Design in Blech

Hydroforming - Neue Formen für intelligente Ideen. Das versprechen die ›Hydroformiker‹ ihren Kunden im Automobilbau, der Wärmetechnik sowie im Maschinen- und Apparatebau. Erfüllen die komplexen Metallrohre die hochgesteckten Erwartungen?

04. Juli 2005

Seit annähernd einem Jahrzehnt fordert die Abgasbranche, gegossene Krümmer von Verbrennungsmotoren durch leichtere Rohrkrümmer aus Blech zu ersetzen. Grund waren die immer strengeren Emissionsvorschriften und die damit nötige Verbesserung des Anspringverhaltens des Abgaskatalysators nach dem Kaltstart. Für die seither verbreiteten luftspaltisolierten Krümmer können nur Innenrohre mit engsten Biegeradien, variablen Querschnitten und kleinsten Wandstärken von bis zu 0,5 mm verwendet werden. Das ist eine enorme Herausforderung für die Herstellung dieser Blechrohre.

Erhöhte Anforderungen an die Krümmer und damit die Umformtechnik stellen auch motornahe Katalysatoren, wie sie von dem Abgassystemspezialisten Boysen eingesetzt werden. Da der Katalysator dabei möglichst nah an den Motor herangeführt wird, erfordert diese Konstruktion eine weitere Anpassung der Krümmer an das beengte Raumangebot und an die höhere thermische und mechanische Beanspruchung. Gleichzeitig geht der Trend ganz allgemein in Richtung eines Abgassystems, das genauso lange hält wie das Fahrzeug.

Leicht, langlebig und kompakt

Die Herausforderung besteht also darin, Krümmer zu entwickeln, die Leistung, Langlebigkeit und eine kompakte, leichte Bauweise in sich vereinen. Um solche Krümmer für ihre Kunden zu konstruieren, stößt die Friedrich Boysen GmbH in geometrische Grenzbereiche vor. Am PC entwerfen die Spezialisten Hochleistungskrümmer mit minimalen Wandstärken, kleinsten Biegeradien und millimetergenauen Geometrien. Umsetzen lassen sich diese perfektionierten Rohre nur mit Hilfe der sogenannten Innenhochdruck-Technik, auch Hydroforming genannt. Als eines der ersten Unternehmen der Branche verwendet Boysen bereits seit Anfang der 90er Jahre IHU-Rohre. Neben Rohren aus eigener Produktion setzt man dabei auf die langjährige Erfahrung des IHU-Spezialisten hde Solutions aus dem sauerländischen Menden.

Weniger Werkzeuge, geringere Kosten

Der entscheidende Unterschied des Hydroformings zur gängigen Metallumformung liegt darin, daß Hohlkörper aus Metall nicht durch das Zusammenfügen mehrerer, einzeln umgeformter Teile hergestellt werden. Stattdessen wird ein Ausgangsrohr von innen unter Hochdruck gesetzt und das Gesamtbauteil ohne weiteren Fügeprozeß erstellt. Eine Emulsion aus Wasser und Öl, die zuvor in das Metallrohr eingeleitet wurde, preßt dieses in eine dreidimensionale Hohlform hinein das sogenannte Werkzeug. Die Rohre werden quasi ›aufgeblasen‹. Bei einem Druck von bis zu 4.000 bar werden selbst kleinste Radien und Wandstärken ausgeformt. Als Vorlage für die IHU-Werkzeuge der hde Solutions dienen die CAD-Konstruktionen aus dem Hause Boysen inklusive sämtlicher Angaben bezüglich Wandstärken, Geometrien oder Positionierung von Nebenformelementen. Mit einem optimalen Werkzeugkonzept ist es schließlich möglich, mehrere Bauteile mit einem einzigen Werkzeug herzustellen. Über geeignete Trennverfahren werden die Rohrstränge anschließend in Einzelteile zerlegt und mit den übrigen Komponenten zu einem kompletten Abgaskrümmer zusammengesetzt. Auf diese Weise können Fertigungsschritte eingespart und damit Kosten gesenkt werden.

Ökonomisches Werkzeugkonzept

Ein Beispiel: Die beiden Krümmer eines 340 PS-starken, 4,5-Liter-V8-Motors eines sportlichen Off-Roaders bestehen aus insgesamt vierzehn Bauteilen. Für deren Herstellung benötigt die hde Solutions lediglich zwei Werkzeuge: Eines für die Rohrstränge mit jeweils sechs Bauteilen, ein zweites Werkzeug für die Strömungstrichter. Dieses ökonomische Werkzeugkonzept kompensiert die komplexe und mehrteilige Zusammensetzung der Krümmer, die durch den Einsatz von sogenannten Schiebesitzen bedingt ist. Die Schiebesitze bewahren den Krümmer bei hohen Temperaturen vor einem frühzeitigen Ausfall durch Verformung oder gar Versagen des Materials. Jeweils zwei Rohrteile werden dafür mit wenigen Zehntelmillimetern Abstand so ineinandergesteckt, daß sich das Material bei großer Hitze der Länge nach ausdehnen kann. Für die Umformung der Zylinderzugänge und Schiebesitze wird ein zirka ein Meter langes Ausgangsrohr in der IHU-Presse mit dem Wirkmedium gefüllt und bei einem Druck von bis zu 2.200 bar in die Kontur des Werkzeuges gepreßt. Die Wandstärken sinken dabei an den Außenradien noch unter den gewünschten Idealwert von 0,8 mm auf 0,7 mm. Da sich im Innenradius Material anstaucht, können sie hier bis zum oberen Grenzbereich von 1,3 mm steigen. Die extremen Biegeradien im Strang gewährleisten später die kompakte Form des Krümmers. Die Querschnittsumformungen innerhalb des Stranges entsprechen den Öffnungen des Strömungstrichters, in den die Zylinderrohre münden. Solch präzise Formgebungen sind nur mit Hilfe des Innenhochdruck-Verfahrens möglich.

Auch der Strömungstrichter der Krümmer wird nach dem ökonomischen Werkzeug-prinzip paarweise geformt. Bei hohen Stückzahlen ist die Herstellung in IHU-Bauweise kostengünstiger als Schalenteile. Darüber hinaus sind die IHU-Teile formgenauer und frei von Füge-Schweißnähten. Die komplexe Geometrie der Trichter wird so ausgeformt, daß sie eine optimierte Anströmung sowohl der Lambda-Sonde als auch des Katalysators gewährleistet. Die Zugangsöffnungen für die Lambda-Sonde werden ebenfalls bei dem oben beschriebenen Umformungsprozeß ausgestanzt. Durch die Verbindung des klassischen IHU-Verfahrens mit dem Innenhochdrucklochen erreicht hde Solutions eine stufenreduzierte Fertigung von Bauteilen mit erweiterten Anwendungsmöglich-keiten. Ein weiterer zentraler Vorzug der IH-Umformung für die Abgastechnik: Ohne Schweißen können an einem Bauteil Zu- und Abgänge platzsparend ausgeformt werden. Insbesondere für die extrem kompakte Bauweise von Krümmern für Hochleistungsmotoren ein unschätzbarer Vorteil. Hier sind die Auslaßrohre der Zylinder oft so kurz konstruiert, daß es vorteilhafter ist, sie als Nebenformelemente sogenannte Dome auszuformen.

Performance gesichert

Die Anforderungen an High-Tech-Abgaskrümmer lassen sich mit Hilfe des Hydro-forming ideal umsetzen; die Performance der Hochleistungs-Krümmer kann somit

gewährleistet werden. Und: Mit Hilfe der IH-Umformung entstehen nicht nur optimal angepaßte Wandstärken, sondern auch komplexeste Geometrien. Durch die gezielte Gestaltung von Bauteilen ist es zudem möglich, Energie und Material zu sparen, Entwicklungs- und Produktionszeiten zu verkürzen und somit insgesamt Kosten zu reduzieren.

Stefan Rossner, hde Solutions

Erschienen in Ausgabe: 05/2004