen Märkten auch in Zukunft hin. Nach Angaben des GDA Gesamtverband der Aluminiumindustrie e.V., Düsseldorf, lag der Aluminiumbedarf im vergangenen Jahr in Deutschland bei rund 28 kg pro Kopf der Bevölkerung – und damit im europäischen Vergleich an der Spitze. Der mit Abstand größte Einzelmarkt ist der Verkehrssektor mit 41 % vor dem Bau mit 18 %, dem Maschinenbau mit 9 % und dem Verpackungssektor mit 7 %.

Das Leichtmetall ist so vielseitig, dass Produkte aus Alu in nahezu allen Angebotsschwerpunkten in Hannover anzutreffen sind. Aussteller aus der Gießerei- und Schmiedebranche werden beispielsweise leichte Antriebs-, Fahrwerks- und Karosseriekomponenten aus Aluminium zeigen, die einen wichtigen Beitrag zur Gewichtsreduzierung im Automobil liefern.