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Leichtbau Formstabile Aluminiumbauteile für fast alle Geometrien

| Autor: Dipl.-Ing. Annedore Bose-Munde

Festigkeit und Dehngrenze sind bei Anwendungen mit Aluminium entscheidend. Welche Rolle dabei die Wärmebehandlung des Ausgangsmaterials, also der Aluminiumbarren, für die Formstabilität spielt, hat die alimex GmbH herausgefunden.

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Aluminiumbauteile eignen sich für unterschiedlichste Anwendungen. Zudem kann die Oberfläche durch Schleifen, Bürsten oder Polieren veredelt werden.
Aluminiumbauteile eignen sich für unterschiedlichste Anwendungen. Zudem kann die Oberfläche durch Schleifen, Bürsten oder Polieren veredelt werden.
(Bild: Wolfram Schroll )

In immer mehr Anwendungsfeldern werden Aluminium-Bauteile eingesetzt: In Verpackungsmaschinen und Automatisierungsanlagen, in der Elektrotechnik, im Fahrzeug- und Flugzeugbau oder im Bereich der Hochvakuum-Anwendungen in der Solar- und Halbleiterindustrie. Die Gründe dafür liegen auf der Hand: Aluminium hat ein geringes Gewicht bei hoher Stabilität, eine sehr gute Wärme- und elektrische Leitfähigkeit sowie beste Recyclingeigenschaften. Hinzu kommen insbesondere im Gussplattenverfahren optimale Oberflächeneigenschaften, Dehngrenzen und Zerspanbarkeit.

Bei Anwendungen in der Konstruktion kommen der Festigkeit und den Dehngrenzen des verwendeten Materials große Bedeutungen zu. Da Aluminium in reiner Form sehr weich und duktil ist, verändert man seine mechanischen Eigenschaften durch Zulegieren und optimiert es so für den Gebrauch. Für Konstruktionen werden häufig die Legierungen AlMgMn oder AlZnMg genutzt. AlZnMg hat eine mit Stahl vergleichbare Festigkeit, aber eine deutlich geringere Dichte (1/3 von Stahl).

Seminartipp

Das Seminar Leichtbauwerkstoffe in der Konstruktion vermittelt Methoden, Gestaltungsprinzipien und Bauweisen für Leichtbaukonstruktionen. Die Teilnehmer erhalten einen Überblick zu verschiedenen Leichtbauwerkstoffen, lernen Kriterien für die Werkstoffauswahl kennen und erfahren, welche Vor- und Nachteile sowie Risiken die verschiedenen Werkstoffe mit sich bringen.

Blockdicken bis 1100 mm verfügbar

Bei den praktischen Anwendungen kommt inzwischen am häufigsten die Gusslegierung EN AW 5083 (AlMg4,5Mn) zum Einsatz. Diese Legierung ist in allen gängigen bis hin zu sehr großen Abmessungen verfügbar. So sind Blockdicken bis 1100 mm sowie Platten in Breiten bis zu 2800 mm und Längen bis zu 6000 mm verfügbar. Erfahrene Konstrukteure nutzen diese Maße sehr gerne als Grundlage für ihr Design, um später Handling, Bearbeitung und damit Kosten zu sparen. Aber auch allseitig gesägte Blockzuschnitte für die Komplettbearbeitung werden vorzugsweise im Formen- und Werkzeugbau verarbeitet.

Die Gusslegierung EN AW-7021 (Al Zn5,5Mg1,5) zeichnet sich durch eine Zugfestigkeit von bis zu 410 MPa sowie einer Dehngrenze bis zu 360 MPa aus. Seinen Einsatz findet dieses Material bei Anwendungen mit hohen Anforderungen an die mechanischen Eigenschaften in Kombination mit hervorragenden Zerspanungseigenschaften und Materialstabilität.

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Formstabilität gewährleisten

Die mechanischen Eigenschaften von Gussplatten werden durch die Wärmebehandlung des Ausgangsmaterials, also der Aluminiumbarren, optimiert. Alimex reduziert durch die thermische Behandlung die Spannungen in den Barren. Dadurch weisen sie konstante mechanische Eigenschaften auf. Das ist gerade für Anwendungen, die hohe Anforderungen an Formstabilität und die Einhaltung enger Maßtoleranzen an Bauteile stellen, entscheidend. Die alimex GmbH mit Standort in Willich ist in der Glühtechnologie federführend. Sie behandelt das Ausgangsmaterial in der eigenen Glühhalle und fertigt daraus anschließend Aluminiumgussplatten und Blockzuschnitte. Diese werden im Gegensatz zu Walzplatten durch Band- und Kreissägen hergestellt.

Walzplatten und Gussplatten eignen sich für Herstellung

Für die Herstellung von Aluminiumbauteilen eignen sich beide Arten von Platten: Walzplatten haben durch die eingebrachte Umformenergie meist höhere Festigkeiten und bessere Verformungseigenschaften, während Gussplatten eine bessere Formstabilität bei der Bearbeitung sowie dickere und größere Abmessungen bieten, was unter anderem bei der Herstellung von Bauteilen aus Vollmaterial vorteilhaft ist. Somit können Schweißarbeiten und dementsprechend Schweißnähte verhindert werden. Aluminiumbauteile, egal aus welcher Platte sie gefertigt sind, bieten weitere Vorteile wie Lebensmittelverträglichkeit, hohe Wärme- und elektrische Leitfähigkeit und nach entsprechender Behandlung eine ausgeprägte Korrosionsbeständigkeit. Die meisten Gusslegierungen sind zudem sehr gut polierbar und zum Strukturätzen geeignet.

Kontrollierte Schutzschicht verbessert Aluminiumcharakter

Aluminium hat eine natürliche Schutzschicht (bis 0,5 µm), die durch Oxidation in der normalen Atmosphäre entsteht, jedoch von sauren und alkalischen Lösungen angegriffen wird. Diese Oxidschicht weist eine geringe Leitfähigkeit auf und hemmt so Korrosionsabläufe. In vielen Standard-Anwendungen des Maschinen- und Vorrichtungsbaus reichen die Voraussetzungen aus. Durch Eloxieren (Schutzanodisieren) erzeugt Alimex eine kontrollierte Schutzschicht (50 bis 5000-fache Dicke der natürlichen Oxidationsschicht), die den Aluminiumcharakter verbessert und das Material schützt. Diese Schicht ist transparent, kann durch Druckverfahren oder Färbebäder aber farbig gestaltet werden.

Man unterscheidet Soft- und Hart-Eloxal. Soft-Eloxal macht die Oberfläche verschleißfester, resistenter gegenüber chemischen Mitteln und dient dem Korrosionsschutz. Es wird häufig zu dekorativen Zwecken eingesetzt, da durch organische oder elektrolytische Farbgebung weitere Farbtöne erreicht werden können.

Hart-Eloxal wird für technische Oberflächen eingesetzt, wenn es weniger um das Erscheinungsbild, sondern um die Funktion der Fläche geht und Bauteile zum Beispiel gegen Gleitreibung geschützt werden sollen.

Aluminium kann auch durch Beschichtungen gehärtet und geschützt werden, so durch Galvanisieren, Chromatieren, Dispersions-, Pulverlack- und Flüssiglackbeschichten oder thermische Spritzverfahren. Zudem kann die Oberfläche von Aluminiumbauteilen durch Schleifen, Bürsten oder Polieren veredelt werden. Diese Verfahren werden häufig als Vorstufe der beschriebenen Schutzschicht-Verfahren angewendet.

Funktionale Schutzschichten

In der Konstruktion von Modulen, Systemen und Maschinen zur Automatisierung kommen Aluminiumbauteile zum Einsatz, wenn Gewicht gespart werden muss. So substituiert die Verkehrsindustrie damit beispielsweise Stahl. Das kann dazu führen, dass man weniger bewegte Massen hat und dadurch geringere Antriebsleistungen benötigt, beziehungsweise höhere Geschwindigkeiten erzielen kann.

Im Maschinenbau werden Anlagen durch die Substitution energieeffizienter gestaltet und somit die Taktfrequenz gesteigert und die Stückkosten gesenkt. Bewegliche oder rotierende Maschinenteile aus Aluminium lassen sich in ihren Systemen schneller und leichter antreiben. Bei einer mechanischen Zerspanung/Herstellung von Aluminium-Bauteilen sind die Bearbeitungszeiten deutlich geringer als bei anderen Materialien. Dies verkürzt die Fertigungszeit der Maschine. Hinzu kommt, dass die Beanspruchung und Abnutzung von Werkzeugen geringer ist und damit ebenfalls Kosten gespart werden.

In der Medizintechnik wird Aluminium nicht nur wegen des geringen Gewichts, sondern auch wegen der einfach zu schützenden Oberflächen, zum Beispiel durch chemisches Vernickeln, eingesetzt. Auch spielen die Zerspanung und die Kühl- beziehungsweise Heizleistung des Materials eine Rolle. Bei zahlreichen Anwendungen in der Medizinbranche kommt es zudem auf eine optisch einwandfreie Oberfläche der Maschinen oder Messgeräte an. Diesen Ansprüchen kann man durch zwei Gusslegierungen der Legierungsreihen EN-AW 5083 und EN-AW 5754 gerecht werden. Es ist gelungen, eine Top-Qualität für optische Eloxal-Ansprüche zu schaffen. Aluminiumbauteile werden zudem häufig in der Solar-Display- und der Halbleiterindustrie eingesetzt.

* *Dipl.-Ing. Annedore Bose-Munde, Fachjournalistin für Wirtschaft und Technik

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Dipl.-Ing. Annedore Bose-Munde

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