Hybrider Leichtbau als Weg zur optimalen Bauteilgestaltung Der richtige Werkstoff an der richtigen Stelle - KEM

Hybrider Leichtbau als Weg zur optimalen Bauteilgestaltung

Der richtige Werkstoff an der richtigen Stelle

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Auf der Messe Composites Europe, die vom 29. November bis zum 1. Dezember 2016 in Düsseldorf stattfindet, ist Leichtbau ein wichtiges Thema. Im Vordergrund stehen hier hybride Leichtbaulösungen aus einem intelligenten Mix unterschiedlicher Materialien.

Der Autor: Dr. Walter Begemann, Projektleitung VDMA-AG Hybride Leichtbau Technologien

Die Autoindustrie steht unter enormem Druck. Sie muss es schaffen, die Abgase der Fahrzeuge drastisch zu reduzieren, um die von der EU vorgeschriebenen niedrigen CO2-Grenzwerte zu erreichen. Diese Emissionsverringerung wird neben effizienteren Antrieben in erster Linie durch eine Verringerung des Gewichts erreicht. Leichtbau ist deshalb in dieser Branche das Gebot der Stunde. Der Zwang zu leichteren Karossen hat dazu geführt, dass die Entwicklung von Faserverbundwerkstoffen, hauptsächlich von carbonfaserverstärkten Kunststoffen (CFK), in den letzten Jahren rasant und sehr erfolgreich vorangetrieben wurde. Denn diese Werkstoffe sind im Vergleich etwa zu Metallen viel leichter und dennoch sehr fest.
Mit dem i3 von BMW gibt es mittlerweile ein Auto, dessen Karosse komplett aus CFK gebaut ist. Ähnlich dem Audi A8, dessen Karosse nahezu zu 100 % aus Aluminium besteht, ist es ein Beispiel, das zeigt, was technisch machbar ist. Dennoch werden künftig nicht alle Autos aus CFK bestehen, ebenso wenig, wie der A8 den Werkstoff Stahl verbannt hat. Die Erfahrung bei früheren Entwicklungen spricht dafür, dass es künftig eine sinnvolle Mischung von Werkstoffen wie CFK, Kunststoff, Stahl, Aluminium oder Magnesium geben wird. Hybrider Leichtbau wird die Zukunft im Auto bestimmen. Diese Entwicklungen werden auch anderen Branchen zugutekommen, etwa der Luftfahrtindustrie oder der Elektrotechnik.
„Es wird einen zunehmenden Wettbewerb der Materialien und Materialverbindungen geben, aber ich sehe keinen Verdrängungswettbewerb“, sagt Marc Kirchhoff vom Branchenmanagement Leichtbau und Elektromobilität bei der Trumpf Laser- und Systemtechnik GmbH. Er verweist darauf, dass die Stahlbranche nach Entwicklung des Audi A8 ihrerseits nach Leichtbaulösungen gesucht hat. Ein Ergebnis waren die sogenannten Tailored Blanks, maßgeschneiderte Bleche unterschiedlicher Form, Dicke und Festigkeit, die heute in den Autos standardmäßig verwendet werden. Auch die Entwicklung hochfester Stähle ist eine Konsequenz aus dem Wettbewerb der Materialien. Kirchhoff rechnet damit, dass sich diese Entwicklung jetzt, wo die Kunststoffe und die hybriden Bauteile ins Rennen kommen, wiederholen wird. „Die Stahlhersteller werden versuchen, noch festere Stähle zu entwickeln, die Aluminiumhersteller machen es ähnlich. Durch den Wettbewerb der verschiedenen Werkstoffe schaukeln sich alle nach oben. Bislang ist noch keine Technologie hinten heruntergefallen“, ist Kirchhoff überzeugt.
Paradebeispiel B-Säule
Die B-Säule muss als seitliche Verbindung zwischen Fahrzeugboden und -dach hochbelastbar sein und aus Sicherheitsgründen sehr hohen Crash-Anforderungen genügen. Derzeit wird dieses anspruchsvolle Bauteil noch in den meisten Autos aus einem relativ dicken Stahl hergestellt. Aber die Werkstoffkonkurrenz holt auf. „Ich kann mir gut vorstellen, dass die B-Säule in Zukunft auch mit carbonfaserverstärktem Kunststoff realisiert wird. Der große Vorteil von Carbonfasern ist ja neben der hohen Steifigkeit zum Gewicht auch eine hohe Energieabsorption im Falle eines Aufpralls“, sagt Nicolas Beyl, Geschäftsführer Reaktionstechnik bei der KraussMaffei Technologies GmbH.
Die Sicherheit für die Autoinsassen zu erhöhen, ist schon immer ein großes Ziel der Konstrukteure gewesen. Nun stehen ihnen verschiedene Möglichkeiten der Realisierung offen. „Es laufen Entwicklungen, die Materialien entsprechend der Belastungen im Verlauf der B-Säule auszuwählen. So kommen hier Kombinationen von Stahl, hochfesten Stählen und Kunststoffen zum Einsatz. Eine solche B-Säule bietet die höchste Sicherheit und ist gleichzeitig deutlich leichter als eine reine Stahlkonstruktion“, erläutert Kirchhoff. Die prominente B-Säule steht damit exemplarisch für eine Entwicklung, die sich überall im Fahrzeug abzeichnet. In Zukunft wird in jedem Anwendungsfall geprüft, welches Material dafür am besten in Frage kommt: CFK, glasfaserverstärkte Kunststoffe, Aluminium oder Stahl.
Wieder eine Parallele zum Audi A8 aus den 1990-er Jahren: Die Vollaluminium-Karosserie hat sich tatsächlich nicht in allen Fahrzeugklassen durchgesetzt. Aber sie hat bewirkt, dass immer mehr Teile im Auto – Motorhauben, Kotflügel, teilweise auch Türbleche – in Aluminium realisiert werden. Ähnlich wird auch der BMW i3 für einen stärkeren Einzug von Faserverbundwerkstoffen im Auto sorgen. „Es werden sich Bereiche im Auto etablieren, wo die faserverstärkten Kunststoffe dominant sind, andere Bereiche, wo eher Aluminium oder Stahl dominant sein werden“, sagt Beyl.
Herausforderung Verbindungstechnologie
Schlüssel des künftigen Materialmixes ist die Verbindungstechnik. Für Bauteile aus demselben Material gibt es schon lange etablierte Fügemethoden. Stahlbleche werden beispielsweise klassischerweise miteinander verschweißt. Unterschiedliche Werkstoffe lassen sich aber auf herkömmliche Art nicht miteinander verbinden. Auch deshalb ist die Fahrgastzelle des BMW i3 vollständig aus CFK. Man hat erst einmal genug damit zu tun, diesen neuen Werkstoff in einem serienreifen Produkt zu verwenden und spart sich zunächst einmal, Antworten auf die offenen Fragen der Verbindung mit anderen Werkstoffen zu finden. Einen Faserverbund kann man nämlich nicht mit einer Blechstruktur verschweißen. Deshalb werden Verfahren entwickelt, mit denen sie verklebt, vernietet oder verschraubt werden können.
Eines der Werkzeuge für hybride Verbindungen ist der Laser. „Damit hat man viele Möglichkeiten, die unterschiedlichen Materialien zu prozessieren, also zu schneiden zu strukturieren und vieles mehr“, sagt Kirchhoff von Trumpf. Die Verbindungstechnik ist auch eines der zentralen Themen, die in der Arbeitsgemeinschaft Hybride Leichtbau Technologien des VDMA besprochen werden. Diese Plattform erleichtert den Erfahrungsaustausch und eine bessere Verzahnung zwischen Endanwendern, Zulieferern und Maschinenbau. Ziel ist es, für den Materialmix des hybriden Leichtbaus einen Technologiemix in der Fügetechnik zu entwickeln. „Dadurch, dass wir in der Arbeitsgemeinschaft das ganze Spektrum abbilden, erkennt man die Anforderungen des Marktes besser. Es geht schließlich darum, ohne Scheuklappen am Ende das Beste herauszuziehen“, sagt Peter Egger, Leiter des Technologiezentrums für Leichtbau-Composites beim Spritzgießmaschinenbauer EEngel Austriaund Vorstandsvorsitzender der neuen Arbeitsgemeinschaft.
Material-Mix bestimmt das Auto der Zukunft
Der Pressenhersteller Schuler hat als Spezialist in der Umformtechnik einen guten Überblick, welche Materialien im Fahrzeugbau im Kommen sind. „Wir sehen, dass gerade der Bereich Warmumformung unglaublich stark zulegt. Es gibt mittlerweile über 300 Anlagen weltweit. Die Wachstumstendenz ist ungebrochen. Die Composites sind dagegen noch eine kleine Pflanze, aber auch sie wächst. Wir sehen, dass sich inzwischen alle Autofirmen damit beschäftigen“, sagt Lothar Gräbener Direktor Vertrieb Division Hydraulik, Blechumformung/Leichtbau bei Schuler.
Auch in der Stahlindustrie hat sich einiges in Richtung Leichtbau getan. Um Gewicht zu sparen, hat die Branche beispielsweise die sogenannten warmumformbaren hochfesten Stähle entwickelt. Dabei wird eine bestimmte Stahllegierung stark erhitzt und erst dann zum Umformen in eine Presse gegeben. Danach lässt man den Stahl dort abkühlen. Dadurch entsteht eine Gefügeumwandlung, durch die das Material eine wesentlich höhere Festigkeit bekommt. Damit braucht man für ein und dieselbe Anwendung dünneres und damit weniger Material.
„Wir glauben, dass immer mehr Multi-Material-Fahrzeuge entstehen werden im Automobilsektor“, sagt Gräbener. Neue, hochfeste Stahlsorten werden verbaut, Aluminium und Magnesium auch. Dazu kommen die reinen Kunststoffe und die Verbundstoffe. „Hier gibt es auch viele neue Entwicklungen. Neben Carbon- und Glasfasern werden auch schon Naturfasern wie Raps eingesetzt. Es gibt immer einen Wettlauf der Werkstoffe“, sagt der Pressenfachmann.
An Leichtbau geht für die Autoindustrie kein Weg vorbei. Nicht nur muss sie die politischen Vorgaben der Emissionsverringerung erfüllen. Leichtbau ist auch bei der Entwicklung von Elektroautos unverzichtbar, weil man das große Gewicht der Batterien durch Gewichtseinsparungen an anderer Stelle kompensieren muss. „Wir werden deshalb immer mehr Leichtbauanwendungen sehen. Das muss nicht nur Faserverbund sein, dass können auch Leichtmetallstrukturen sein. Ich glaube, dass diejenigen Mischstrukturen ihre Zukunft haben, die auf dem richtigen Weg sind, so etwas auch kostengünstig umsetzen zu können“, sagt Matthias Graf, Leiter Technologie und Geschäftsentwicklung Business Unit Composites bei der Dieffen‧bacher GmbH. bec

Kontakt

40293631

info

VDMA Verband Deutscher Maschinen- und Anlagenbau e. V.
Arbeitsgemeinschaft Hybride Leichtbau Technologien
Frankfurt am Main
Dr. Walter Begemann, Projektleitung
Tel. + 49 69 6603-1932
Composites Europe: Halle 8a, Stand H30
Direkt zur VDMA-Arbeitsgemeinschaft Hybride Leichtbau Technologien
http://t1p.de/16oa

Die VDMA-AG Hybride Leichtbau Technologien

Info

Leichtbauanwendungen basieren zunehmend auf einem intelligenten Materialmix. Am 22. Januar 2016 wurde das Forum Composite Technology im VDMA daher in die Arbeitsgemeinschaft Hybride Leichtbau Technologien überführt. Das Tätigkeitsfeld erweitert sich damit durch den metallischen zum hybriden Leichtbau. Neben den 180 VDMA-Mitgliedsunternehmen steht jetzt auch Anwendern, Zulieferern und Forschung die Mitwirkung in der Arbeitsgemeinschaft offen. Gemeinsames Ziel ist es, Produktionsverfahren, Automatisierung und Fügetechnologien werkstoffübergreifend und europaweit weiterzuentwickeln und damit zukunftsweisende Arbeitsplätze zu schaffen.
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