Superplastische Umformung:Fortschrittliche Metallbearbeitung für Innovationen in der Luft- und Raumfahrt

Bei der superplastischen Umformung handelt es sich um einen speziellen Metallbearbeitungsprozess, der es ermöglicht, Bleche aus Metalllegierungen wie Aluminium auf Längen zu strecken, die das Zehnfache der Länge herkömmlicher Legierungen übersteigen, ohne dass sich die Materialeigenschaften des Metalls verschlechtern. Das Verfahren ermöglicht die Herstellung komplexer Metallteile, sodass keine Schrauben und Befestigungselemente mehr erforderlich sind, um einzelne Metallteile zu einer größeren Einheit zusammenzufügen. Metallumformungen dieser Art werden am häufigsten in der Luft- und Raumfahrtindustrie eingesetzt, finden aber auch Anwendung bei Leistungssportgeräten sowie in den Bereichen Energie, Verteidigung und Medizin.

Die Wissenschaft der Metallbearbeitung, die bei der superplastischen Umformung zum Einsatz kommt, wird in drei Verformungszustände unterteilt:Mikrokorn, Umwandlung und Superplastizität mit innerer Spannung. Die wichtigste Methode für Metalle ist die Mikrokorn-Superplastizität, bei der kristalline Kornstrukturen eine Größe von 10 Mikrometern oder weniger haben. Die Temperatur des Metalls muss außerdem etwa der Hälfte des Schmelzpunkts der zu bildenden Metalllegierung entsprechen und die Umformgeschwindigkeiten liegen zwischen 0,001 und 0,0001. Diese Bedingungen beschränken die Arten von Legierungen, die Superplastizität aufweisen, auf eine kleine Anzahl.

Zu den industriellen Verfahren zur superplastischen Blechumformung gehören Vakuum- und Thermoformen, Tiefziehen und Diffusionsschweißen. Beim Vakuumformen werden unterschiedliche Gasdrücke genutzt, um Metall in eine Matrize zu formen, während beim Thermoformen etablierte Verfahren zum Einsatz kommen, die bei der Herstellung von Thermoplasten traditionell eingesetzt werden. Bei beiden Methoden handelt es sich um Variationen der Heißmetall-Gasumformung, die den Vorteil haben, dass zur Herstellung des Teils nur ein einziger Werkzeugvorgang erforderlich ist.

Das Tiefziehen ist ein herkömmliches Verfahren der Metallumformung, das an die superplastische Umformung angepasst werden kann. Um Superplastizität zu erreichen, ist eine Kaltverfestigung erforderlich. Dabei kann es jedoch zu einer Ausdünnung und einem Bruch des Metallteils kommen, sodass dies normalerweise nicht die bevorzugte Wahl ist.

Das Diffusionsschweißen war ursprünglich kein Verfahren zur Blechumformung, wurde aber an seine Verwendung angepasst. Üblicherweise werden bei dieser Methode Aluminium-Magnesium-Legierungen verwendet, die im superplastischen Prozess eine Dehnung von bis zu 600 % aufweisen können, in der Regel jedoch nicht über 300 % liegen. Teile, die durch superplastisches Formen und Diffusionsschweißen hergestellt werden, werden sowohl in Automobil- als auch in Flugzeuganwendungen verwendet, die nicht struktureller Natur sind, und sie sind nicht so teuer wie hochfeste Legierungen.

Es gibt mehrere Vorteile, die Blechteile haben, die einer superplastischen Umformung unterzogen wurden. Da ihre Formen aufgrund der erhöhten Dehnbarkeit des Metalls aufwändiger und größer sein können, reduzieren sie sowohl das Gewicht als auch die Kosten von Flugzeugen und Kraftfahrzeugen sowie von Metallteilen in anderen Industriezweigen. Auch die Montagezeit und -komplexität wird reduziert, da weniger Teile aneinander befestigt werden müssen. Spannungen zwischen mehreren Metallteilen, die altern und auf Temperaturänderungen reagieren, werden ebenfalls minimiert.

Die gesamte Branche trägt zu einer Vielzahl von Forschungen und neuen Produkten auf diesem Gebiet bei. Die erhöhte Vielseitigkeit der Blechformen ermöglicht Innovationen bei neuen Rationalisierungen und Designs in einer Vielzahl von Industrie- und Verbraucherprodukten. Die superplastische Formgebung ist auch der Schlüssel zu Innovationen in der Aerodynamik und Meeresströmungslinienform.

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