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Hybride Werkstofflösungen

30. März 2015

Stahl, Aluminium, Magnesium, FVK – die Abgrenzung dieser Werkstoffe zueinander aber auch Lösungen der Werkstoffe miteinander – wurden auf dem 35. EFB-Kolloquium im März 2015 diskutiert.
Zukunftsweisend ist es, das richtige Material an der richtigen Stelle oder im richtigen Verhältnis im richtigen Produkt einzusetzen – so der Tenor der Veranstaltung. Auch künftig werden in der Anwendung die Metalle von großer Bedeutung bleiben und nicht grundsätzlich vom Kunststoff abgelöst werden.

hybrid-K2015

Doch stellen die neuen Qualitäten sowohl von Stahl und Aluminium als auch FVK die Auslegung und Verarbeitung vor Herausforderungen. Der zum Kolloquium erschienene Tagungsband gibt Beispiele zu den Umform- und Fügetechniken sowie zur Simulation der hybriden Werkstofflösungen.
Im Folgenden geben wir einen Abriss der Keynote-Vorträge, die nicht im Tagungsband erschienen sind.

Werkstoffe über den gesamten Life Cycle bewerten

Etwas provozierend formulierte Professor Heinz Jörg Fuhrmann, Vorstandsvorsitzender der Salzgitter AG, in seinem Keynote-Vortrag, dass Hybride Strukturen seit vielen Jahren etabliert seien: Schon in den frühen 1970er Jahren habe man Kühlschränke mit Folien kaschiert. Diese Co-Laminate seien teilweise dicker gewesen als das Blech selbst.
Im Baubereich sind Sandwichelemente mit bis zu 8 Schichten keine Seltenheit.
Pipelinerohre werden als Korrosionsschutz und Crack Arrestor (Rissfänger)in mehreren Lagen mit Faserwerkstoffen ummantelt.
Und auch in der Anlagentechnik trifft Stahl auf Kunststoff bei Ventilen und Gummi-Metallbuchsen.

FuhrmannDie hybriden Werkstofflösungen teilte Fuhrmann auf in Werkstoffverbünde mit Stahl, wie Gürtelreifen, und Verbundwerkstoffe ohne Stahl, wie die faserverstärkten Beplankungen des Trabant aus Baumwolle mit Phenolharz aus den 1960er Jahren oder die aktuelle CFK-Karosserie des BMW i8. Heute stellen die Bereiche Transport und Automobil die meisten Anforderungen an hybride Feinblechlösungen und sorgen damit für den aktuellen Entwicklungsschub.

Prof. Dr.-Ing. Heinz Jörg Fuhrmann, Vorstandsvorsitzender der Salzgitter AG © EFB

Vor allem die „CO2-Gesetzgebung“, die einen minimalen CO2-Fußabdruck gerechnet auf den Flottenverbrauch verlangt, treibt den Leichtbau. Wenn also 40 % des PKW-Gewichts auf die Karosserie entfallen, wird hier das größte Einsparpotenzial vermutet. Also leichter um jeden Preis der Umwelt zuliebe?

Fuhrmann bemängelt, dass der Gesetzgeber nur die Emissionen während der Nutzungsphase sieht. Denn rechne man die Herstellung des Bleches dazu, stellt sich Stahl als überaus nachhaltig heraus. Fuhrmann bricht eine Lanze für den Werkstoff Stahl: Er hat in der primären und sekundären Herstellung eine gute Ökobilanz, ist kostengünstig, lässt sich beliebig oft ohne Qualitätsverlust recyclen, bietet durch Varianten verbesserte Eigenschaften und ist sehr gut weiterverarbeitbar beim Umformen, Fügen und Lackieren.

Sein Fazit lautet: Hybride Werkstofflösungen sind kein Intermezzo – Stahl bildet dafür eine hervorragende Basis!

Perspektiven für Stahl

Bei der Entwicklung neuer Produkte berücksichtigen Unternehmen wirtschaftliche und gesellschaftliche Rahmenbedingungen. Die Demografie und Globalisierung, führen zu einem „Mehr“ an Konsumgütern und Verbrauch. Für die zunehmende Urbanisierung wird mehr Infrastruktur benötigt. Diesen Treibern neuer Entwicklungen stehen einschränkende Faktoren wie Klimawandel, Ressourcenverfügbarkeit und oftmals die Politik entgegen, so dass die Reduzierung des CO2-Ausstosses, die Optimierung oder Neuentwicklung von Verfahren und die Suche nach alternativen Energien oder deren Einsparung als ein „Besser“ Eingang in die Produktkonzeptionen finden müssen.

FerkelWelche Möglichkeiten sich daraus für den Werkstoff Stahl ergeben, erläuterte Prof. Hans Ferkel, Direktor Technologie & Innovation der Thyssen-Krupp Steel Europe AG, auf seiner Eröffnungsrede zum EFB-Kolloquium. Gerade im automobilen Leichtbau stellen höchstfeste Kalt- und Warmumformstähle die wirtschaftlichste Option dar. Beim VW-Golf 7 ist deren Anteil auf 24 % gestiegen, was einen Gewichtsvorteil von 23 kg ausmacht. Dadurch kann der Kraftstoffverbrauch weiter sinken.

Prof. Dr. rer.nat. habil. Hans Ferkel, Direktor Technologie & Innovation, ThyssenKrupp Steel Europe  AG © EFB

Der Herausforderung zur Optimierung der Funktionseigenschaften moderner Stahl-Leichtbaustrukturen begegnet Thyssen mit dem Partiellen Formhärten, für das verschiedene Technologien eingesetzt werden: bei Tailored Welded Blanks entstehen 2 Werkstoffgüten in einer Platine, in Öfen wird die Platinentemperatur gesteuert und mit dem Tailored Tempering erreicht man eine geregelte Abkühlgeschwindigkeit.

Die Leichtbaupotenziale mit Stahl erforscht Thyssen in seinem InCar®plus-Projekt. So konnte durch ein warmumgeformtes Profil die A-Säule so verschlankt werden, dass sie 34 % mehr Sicht gewährt bei gleichzeitig um 10 % reduziertem Gewicht.

Ferkel erläuterte die T³-Technologie, bei der Platinen für Längsträger in U- und Q-Formen umgeformt werden.

Durch ein Stahl-Sandwich TriBond® kann die hohe Festigkeit der Warmumformstähle mit der guten Biegefähigkeit eines konventionellen Stahlwerkstoffs in Einklang gebracht werden, so dass das Blech universal verarbeitbar ist.

Für flächige Bauteile bietet Thyssen das steifigkeitsoptimierte Stahlsandwichblech LITECOR® mit Kunststoffkern an. Die Gewichtseinsparung allein reicht aber noch nicht; man muss den Werkstoff umformen, schneiden, falzen und fügen können. Selbst Punktschweißen ist mit einer Sekundärelektrode möglich. Die hohe Kunst beim Falzen, so Ferkel, sei, dass die Kunststofflage nicht delaminiert und trotzdem Platz im Bauteil findet. Thyssen fügt eine Entlastungsnut ein, damit sich der Kunststoff kontrolliert in der Geometrie verteilen kann.

Der Stahlhersteller Thyssen hat keine Berührungsängste gegenüber Kunststoff; und Ferkel freut sich über die Öffnung des Themenspektrums bei der EFB in Richtung hybride Strukturen, so dass sich auch künftig interessante Projekte für die Industrieforschung ergeben werden.

Auch im Bereich der Windenergie sieht Thyssen weitere Chancen für den Werkstoff Stahl und bietet mit TetraFlex® eine reine Stahlkonstruktion für Türme mit einer Nabenhöhe über 120 Metern, Dabei wird in der unteren Hälfte aus Großrohren eine aufgelöste Struktur errichtet, auf die dann ein konventioneller Stahlrohrrundturm aufgesetzt wird.

Im Straßenbau sieht Ferkel künftige Einsatzmöglichkeiten für Stahl, insbesondere im Brückenbau: So konnte z.B. die marode Leverkusener Autobahnbrücke durch den Austausch der Beton-Leitplanken durch Stahl-Leitplanken um 500 Tonnen entlastet werden. Mit InnoCity® will Thyssen den steigenden Anforderungen an urbane Mobilität begegnen. Ein mutiges Design ermöglicht filigrane Stahlbaubrücken, die, modular gefertigt, geringere Aufstellflächen benötigen.

Für das oben beschriebene LITECOR®-Blech stellte Dr. Lutz Keßler in seinem Vortrag die Erweiterung der Umformsimulation für Sandwichbleche mit der Multilayer Shell Simulation vor, die Thyssenkrupp mit der ESI - Engineering System International GmbH entwickelt hat.

Aluminium – der angesagte Werkstoff

Der Siegeszug des Aluminiums im Bewusstsein der Menschen begann in den 1980er Jahren mit der Getränkedose. Dazu kam der Alu-Druckguss. In den 1990er Jahren fand Alu Eingang in den Automobilbau mit der Audi-Space-Frame-Karosserie. Heute sieht Werner Stelzer von Constellium und Vorstandsmitglied der EFB Aluminium als „Material of Choice“ aber mit großem Steigerungspotenzial auch noch im B- und C-Segment von Großvolumenserien.

Erzeuger wie Constellium sehen zweistellige Zuwachsraten aufgrund der weltweiten Nachfrage und erweitern ihre Produktionskapazitäten auch in russischen und asiatischen Märkten. 2014 wurden 53 Mio. Tonnen Primäraluminium produziert. Es gebe aber noch genügend Herausforderungen. Spezifische Legierungen und hybride Verbindungstechniken müssen weiterentwickelt werden.

Für die OEM ist der Einsatz von Aluminium letztlich ein Rechenexempel, weiß Stelzer: Wenn 100 kg eingespartes Gewicht zu einem reduzierten Verbrauch von 0,3 bis 0,5 Liter Treibstoff auf 100 km führen, würden zusätzliche Kosten von 2 bis 10 €/kg Gewichtseinsparung akzeptiert.

Kunststoffe

Auf dem Vormarsch sind Metall-Kunststoff-Sandwiches und die Verbundfaserstoffe. Unbestreitbarer Vorteil ist ihr geringes Gewicht. Durch Multiaxialgelege kann auch die nötige Steifigkeit beispielsweise für nicht-tragende oder nicht-crashrelevante Teile im Automobil erreicht werden.

Dem Großserieneinsatz stehen zur Zeit noch neben den Herstellungskosten die Taktzeiten von rund 1 Minute bei der Bauteilfertigung im Weg. Umform- und Fügeprozesse müssen angepasst bzw. neu entwickelt werden.
CFK-Teile können beispielsweise erst nach der KTL an die metallischen Bauteile montiert werden.

Bakker Janetzko Wuertele
Für die Kunststoffe sprachen Steven Bakker MSc., SAERTEX GmbH & Co. KG - Dr.-Ing. Dipl.-Wirt.Ing. Steffen Janetzko, SGL Carbon GmbH - Dipl.-Ing. Martin Würtele, KraussMaffei Technologies GmbH © EFB

Strategie der Anwender

Daher hängt bei OEMs wie AUDI die Materialauswahl von den Parametern Funktion, Leichtbaugrad, Stückzahl und Kosten ab, erläutert Karl Unger.

Als Fazit stellt er fest: Intelligenter Leichtbau ist unumkehrbar – aber nicht um jeden Preis. Für die Produktpalette bedeutet das, dass der Einsatz von CFK an Modellen mit geringen Stückzahlen ausprobiert wird. Stahl und Aluminium werden noch weiterhin für Volumenmodelle der wichtigste Werkstoff bleiben.

An vielen Stellen wird geforscht, die neuen Werkstoffe bald großserientauglich zu machen. Volkswagen etwa organisiert mit Universitätsinstituten, einer Vielzahl von Unternehmen – auch KMU aber in jedem Fall Technologieführern – die Forschungsfabrik Open Hybrid Lab Factory e.V. in Wolfsburg.

Die verarbeitenden Unternehmen, vor allen der Zulieferindustrie, müssen sich also schon jetzt mit den neuen Materialien auseinander setzen, wollen sie rechtzeitig auf den Erfolgszug der hybriden Werkstofflösungen aufspringen und in der Zukunft keine Geschäfte verpassen.


 

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