04. DEZEMBER 2016

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Jedes Gramm zählt


In jedem Straßenfahrzeug stecken – von außen unsichtbar – viele Meter Rohr. Wie alle Komponenten eines Kraftfahrzeugs unterliegen auch sie einem stetigen Wandel mit dem Ziel der Kostenoptimierung, der Verbrauchs- und Gewichtsreduzierung. Im Automobilbau überwiegt nach wie vor der Gebrauch von Aluminium und Stahlwerkstoffen. Vor allem neue hochfeste Stahlsorten leisten einen immer größeren Beitrag zur Verringerung des Fahrzeuggewichtes, des Kraftstoffverbrauchs und der CO2-Emissonen.

Der Fortschritt findet nicht nur bei den Automobilherstellern statt, sondern auch bei den Zulieferern. Zu den Unternehmen, die sich in großem Maßstab mit Forschung und Entwicklung rund um das Automobil befassen, gehört Thyssenkrupp. Beim Forschungsprojekt Incar plus wurde das Ziel verfolgt, eine breite Palette rasch umsetzbarer, serienreifer Lösungen zu entwickeln.

Das Ergebnis waren mehr als 40 innovative Lösungen für Fahrwerk, Lenkung, Antriebsstrang und Karosserie, die laut Dr. Heinrich Hiesinger, Vorstandsvorsitzender Thyssenkrupp, „beim Gewicht Einsparpotenziale bis zu 50 Prozent, bei den Bauteilen und Kostenvorteile bis zu 20 Prozent erreichen.“

Die Vorgaben der EU zur Reduktion des CO2-Ausstoßes stellt die Automobilindustrie vor große Herausforderungen: Automobiler Leichtbau mit Stahl leistet dazu einen wichtigen Beitrag, so Dr. Heribert Fischer, Mitglied des Vorstandes bei Thyssenkrupp Steel Europe: „Vor allem, weil er ökologisch sinnvoll und wirtschaftlich umsetzbar und auch für kleinere und mittlere Fahrzeugklassen mit hohem Kostendruck praktikabel ist.“

Warmumformung liegt im Trend
Bei crashrelevanten Bauteilen ist die Warmumformung eine probate Methode, um komplex geformte Bauteile mit sehr hoher Festigkeit und Stabilität bei geringem Gewicht herzustellen. Dazu werden Platinen erhitzt, die glühenden Bleche in einer Prese umgeformt und anschließend schnellstmöglich heruntergekühlt. In der Automobilindustrie sind, so Dr. Fischer, „nicht Aluminium oder CFK die am stärksten wachsende Werkstoffsegmente im Auto, sondern warm umgeformte Bauteile aus Stahl.“
 
Bei den Stählen mit höchsten Festigkeiten wurden im Rahmen von Incar plus Fahrzeugkomponenten aus neuen Stählen wie einem Dualphasenstahl der 1.200er-Festigkeitsklasse oder einem ultra-hochfesten Mangan-Bor-Stahl für die bei einem Seitencrash hochbelastete B-Säule entwickelt, die mittels Kalt- oder Warmumformung verarbeitet werden. Die hohe Festigkeit der Stähle ermöglicht es, die Blechdicke zu reduzieren und einen Kosten- und Gewichtsvorteil zu erzielen.

Mit Hilfe der Warmumformung lassen sich sehr komplexe Geometrien herstellen. Beispielhaft dafür steht ein neu konstruierter vorderer Biegeträger aus warmumgeformten Mangan-Bor-Stahl, der eine Gewichtsreduktion um fast 20 Prozent – rund zwei Kilogramm – ermöglicht. Diese Lösung ist etwa so schwer wie ein Aluminiumbauteil, aber deutlich kostengünstiger. Ein weiteres Beispiel ist eine A-Säule, bei der geschlossene Profile warmumgeformt werden. Die kostengünstige Leichtbaulösung erlaubt neben der Gewichtsreduzierung eine schlankere A-Säule, die den Blick nach vorn verbessert.

Eine deutliche Gewichts- und Kostenersparnis gegenüber herkömmlichen Lösungen soll auch eine B-Säule aus Tribond, einem dreilagigen Stahl-Werkstoffverbund für die Warmumformung, erlauben. Hier erreicht man durch die Kombination höchstfester mit hochduktilen Stählen in einem Stahl-Sandwichwerkstoff Eigenschaften wie eine hohe Energieaufnahme und große maximale Biegewinkel.

Optimierung der Antriebstechnologie
Zu den Schwerpunkten in dem Projekt gehört auch die Optimierung der Antriebstechnologie hin zu mehr Effizienz und weniger Emissionen. Und zwar beim konventionellen Verbrennungsmotor, der laut Dr. Karsten Kroos, Vorsitzender des Bereichsvorstands der Business Area Components Technology bei Thyssenkrupp, auf absehbare Zeit die dominierende Antriebsform bleiben wird und viele Möglichkeiten zur Vermeidung von Schadstoffemissionen bietet. Im Fokus stand neben der Erhöhung des thermodynamischen Wirkungsgrads die Vermeidung von Reibungsverlusten im Antriebsstrang.

Unter anderem wurde eine gebaute Nockenwelle mit integriertem Ölabscheidesystem entwickelt, die den üblichen externen Ölabscheider überflüssig macht, weil der gesamte  Prozess der Gas- und Ölabscheidung in der Nockenwelle selber stattfindet. „Diese integrierte Lösung ist nicht nur effizienter als die Referenzsysteme, sondern spart noch dazu Bauraum ein und eröffnet den Fahrzeugherstellern damit neuen Spielraum in der Motorarchitektur“, verspricht Dr. Kroos.
 
Neben dem klassischen Verbrennungsmotor standen beim Incar-plus-Projekt auch Hybride und rein elektrische Antriebssysteme im Fokus mit dem Ziel, die Wirkungsgrade von E-Antrieben zu steigern. Für den Rotor beispielsweise wurde eine neue Architektur entwickelt, die dank des mehrteiligen, modularen Aufbaus bis zu 16 Prozent Gewicht einspart. Zudem bietet das Konzept neuen Bauraum in Inneren des Rotors, der für Funktionen wie eine Ölzuführung, aktive Kühlung oder motoreigene Sensorik genutzt werden kann.

Bei der Suche nach neuen Lösungen ist man bei Thyssenkrupp nicht ausschließlich auf Stahlwerkstoffe fixiert. So finden sich im Incar-plus-Portfolio auch Elemente aus CFK. Beispielsweise ein sehr steifes und leichtes CFK-Stoßdämpferrohr, das rund 30 Prozent leichter sein soll als die leichtesten Aluminiumrohre. Ein serientaugliches Industrialisierungskonzept wurde gleich mit entwickelt. Die Nutzung weiterer Optimierungspotenziale soll sogar CFK-Rohre mit einer Gewichtseinsparung von rund 45 Prozent ermöglichen.

Wärmeleitrohre nutzen überschüssige Energie
Den Kunden zu helfen, bessere Autos zu bauen, indem man sie schon in einem frühen Stadium bei Themen wie Leichtbau, Sicherheit oder der Reduzierung von Emissionen unterstützt, ist ein Ziel von Benteler International. Unter den Produkt- und Verfahrensentwicklungen im Bereich Automobiltechnik sei ein Projekt zur Wärmerückgewinnung aus Auto-Abgassystemen durch spezielle Wärmeleitrohre, sogenannte Loop Heat Pipes (LHP), erwähnt.

Ein System zur Aufheizung der Fahrgastzelle wurde bereits an einem Versuchsfahrzeug im Realbetrieb und auf einem genormten Rollenprüfstand getestet. Mit einem solchen System kann man auf den heute üblichen, elektrischen Zuheizer verzichten und eine deutliche Reduktion des CO2-Ausstoßes bei Verbrennungsmotoren erzielen.

Zum Produktbereich geschweißte Rohre gehört das sogenannte Varid-Konzept, bei dem Rohre mit variabler Wanddicke durch einen Ziehvorgang hergestellt werden können. Bei rohrbasierten Stabilisatoren ließen sich Gewichtseinsparungen bis zu 50 Prozent gegenüber Vollstäben erreichen, heißt es bei Benteler.

Des weiteren wurden erste Schweißversuche mit Hochmanganstählen mit extremem Umformvermögen durchgeführt. Sie zeigen, dass Rohre aus solchen Werkstoffen grundsätzlich herstellbar sind. Mögliche Anwendungen sind demnach Crash-Struktur-Bauteile im PKW. Im Bereich nahtloser Rohre konnte Benteler dank eines neuen Werkstoffes und der Optimierung der Prozessroute den möglichen Systemdruck bei Dieseleinspritzrohren für eine PKW-Abmessung um rund 200 bar steigern.

Stähle mit hoher Festigkeit und Dehnung
Ein ähnlich Konzern übergreifenden Projekt wie ThyssenKrupp verfolgt auch die Salzgitter AG mit ihrer Initiative Automotive. Mitte des Jahres zeigte das Unternehmen aktuelle Entwicklungen und Lösungskonzepte zum Thema Leichtbau, darunter neue Stahlwerkstoffe, kaltgezogene nahtlose und geschweißte Präzisionsstahlrohre sowie Lösungen vom Prototypen- und Werkzeugbau bis zum fertigen IHU-Bauteil.

Als innovativen Werkstoff bezeichnet Salzgitter den HSD-Stahl (High Strength and Ductility). Der Eisen-Mangan-Aluminium-Silizium-Stahl soll hohe Festigkeiten bei gleichzeitig hoher Duktilität bieten und eignet sich sowohl zur Herstellung von Warm- und Kaltband als auch von geschweißten Präzisionsstahlrohren. Während die hohe Festigkeit eine Reduzierung der Blechdicke erlaubt, steht die hohe Dehnung für gute Umformeigenschaften sowie die Bauteil- und Funktionsintegration, also für komplexe Bauteilgeometrien. Beide Eigenschaften zusammen ermöglichen ein hohes Energieaufnahmevermögen bei crashrelevanten Bauteilen.

Als Anbieter von Präzisionsstahlrohren bietet Salzgitter ein breites Spektrum individuell entwickelter Bauteillösungen für den automobilen Leichtbau. Ein Beispiel für das Potenzial bei bauteilangepasster Auslegung ist ein Stabilisator, der in Vollmaterialausführung bei 22 Millimeter Durchmesser und 1400 Millimeter Länge über vier Kilogramm wiegt. Ein gleich langer Stabilisator aus einem Präzisionsstahlrohr mit 23,5 Millimeter Durchmesser und 3,5 Millimeter Wanddicke wiegt dagegen weniger als 2,5 Kilogramm, also rund 40 Prozent weniger.

Auch bei Getriebewellen lassen sich mit Präzisionsstahlrohren im Vergleich zum Vollmaterial Gewichtseinsparungen erzielen. Hier nennt Salzgitter Werte zwischen 20 und 50 Prozent. Dazu kommen bei einem optimierten Rohrherstellungsprozess Kosteneinsparungen, unter anderem aufgrund eines verringerten Fertigungsaufwandes und des reduzierten Materialverbrauches.

Innovative Lösungen mit Rohren und rohrähnlichen Profilen für die Automobilindustrie werden auch auf der nächsten internationalen Rohrfachmesse Tube eine wichtige Rolle spielen. Die Leitmesse der Rohrbranche wird wieder zusammen mit der Wire vom 4. bis 8. April auf dem Düsseldorfer Messegelände stattfinden.

Datum:
25.01.2016
Unternehmen:
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