Aluminium tiefziehen: Legierungen, Werkzeugauslegung und Grenzen

Empfohlene Lektüre: Tiefziehen: der komplette technische Leitfaden — wie das Material in die Matrize fließt, die vier Berechnungen, die die Fertigbarkeit entscheiden (Ziehverhältnis, Zuschnittgröße, Ziehkraft, Werkzeugspiel), sowie Fehler und Abhilfe.

Aluminium tiefziehen ist nicht Stahlziehen mit einem leichteren Werkstoff. Aluminium hat rund ein Drittel des Elastizitätsmoduls von Stahl, verfestigt schnell, neigt zum Fressen an der Matrize und federt stärker zurück. Wer das beim Werkzeugbau nicht berücksichtigt, bekommt Risse im Boden, Falten im Flansch oder eine Wandstärke, die außerhalb der Zeichnung liegt.

Balford fertigt tiefgezogene Aluminiumteile – Ziehteile aus Aluminium vom Muster bis zur Serie, mit Werkzeugbau im eigenen Haus, Ziehfolgenberechnung und Prüfprotokoll. Auf dieser Seite steht, welche Legierungen sich eignen, welche Richtwerte gelten, welche Fehler typisch sind und wo die Grenzen liegen.

1. Was Aluminium beim Tiefziehen anders macht

Vier Werkstoffeigenschaften erklären fast alles, was beim Aluminiumtiefziehen schiefgeht:

Der E-Modul ist niedrig

Aluminium liegt bei etwa 69 GPa, Tiefziehstahl bei etwa 210 GPa. Die Rückfederung hängt genau an diesem Verhältnis: Bei gleicher Spannung federt Aluminium rund dreimal so stark zurück wie Stahl. Maßhaltige Durchmesser entstehen deshalb selten in einem Zug – meist folgt ein Kalibrier- oder Prägezug.

Der r-Wert ist niedriger

Der senkrechte Anisotropiewert r beschreibt, wie schwer das Material in der Blechebene fließt. Tiefziehstahl DC04 erreicht 1,8 bis 2,0, Aluminiumlegierungen liegen je nach Güte bei etwa 0,6 bis 0,8. Praktisch heißt das: Der Flansch wird beim Ziehen dicker statt Wandstärke in der Wand zu halten. Aluminium neigt dadurch früher zu Falten und braucht einen kräftigeren Niederhalter als der r-Wert vermuten lässt.

Aluminium verfestigt und muss früher geglüht werden

Kaltverfestigung ist beim Tiefziehen erwünscht – sie hält die Wand stabil. Aluminium verfestigt jedoch so weit, dass die Restumformbarkeit nach ein bis zwei Zügen aufgebraucht ist. Danach hilft nur Zwischenglühen oder eine weitere Ziehstufe mit größerem Spiel.

Aluminium neigt zum Fressen

Aluminium bildet sofort eine harte Oxidschicht, darunter ist es weich. An der Ziehkante reibt die Oxidschicht wie Schleifpapier und reißt Aluminiumpartikel aus, die sich auf der Matrize aufschweißen. Was auf der Matrize klebt, ritzt das nächste Teil. Deshalb brauchen Aluminiumwerkzeuge polierte Radien, eine harte Werkzeugoberfläche und einen Schmierstoff, der für Aluminium gemacht ist – nicht den Stahlschmierstoff von der Stange.

2. Welche Aluminiumlegierungen sich tiefziehen lassen

Nicht „Aluminium" ist tiefziehfähig, sondern bestimmte Legierungen und Zustände. Die weichen, nicht aushärtbaren Knetlegierungen ziehen gut; aushärtbare Konstruktionslegierungen wie 6082 in T6 sind zum Tiefziehen ungeeignet.

Fließfiguren bei 5000er Legierungen: Legierungen mit Magnesiumanteil zeigen nach dem Ziehen mitunter streifenförmige Fließfiguren auf der Oberfläche. Sichtbare Teile fertigt man deshalb meist aus 3003 statt aus 5754 – oder man nimmt die Streifen durch eine nachgelagerte Oberflächenbehandlung in Kauf.

3. Richtwerte für die Auslegung

Die folgenden Werte sind Praxisrichtwerte aus der Umformtechnik. Sie sind der Startpunkt einer Auslegung, nicht ihr Ergebnis: Werkzeugwerkstoff, Schmierstoff, Zuschnittform und Pressengeschwindigkeit verschieben jeden Wert nach oben oder unten.

4. Zuschnitt, Ziehstufen und Zwischenglühen

Wie viele Züge ein Aluminiumteil braucht, entscheidet sich aus dem Verhältnis Zuschnittdurchmesser zu Fertigdurchmesser:

Zwischenglühen stellt die verbrauchte Umformbarkeit wieder her. Aluminium wird bei etwa 300 bis 350 °C geglüht; danach muss es kontrolliert abkühlen, sonst entstehen Verzug und Maßabweichungen, die der nächste Zug nicht mehr einfängt. Bei sehr dünnen Wänden gehört das Teil beim Glühen in eine Vorrichtung.

Zuschnittform: Ein runder Zuschnitt reicht nur für rotationssymmetrische Teile. Ovale, rechteckige oder exzentrische Ziehteile brauchen einen angepassten Zuschnitt, sonst läuft das Material ungleich und die Wandstärke schwankt über den Umfang.

5. Was Aluminium vom Werkzeug verlangt

Der Werkzeugbau ist der Teil, der über Erfolg oder Ausschuss entscheidet – und bei Balford der Teil, der im Haus bleibt. Die Werkzeugkonstruktion und der Werkzeugbau finden inhouse statt, also nicht bei einem Zulieferer, dessen Werkzeug man erst beim Try-out zum ersten Mal sieht.

Werkstoff und Oberfläche

Stempel und Matrize aus gehärtetem Werkzeugstahl, Radien poliert bis in den Bereich, in dem kein Aluminium mehr hängen bleibt. Bei großen Stückzahlen oder weichen Güten kommt eine verschleißfeste Beschichtung auf die Matrize, damit sich kein Aluminium aufschweißt.

Spiel und Radius gehören zusammen

Ein zu enges Spiel zerkratzt die Wand, ein zu weites lässt Falten zu. Beim Aluminium wird das Spiel im Verhältnis zur Blechdicke eher etwas enger gewählt als bei Stahl, weil die geringere Rückfederung weniger Ausgleich braucht. Der Radius an Ziehkante und Stempel wird dagegen größer gewählt als bei Stahl.

Schmierstoff ist Teil des Werkzeugs

Für Aluminium sind alkalische oder wasserbasierte Schmierstoffe problematisch. In der Serie setzen wir Schmierstoffe ein, die auf Aluminium abgestimmt sind, und legen die Auftragsmenge über Versuche fest – zu wenig bedeutet Abrieb, zu viel bedeutet Falten.

6. Abstrecken: beide Durchmesser in Toleranz

Beim Tiefziehen entsteht die Wandstärke als Ergebnis des Materialflusses, nicht als eingestelltes Maß. Wenn Innen- und Außendurchmesser gleichzeitig in engen Toleranzen liegen sollen, reicht Ziehen allein oft nicht. Dann folgt ein Abstreckzug – englisch ironing –, bei dem die Wand zwischen Stempel und Matrize kontrolliert gedünnt wird.

Warum das wirtschaftlich interessant ist: Bauteile, die früher aus dem Vollen gedreht wurden, brauchen mit Abstrecken keine oder nur noch eine spanende Nacharbeit. Statt Material im Span zu verlieren, wird das Material umgeformt. Bei Aluminium ist das besonders wirkungsvoll, weil die Wand beim Abstrecken gleichzeitig glatt und maßhaltig wird. Details zum Verfahren stehen unter Abstrecken beim Tiefziehen.

7. Aluminium oder Stahl?

Kurzfassung: Aluminium wählt man wegen Gewicht, Korrosionsbeständigkeit oder Leitfähigkeit. Stahl wählt man, wenn Umformbarkeit, Maßhaltigkeit und Preis den Ausschlag geben. Bei gleicher Funktion ist das Aluminiumteil meist das mit dem teureren Werkzeug.

8. Typische Fehler und Abhilfe

9. Was den Stückpreis bestimmt

Bei tiefgezogenen Aluminiumteilen zerfällt der Preis in Positionen, die man einzeln rechnen kann – und genau so sollte ein Angebot aufgebaut sein:

Zwei Positionen werden dabei häufig unterschätzt: Die Zuschnittausbeute beim Aluminium, weil der Beschnittzuschlag größer ist als bei Stahl, und die Ausschussquote nach dem Eloxieren, weil eine klare Eloxalschicht jede Riefe sichtbar macht, die im Rohzustand niemand bemerkt hätte.

10. Was Balford fertigt

Balford ist ein Hersteller für tiefgezogene und gestanzte Metallteile mit Sitz in China und liefert an Kunden in Europa, Nordamerika und Asien. Für Aluminiumziehteile gilt:

Wo unsere Grenzen liegen

Wir sagen lieber, was wir nicht können, als es hinterher zu erklären: Balford hat kein ISO 13485 und kein AS9100. Medizin- und Luftfahrtteile fertigen wir nur in dem Rahmen, den unsere Erfahrung und unser Qualitätssystem abdecken. Das Außendurchmesser- Schleifen übernehmen wir nicht selbst, und für Serien-Wärmebehandlung greifen wir auf Partner zurück. Wenn ein Bauteil diese Grenzen berührt, sagen wir das im Angebot – nicht nach der Beauftragung.

Beispiele aus der Fertigung

Zwei Aluminiumteile aus laufenden Projekten: ein dünnwandiges tiefgezogenes Aluminiumrohr und ein Aluminiumgehäuse für einen Automobil-Drucksensor. Beide zeigen, worauf es bei Aluminium ankommt: Wandstärke halten, Oberfläche sauber lassen, Toleranz über die ganze Länge sichern.

Werkstoffseite: Aluminium – Stanzen und Tiefziehen. Verfahrensübersicht: Tiefziehen von Blech.

11. Häufige Fragen zu Aluminium tiefziehen

12. Zeichnung senden, Aluminiumteil prüfen lassen

Schicken Sie uns die Zeichnung des Aluminiumteils – PDF, DXF oder STEP. Wir prüfen Legierung, Ziehfolge und Werkzeugaufwand und melden zurück, ob ein Zug reicht, ob Zwischenglühen nötig ist und ob Innen- und Außendurchmesser aus dem Ziehen heraus in Toleranz liegen oder ein Abstreckzug dazukommt. Falls die Zeichnung etwas offen lässt, fragen wir nach, statt zu raten.

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Weiterführende Seiten

• Tiefziehen von Metall – Verfahren, Berechnungen, Fehler und Abhilfe
• Aluminium: Stanzen und Tiefziehen – Werkstoffseite mit Legierungsübersicht
• Tiefziehen von Blech – Verfahren, Pressen und Grenzen bei Balford
• Abstrecken beim Tiefziehen – Wandstärke kontrolliert dünnen
• Werkstoffleitfaden für Tiefziehen und Stanzen
• Werkzeugkonstruktion und Werkzeugbau inhouse