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Auf dem Heimweg zum Vorteil

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In diesem Artikel erfährt die Luft- und Raumfahrtherstellung, wie eine Presstechnik namens HFQ (Hot Form Quench) die Zukunft des Aluminiums in der Luftfahrt mitgestaltet.

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Aluminium wird zunehmend durch alternative Materialien wie Kohlefaser herausgefordert, da die Hersteller bestrebt sind, das Flugzeuggewicht, die Produktionszeit und die Kosten zu reduzieren, um die Leistungsziele der OEM zu erreichen.

Es steht jedoch ein neues Herstellungsverfahren zur Verfügung, das es ermöglicht, komplexe hochfeste Aluminiumpressteile herzustellen - mit dem Potenzial, die Masse konventionell gepresster Aluminiumstrukturen weiter zu reduzieren.

Impression Technologies Limited (ITL) wurde 2012 gegründet, um ein Verfahren auf den Markt zu bringen, das innerhalb des Imperial College London entwickelt wurde, das Hot Form Quench (HFQ) genannt wird. Der Prozess ist in Figur 1 dargestellt, in der ein geformte Aluminiumrohling auf seine Lösungstemperatur (im Allgemeinen im Bereich von 500-550°C) erwärmt wird, bevor er gepresst und noch im Werkzeug schnell abgekühlt wird. Das so entstandene Teil kann einer weiteren Wärmebehandlung unterzogen werden, die sicherstellt, dass das Material seine volle Festigkeit erreicht.

Aluminiumbauteile, die mit HFQ für strukturelle Anwendungen hergestellt werden, könnten im Vergleich zu kaltverformten Aluminiumbauteilen mit geringerer Festigkeit Gewichtseinsparungen von bis zu 20% ermöglichen. Darüber hinaus bedeutet die erhöhte Umformbarkeit des Materials bei dieser Temperatur, dass Teile in einem einzigen Arbeitsgang tiefgezogen werden können, was den Bedarf an Verstärkungen reduziert; der Wegfall der Anforderung an sekundäre Umformoperationen führt auch zu einer entsprechenden Senkung der Werkzeugkosten.

Die wesentlichen Merkmale der Technik, so der Innovationsleiter des ITL, Dr. Alistair Foster, sind, dass sie "mechanische und thermische Behandlungsprozesse in einem einzigen Umformvorgang vereint", erklärt er, "technisch gesehen wird dies dadurch erreicht, dass die Temperatur des Materials angehoben wird, bis es das entsprechende Niveau der "Lösungswärmebehandlung" erreicht. An dieser Stelle bilden die Legierungselemente eine Lösung im Werkstoff und bleiben auch nach dem Abschrecken im Werkzeug in Lösung, so dass zunächst ein "W-Zustand entsteht, der natürlich auf einen T4-Zustand altert oder künstlich auf einen alternativen Zustand, wie beispielsweise den T6-Zustand, gealtert werden kann" - letzterer ist der stärkste Zustand für den Werkstoff.

Der Rohling wird in situ gehalten, um das Abschrecken des Formteils zu ermöglichen. Durch diese Art der Abschreckung des Bauteils und die Kombination mit einem optimierten Aushärtungsprozess wird die Mikrostruktur des Aluminiums stabilisiert und liefert eine konkurrenzlose Kombination aus Festigkeit, Umformbarkeit und Produktivität.

Dimensionskontrolle

HFQ eliminiert im Vergleich zu Kaltumformtechniken für Aluminium praktisch die Rückfederung, die auch als elastische Rückfederung bezeichnet wird. John Sellors, Director - Applications Engineering am ITL, weist darauf hin, dass dies wichtige Auswirkungen auf die Dimensionskontrolle bei Montagevorgängen hat und von den OEMs als für sie von Interesse angesehen wird.

"Gerade bei kaltgeformtem, hochfestem Aluminium kann die Rückfederung ein Problem sein, wird aber bei HFQ auf fast Null reduziert", sagt er.

Kürzlich kündigte ITL in einer Pressemitteilung seine Zusammenarbeit im Projekt Future Advance Nacelle Technologies and Structural Integration Concepts (FANTASTIC) an, das von Bombardier geleitet und durch das britische Luft- und Raumfahrtforschungsprogramm unterstützt wird, eine Partnerschaft zwischen dem Aerospace Technology Institute (ATI), Department for Business, Energy and Industrial Strategy (BEIS), und Innovate UK. Das FANTASTIC-Projekt zielt darauf ab, die Konstruktion und Lieferung von hochfesten, hochpräzisen, leichten HFQ-Formkomponenten aus aerozugelassenem Aluminium zu niedrigeren Kosten als bei bestehenden Prozessen zu ermöglichen.

In einer separaten Entwicklung gab Novelis Inc., ein führendes Unternehmen im Bereich Aluminiumwalzen und -recycling, bekannt, dass es eine Partnerschaft mit ITL vereinbart hat, um innovative Wege zu finden, um die breitere Akzeptanz von Aluminium durch den Warmumformprozess zu erhöhen.

Derzeit hat ITL Anfragen von einer Reihe von Luft- und Raumfahrtunternehmen für Anwendungen wie Sitzkomponenten, Flügelrippen, Flügelklappen, Triebwerkseinlasslippen und hochmoderne Lamellen.

In jeder Form und Form

Die HFQ-Technologie hat die Fähigkeit, viele der Form- und Montageprobleme zu lösen, die durch andere Umformtechnologien wie Kaltumformung und superplastische Umformung verursacht werden. ITL bietet Zulieferern der Luft- und Raumfahrt die Möglichkeit, die HFQ-Fertigungstechnologie in ihrer eigenen Organisation zu installieren, indem sie Lizenznehmer werden, der zusätzlich Zugang zu einer Vielzahl von Unterstützungsleistungen erhält, um sie bei der Entwicklung und Herstellung von HFQ-Technologiekomponenten zu unterstützen.

Zu diesen Dienstleistungen gehören: Design & Simulation - das ITL-Expertenteam unterstützt Unternehmen dabei, den Nutzen einer kostengünstigen Massenreduzierung bei der Herstellung komplexer hochfester HFQ-Aluminiumpaneele zu maximieren; Entwicklung - basierend auf dem Know-how innerhalb des ITL-Teams, das die Anzahl der für die Herstellung eines Teils erforderlichen Presswerkzeuge reduzieren kann, wodurch die Investitionskosten deutlich reduziert werden; Prototyping - im Werk von ITL Coventry, Großbritannien, ist es vollständig ausgestattet, um hauseigene Prototypen und Produktionsläufe zur Unterstützung der Kunden von HFQ Technology durchzuführen; Tooling - profitiert von der hauseigenen Prototyp- und Produktionswerkzeug-Testanlage, mit Unterstützung durch das Expertenwissen im Team; Training - ITL bietet maßgeschneiderte Schulungen für jeden Aspekt des Produktlebenszyklus vom Design bis zur Produktion.

ITL sagt, dass es die HFQ-Technologie kontinuierlich weiterentwickeln wird, um sicherzustellen, dass die Vorteile dieser aufregenden Technologie für die zukünftige Nutzung maximiert werden.