Superplastisches Umformen: Fortgeschrittene Metallbearbeitung für Luftfahrt-Innovationen

Superplastisches Umformen (Superplastic Forming) ist ein spezialisiertes Metallbearbeitungsverfahren, das es ermöglicht, Bleche aus Metalllegierungen wie Aluminium auf Längen über das Zehnfache konventioneller Legierungen zu strecken, ohne die Materialeigenschaften des Metalls zu verschlechtern. Der Prozess erlaubt die Herstellung komplexer Metallteile, was die Notwendigkeit für Schrauben und Befestigungselemente zur Montage einzelner Metallteile zu größeren Einheiten eliminiert. Diese Metallbearbeitung wird am häufigsten in der Luft- und Raumfahrtindustrie eingesetzt, findet aber auch Anwendung bei Hochleistungssportgeräten sowie in den Bereichen Energie, Verteidigung und Medizintechnik.

Drei Verformungsbedingungen

Die Metallurgie des superplastischen Umformens lässt sich in drei Verformungsbedingungen unterteilen: Mikrokorn-, Transformations- und Eigenspannungs-Superplastizität. Die wichtigste Methode für Metalle ist die Mikrokorn-Superplastizität, bei der kristalline Korngrößen 10 Mikrometer oder kleiner sind. Die Temperatur des Metalls muss zudem bei etwa der Hälfte des Schmelzpunkts der zu formenden Legierung liegen, und Dehnraten liegen zwischen 0,001 und 0,0001. Diese Bedingungen beschränken die Legierungstypen, die Superplastizität aufweisen, auf eine kleine Anzahl.

Industrielle Verfahren

Industrielle Verfahren für Blech-Superplastisches-Umformen umfassen Vakuum- und Thermoformen, Tiefziehen und Diffusionsschweißen. Vakuumformen nutzt Gasdruckunterschiede, um Metall in eine Form zu bringen, während Thermoformen etablierte Prozesse nutzt, die traditionell in der Thermoplastfertigung sind. Beide Methoden sind Variationen des Heißgasumformens und haben den Vorteil, nur einen einzigen Formvorgang (Single-Die-Operation) zur Teileerstellung zu benötigen.

Tiefziehen ist ein konventionelles Verfahren der Metallumformung, das an superplastisches Umformen angepasst werden kann. Es erfordert Verfestigung zur Erreichung der Superplastizität. Ausdünnung und Rissbildung des Metallteils sind jedoch möglich, weshalb es meist nicht die bevorzugte Wahl ist.

Diffusionsschweißen war ursprünglich kein Blechumformverfahren, wurde aber für diesen Zweck adaptiert. Aluminium-Magnesium-Legierungen werden häufig mit dieser Methode verwendet und können im superplastischen Prozess eine Dehnung von bis zu 600 % erreichen, meist jedoch nicht über 300 %. Durch superplastisches Umformen und Diffusionsschweißen erzeugte Teile werden in automobilen und luftfahrtbezogenen Anwendungen eingesetzt, die nicht strukturell sind, und sind günstiger als hochfeste Legierungen.

Vorteile und Innovationspotenzial

Metallblechteile, die superplastisches Umformen durchlaufen haben, bieten mehrere Vorteile: Durch elaboriertere und größere Formen reduzieren sie sowohl Gewicht als auch Kosten von Luft- und Kraftfahrzeugen sowie Metallteilen in anderen Branchen. Montagezeit und -komplexität werden verringert, da weniger Teile miteinander verbunden werden müssen. Spannungen zwischen mehreren Metallteilen bei Alterung und Temperaturwechseln werden ebenfalls minimiert.

Die Branche insgesamt trägt zu vielfältiger Forschung und neuen Produkten bei. Die erhöhte Vielseitigkeit von Blechformen ermöglicht Innovationen in neuen Strömungsoptimierungen und Designs in einer Vielzahl industrieller und verbrauchernaher Produkte. Superplastisches Umformen ist auch Schlüsseltechnologie für Innovationen in aerodynamischer und maritimer Strömungsoptimierung.