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Das richtige Material am richtigen Platz

5. März 2015

Nach diesem Prinzip wird die funktionsgerechte und optimale Kombination der unterschiedlichen Eigenschaften der Werkstoffe Stahl, Aluminium und Faserverbund für einen intelligenten Mischbau eingesetzt. Die Materialauswahl erfolgt dabei ebenfalls unter Berücksichtigung aller wirtschaftlichen und energetischen Aspekte.

hybrid-K2015

So konnte sich im Automobilbau die Karosserie zum Ausgangspunkt für eine Umkehr der Gewichtsspirale entwickeln. Es gibt dabei mehrere Leichtbauansätze, die für den eingesetzten Werkstoffmix entscheidend sind.

Aufgrund seines Kosten- / Nutzenpotentials ist Stahl nach wie vor der klassische Karosseriewerkstoff, doch im Leichtbau werden verstärkt weiche Stahlgüten mit hoch- und höchstfesten sowie vor allem warmumgeformten Stählen kombiniert.

Bei Audi kombiniert die Karosseriestruktur in Multimaterial Space-Frame-Bauweise Aluminiumbleche, -druckgussbauteile und -profile mit Mitteltunnel, B-Säule, Hutablage und Rückwand in kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff, ergänzt durch eine Außenhaut in Aluminium- und Verbundwerkstoffen.

Unter einer funktionalisierten Hybridisierung der Werkstoffe werden bei VW in diesem Zusammenhang zwei wesentliche Aspekte verstanden. Einerseits werden Werkstoffe mit verschiedenen Eigenschaften so zu einem Gesamtbauteil zusammengesetzt, dass eine optimale, lastpfadoptimierte Materialverteilung entsteht. Andererseits wird durch die Kombination verschiedener Materialsysteme, beispielsweise durch angespritzte Versteifungsrippen an metallischen Bauteilen oder metallische Einleger in FVK-Strukturen, die Funktionalisierung ermöglicht.

Im Bereich der Fertigung beruht die Hybridisierung auf der Synthese von urform-, umform- und fügetechnischen Prozessen in einem Arbeitsgang. Mit der Idee „ein Takt - ein Hybridbauteil“ zielt VW auf ein integriertes und funktionsspezifisch gestaltetes hybrides Werkstoffkonzept innerhalb eines Bauteils ab.

Aluminium

Große und flächige Außenhautbauteile werden hauptsächlich auf Biegesteifigkeit des Bauteils (Beulwiderstand, Hagelschlag, etc.) ausgelegt. Wird hier Stahl- durch Aluminiumblech ersetzt, kann mit einem geringfügig stärkeren Blech eine ähnliche Performance wie bei Stahl erreicht werden, aber mit einem halbierten Flächengewicht.

Im Aluminiumbereich wird bei Constellium je nach Einsatz mit unterschiedlichen Legierungen gearbeitet - bei der Wahl von Außenhautlegierungen spielt die Ästhetik eine besondere Rolle. Es müssen allerdings Kompromisse zwischen Umformverhalten und Festigkeit gefunden werden.

Magnesium

Bei Bauteilen, die bisher überwiegend in Aluminium gefertigt werden, lassen sich durch den Austausch mit Magnesiumblech bis zu weitere 25% Gewicht einsparen. Jedoch ist Magnesium aufgrund der hexagonal Gitterstruktur nur sehr eingeschränkt umformbar. Um äquivalente Geometrien wie z.B. mit Aluminium realisieren zu können, arbeiten die Karosseriewerke Dresden und ihre Partner daran, die Gitterstruktur mit Hilfe von Erwärmungsvorgängen so zu ändern, dass das Verfahren für die Serienfertigung einsetzbar wird.

Leichtbau

Ein zentraler Leichtbauansatz besteht darin, Strukturbauteile belastungsorientiert auszulegen. Dazu müssen die Bauteile und Baugruppen lokal unterschiedliche mechanische Eigenschaften, wie z. B. Festigkeiten, aufweisen. Die Verwendung zweier unterschiedlicher Werkstoffe würde bei Bauteilen mit gleichbleibender Blechdicke dazu führen, dass sich der Werkstoff mit geringerem Fließwiderstand deutlich stärker verformt. Diese unterschiedlichen Umformeigenschaften können über den Parameter der Blechdicke kompensiert werden. Am IPH und LZH wird dazu an Halbzeugen aus Tailored Blanks bzw. Tailored Tubes geforscht.

Beim Umformen von Sandwich-Blechen mit einem Kunststoffkern müssen die unterschiedlichen Matrixbewegungen berücksichtigt werden, um die Ausbildung von Lunkern in der Kunststoffschicht zu verhindern. Am IUL Dortmund sucht man durch das Biegen mit temperierten Werkzeugen nach einer Lösung.

Ein anderer Ansatz bei ThyssenKrupp nimmt durch unterschiedliche Schichtdicken in den Sandwich-Blechen Einfluss auf die Umformeigenschaften.

KraussMaffei setzt auf Spritzgießverfahren, mit denen eine hohe Gestaltungsfreiheit, kurze Zykluszeiten sowie die Implementierung von thermoplastischen Endlosfaserstrukturen und metallischen Inserts vorteilhaft kombiniert werden können.

Das konkrete Beispiel eines endlosfaserverstärkten Thermoplast-Airbaggehäuses zeigt neben dem großen Potenzial zur Gewichtsreduzierung, dass nicht nur Metallbauteile, sondern auch Bereiche von Kunststoffbauteilen durch Organoblech-Verstärkung substituiert werden können.

Von besonderer Bedeutung für die Serienfertigung sind dabei eine zuverlässige Handhabung der heißen Organobleche und ein reproduzierbarer Aufheizvorgang.

Gelege-Mehrschichtverbunde

Kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe (CFK), die auf einer gerichteten Endlosfaserstruktur basieren, weisen eine hohe gewichtsspezifische Steifigkeit und Festigkeit in Faserrichtung auf. Für ihre Verarbeitung zum CFK-Schalenbauteil existieren zahlreiche Herstellungsverfahren wie beispielsweise das sogenannte „resin-transfer-molding“, das Nasspressen oder das Thermoformen von Mischfasern aus Kohlenstoff- und Thermoplastfasern.

Beim Umformen können kritische und unerwünschte Verformungszustände auftreten wie beispielsweise Faserwelligkeiten und Falten. Denn die derzeit eingesetzten Gelege-Mehrschichtverbunde weisen durch unterschiedliche Lagenaufbauten jeweils ein spezifisches Formänderungsverhalten auf. Für eine Prognose wurde bei BMW die Finite-Elemente-Methode (FEM) als ein etabliertes Verfahren, auf die formgebende Operation bei der Herstellung von CFK-Schalenbauteilen adaptiert und ein modulares und an den spezifischen Lagenaufbau angelehntes Gelege-Mehrschichtverbund-Modell entwickelt.

Die ausgezeichneten mechanischen Eigenschaften der Multiaxialgelege werden bei Saertex in den meisten Anwendungen erst nach einer Imprägnierung der Fasern mit einer Matrix erreicht. Sie stabilisiert die Verstärkungsfasern in ihrer Position und verteilt die mechanische Beanspruchung des Bauteils.

Allerdings müssen für einen Großserieneinsatz, z.B. in der Automobilindustrie einige Voraussetzungen geschaffen werden. Das Hauptaugenmerk liegt dabei auf den Kosten und auf der Verarbeitungszeit.

Die Leichtbaukonzepte lassen sich aus dem dargestellten Katalog der Werkstoffe in vielfältiger Weise umsetzen. Aus Sicht der anwendenden Automobilindustrie liegt die Herausforderung für die Produktion dabei in der Reduzierung der stetig steigenden Anzahl an benötigten Fügeverfahren.

Die Fügetechnik bei Salzgitter Mannesmann Forschung sucht vor allem bei Mischbaustrukturen nach Lösungen. Häufig wird die Kombination von mechanischen Fügeverfahren mit dem Kleben angewendet, um die oben erwähnten Werkstoffe artverschieden miteinander zu verbinden. Jedoch dürfen die Temperaturen während der Klebstoffaushärtung nicht unbeachtet bleiben. Bei Temperaturen von annähernd 200°C treten bereits nennenswerte Ausdehnungen in den Fügeteilen auf, die zur Induzierung von Eigenspannungen und zu unerwünschten Bauteilverformungen führen.


 

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