29. JUNI 2016

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Die neue Leichtigkeit an der Leine


Future

Abspecken stand auf dem Programm des ›Marktplatzes für Leichtbau-Technologien‹ der Hannover-Messe: Die Bandbreite reichte von der PKW-Karosserie aus hochfesten Stählen über einen CFK-Transporter bis hin zu Sportwagenteilen in Alu-Sandwich-Bauweise.

Stahl gehört in Sachen Leichtbau noch längst nicht zum alten Eisen. Dipl.-Ing. Ralph Bartos, technischer Referent im Stahl-Informations-Zentrum in Düsseldorf: »Im Rahmen der Leitmesse Industrial Supply zeigten mehrere Stahlhersteller, welches enormes Potenzial der Werkstoff Stahl bietet.«

Die Stahlhersteller wandeln sich derzeit von Rohstofflieferanten zu Entwicklungspartnern ihrer Kunden. Ein Beispiel dafür ist der VW Passat CC. Volkswagen vergab für dieses Nischenfahrzeug zum ersten Mal die Materialbestellung projekt-bezogen. Die Salzgitter Flachstahl GmbH liefert unter anderem das Dach, das aus elektrolytisch verzinktem Kaltfeinblech in der Güte DC04 besteht.

Leichtbau ist nicht nur eine Frage des Verfahrens oder des Werkstoffs, sondern auch eine Frage der cleveren Zusammenarbeit. Das beweist die Felss GmbH aus Königsbach-Stein mit ihrer neuen Anlage ›Generation e‹ zum Rundkneten und dem Know-how rund um das Verfahren. Ein Beispiel ist eine PKW-Lenkspindel.Dr.Alexander German, LeiterVertriebund Marketing: »Durch intelligente Konstruktion und Materialverteilung konnten wir das Bauteilgewicht um 33 Prozent senken.« Das Geheimnis besteht in der Kombination aus dünn- und dickwandigen Abschnitten mit einer sehr filigranen Geometrie. Dank des Rundknetens entstand eine sogenannte Netshape-Konstruktion, die keiner weiteren Bearbeitung bedarf. Die spezielle Form der Kaltumformung arbeitet laut Hersteller mit einer Präzision von 20 Mikrometer und kann das Gewicht eines Bauteils im Idealfall sogar halbieren.

Prof. Dr.-Ing. habil. Vesselin Michailov, Lehrstuhl Fügetechnik (LFT) an der Brandenburgischen Technischen Universität in Cottbus setzt Kjellberg-Plasmatechnik bei seinem Forschungsprojekt zu ›wölbstrukturierten‹ Blechen ein. Ausgangsmaterial sind Werkstoffe wie Tiefziehstähle oder Aluminium, die sich leicht verformen lassen. Prof. Michailov: »Wir setzen Plasmatechnik gerne zum Schweißen und zum Schneiden dieser Bleche ein, weil es die entsprechende Qualität liefert.«

16 junge Wissenschaftler und sielogen Professoren beschäftigen sich in Cottbus mit dem Wölbstrukturieren. Die Experten stammen unter anderem aus dem Bauwesen, Straßen- und Schienenfahrzeugbau sowie der Luftfahrt. Die wölbstrukturierten Bleche für Flugzeuge fallen nicht nur leichter aus, sondern böten laut Prof. Michailov auch einen geringeren Luftwiderstand. Seine Vision wäre sogar ein kompletter wölbstrukturierter Flügel. Die Struktur muss dabei stets an das umströmende Medium mit numerischer Simulation individuell angepasst werden.

Direkt vom Coil stellt die Metawell GmbH aus Neuburg/Donau in einem kontinuierlichen Verfahren Aluminium-Sandwich-Platten her, die bereits in Schienenfahrzeugen, Bussen, Reisemobilen, PKW und Schiffen eingesetzt werden. Dazu eine Firmenschrift: »Diese innovative Aluminium-Leichtbauplatte ähnelt im Aufbau der millionenfach bewährten Wellpappe. Ein beziehungsweise zwei Aluminium-Deckbleche werden in einem kontinuierlichen Verfahren mit einem zur Welle umgeformten Dünnblech aus Aluminium verklebt. Bei gleichbleibender Statik erreicht die Metawell-Sandwichplatte bis 75 Prozent

Gewichtseinsparung gegenüber massivem Aluminium.« Aus dieser Konstruktion entstand der Rennwagen Gumpert Apollo Sport, der zeitweise einen Rundenrekord auf der Nordschleife des Nürburgrings hielt. »Die hier eingesetzte Sandwich-Platte ist rund 10 mm dick und besteht aus drei Blechen«, erklärt Detlef Sander. »Für den Apollo fertigen wir Unterboden, Crashbox und die Schottwand.«

Für Gewichtsreduzierung sorgt aber vor allem die selbsttragende Karosserie aus CFK-Monocoque (Masse: schätzungsweise rund 20 Kilogramm) mit Gitterrohrrahmen aus rund 200 zusammengeschweißten Rohren (Chrom-Molybdän-Stahl). Voll betankt bringt der Bolide aus Altenburg keine anderthalb Tonnen auf die Waage. Bisher werden derartige Werkstoffe nur in teuren Fahrzeugen wie dem Apollo (Basispreis knapp 360 €) eingesetzt, denn das Verarbeiten der Kohlestofffasern (CFK) dauert für die Großserie zu lange und kostet wegen des hohen Energieaufwandes zu viel. Momentan liegen die Kosten für eine Fahrgastzelle laut Automobilproduktion bei 20.000 bis 30.000 Euro. Kein Wunder, kostet doch eine CFK-Produktionsanlage mehrere 100 Millionen Euro. Dennoch hat BMW kürzlich für 2015 ein Serien-Elektroauto mit einer CFK-Karosserie angekündigt. Man darf gespannt sein.

Auf dem Vormarsch befinden sich die wesentlich preiswerteren Kunststoffe. BASF SE aus Ludwigshafen ersetzte im neuen Opel Insignia OPC beim Rahmen den bisherigen Stahl durch Polyamid.

Eingesetzt wurde dafür ein Simulationsprogramm, mit dem die BASF-Experten Sitz- und Lehnenschale sowie Quertraverse auslegten. Darüber hinaus hat BASF unterm Markennamen Neopolen P (EPP) einen Polypropylen-Schaumstoff entwickelt. Mit dem Standard-Produktsortiment lässt sich ein Formteildichtebereich von 20 bis 120 Gramm pro Liter abdecken. Christian K. Muehlbauer, Produktmanager: »Neopolen P dient beispielsweise als Werkstoff für Stoßfänger, weil es den Stoß auffängt und sehr verzögert zurückgibt.« Zu weiteren Eigenschaften zählt die Geräuschdämmung, weshalb es beispielsweise als Radauskleidung dient.

Dass bbr über Kunststofflösungen berichtet, erstaunte zunächst Dipl.-Ing. Jörg Stohhäcker, Abteilungsleiter am Institut für Kunststoffverarbeitung (IKV) an der RWTH Aachen. Der bbr-Reporter sprach ihn an auf Bauteile aus faserverstärkten Kunststoffen (FKV), die sogar höherfesten Stählen in Sachen Festigkeit durchaus Paroli bieten können. Der Preis steht und fällt allerdings mit der Herstelltechnik. Neue Wege geht hier das IKV. Stohhäcker: »Wir stellen die FKV-Bauteile nicht mehr in einem Schritt in einem Werkzeug her, sondern verteilen Arbeitsschritte wie Imprägnieren oder Pressen auf mehrere Werkzeuge.« Auf diese Weise kommt es zu unterschiedlichen Verfahrensschritten, die getaktet nacheinander ablaufen und so den Herstellprozess beschleunigen.

Als Informationsquelle empfahl der Fachmann Anwendern in spe die ›Composites Europe 2010‹ im September in Essen (Fachmesse für Techniken und Produkte rund um die gesamte Wertschöpfungskette der faserverstärkten Kunststoffe), die zeitgleich mit der Weltmesse ›Aluminium‹ stattfindet. Auf beiden Messen präsentieren laut Veranstalter weit über 1.000 Aussteller Lösungen zum Thema Leichtbau.
Mit dem Verbinden von Stahlblech und Kunststoff beschäftigt sich auch M. Sc. Muhammad Masood Hussain am Institut für Umformtechnik und Leichtbau (TU Dortmund). Bisher entstanden Blech und Spritzgießteil bekanntlich in separaten Arbeitsschritten, um dann erst miteinander verbunden zu werden. Der Wissenschaftler hat nun ein Verfahren entwickelt, um die beiden Bauteile in einem Schritt in einem Spritzgießwerkzeug zu vereinen. Diese Folienhinterspritztechnik kommt allerdings nur in Frage für vorher entsprechend beschichtete und behandelte Bleche. Muhammad Masood Hussain: »Das Verfahren eignet sich sowohl für dekorative Komponenten und als auch Strukturbauteile.«

Für Werkstoffe aller Art ist ein Konstruktionsprinzip von Jens-Hagen Wüstefeld aus Starnberg gedacht: Pyramidenstümpfe, gebildet aus Streifen, greifen von beiden Seiten eines Gitters ineinander. Es wurden bisher Muster aus Aluminium, GFK, CFK, Pappe und Sperrholz hergestellt. Die Struktur kann aus annähernd allen Materialien in jeder Größe eingesetzt werden, wobei laut Wüstefeld ab einer Dicke von 30 Millimeter die Vorteile gegenüber anderen Systemen im wahrsten Sinne des Wortes zum Tragen kommen. Auch gebogene und kugelförmige Teile lassen sich mit diesem System fertigen. Die Erfindung wird bisher nur im Designbereich eingesetzt. Wüstefeld: »Nach meinem Konstruktionsprinzip ließe sich beispielsweise ein Omnibus fertigen. Hier würde eine 50-Millimeter-Aluminiumstruktur als Bodenplatte mit entsprechenden Seitenwänden reichen.« Sein eigentlicher Beruf spricht dafür, dass diese Konstruktion stabil ausfällt: Der Erfinder verdient nämlich sein Geld als Sachverständiger für Unfallanalysen.

Dipl.-Ing. Nikolaus Fecht
Freier Fachjournalist aus Gelsenkirchen

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