Der grundlegende Unterschied der beiden Verfahren

Kaltfließpressen (Cold Heading) arbeitet unterhalb der Rekristallisations-Temperatur. Ein Stempel drückt mit einer Kraft über der Streckgrenze auf das metallische Rohmaterial im Werkzeug und zwingt es zum plastischen Fließen. Man kann es sich als „ungeschmiedetes Schmieden" vorstellen. Es umfasst Stauchen (Upsetting) und Fließpressen (Extruding), oft kombiniert mit Formen, Lochen, Beschneiden und Gewindewalzen. Die CNC-Zerspanung hingegen trägt aus einem vollen Rohmaterial Schicht für Schicht überschüssiges Metall ab. Das eine ist „Metall fließen lassen zum Bauteil", das andere ist „das Bauteil aus dem Block herausholen". Alle Unterschiede in Kosten, Festigkeit und Präzision wurzeln in diesem einzigen Unterschied. In der täglichen Konstruktion heißt das: Je rotationssymmetrischer und je größer die Serie, desto stärker fallen die Vorteile des Kaltfließpressens ins Gewicht. Wer schon im Konzeptstadium an diese Trennung denkt, spart sich teure Umwege über CNC-Prototypen, die später doch auf Kaltfließpressen umgestellt werden müssen.

Losgrößen-Grenze: Ab wann rechnet sich das Werkzeug

Kaltfließpressen erfordert zuerst den Werkzeugbau, dessen Kosten im Bereich einiger Zehntausend bis Hunderttausend RMB liegen. Deshalb gibt es eine harte Losgrößen-Untergrenze. Nach Branchenerfahrung gilt:

Kosten: Materialausnutzung und Stückkosten-Kurve

Kaltfließpressen ist spanlos (chipless): Das Bauteil entsteht near-net-shape, der einzige Ausschnitt kommt vom Lochen und Beschneiden, die Ausschussrate liegt typischerweise bei 1–3 %. Drehen und herkömmliches Schmieden nutzen das Material deutlich schlechter, die Ausschussrate kann bis 75 % betragen. Ein klassisches Beispiel ist das Zündkerzen-Gehäuse: Vor dem Wechsel auf Kaltfließpressen lag der Material-Verlust bei etwa 74 % und die Bearbeitung war langsam; danach lag der Ausschnitt bei etwa 6 % und die Taktzeit war etwa zehnmal kürzer.

Festigkeit, Präzision und Taktzeit

Festigkeit: Kaltfließpressen lässt die Metall-Fließlinie entlang der Bauteil-Kontur kontinuierlich verlaufen. In hoch beanspruchten Übergängen entsteht eine „verstärkungsrippen-artige" durchgehende Fließlinie. Festigkeit, Härte, Zähigkeit und Dauerfestigkeit sind damit besser als bei zerspanten Teilen. Zerspanung durchtrennt hingegen die Fließlinie und hinterlässt eine Schwachstelle unter dem Schraubenkopf. Für sicherheitsrelevante Schraubenverbindungen ist das ein nicht zu unterschätzender Vorteil, weil die Dauerfestigkeit direkt von der unversehrten Fließlinie abhängt. Präzision und Taktzeit: Moderne Mehrstationen-Kaltfließautomaten fertigen ein Teil pro Takt. Die Geschwindigkeit liegt um ein Mehrfaches über der CNC – Einstationen-Maschinen erreichen bis etwa 600 Teile/Minute, eine Matrize mit zwei Stößen etwa 450 Teile/Minute, klassische Schraubenautomaten etwa 300 Teile/Minute. Das Teilegewicht liegt stabil bei ±1 %, bei feinstem Absägen sogar bei ±0,2 %. Die Oberfläche ist zudem glatter, Fließpress-Flächen verbessern die Rauheit um 10–100 Mikro-Inch. In der automobilen Serienfertigung bedeutet das, dass eine einzige Kaltfließpresse die Stundenleistung eines Dutzends CNC-Bearbeitungszentren erreichen kann.

Verfahrens-Grenzen: Welche Geometrie das Kaltfließpressen überfordert

Kaltfließpressen ist nicht universell. Vor der Auswahl stehen die physikalischen Grenzen:

• Stauchverhältnis: Beim einmaligen Stauchen in fester Matrize darf die gestauchte Länge im Allgemeinen 2,25 mal dem Drahtdurchmesser nicht überschreiten (die meisten Prozesse liegen bei 1–1,25), mit zwei Stößen ist der Faktor bis 4,5 möglich. Ein zu langer frei stehender Abschnitt knickt und erzeugt eine Kaltfaltungs-Fehlstelle.
• Querschnitts-Reduktion beim Fließpressen: Offenes Fließpressen reduziert den Querschnitt in einem Schritt maximal um 30 % bei einem Winkel von höchstens 30°, beim geschlossenen Fließpressen sind bis etwa 75 % möglich.
• Werkstoff: Werkstoffe mit hoher Kaltverfestigung und oberhalb des Umformbereichs liegender Festigkeit können reißen. Zwar lassen sich heute auch Edelstähle und Hochtemperaturlegierungen kaltfließpressen, aber es sind die auf Kaltfließen optimierten, kaltverfestigungs-armen Sorten zu wählen. Dazu gehört zum Beispiel der Einsatz von SWRCH-Draht mit definierter Ziehhärte und speziell geglühtem Gefüge, damit der fließpressende Prozess nicht dauernd an der Werkstoffgrenze entlangläuft.
• Geometrie / Größe: Sehr komplexe, sehr große, stark unsymmetrische Bauteile mit tiefen Kavitäten sind wirtschaftlich nicht kaltfließzupressen und bleiben der CNC überlassen.

Entscheidungs-Tabelle