Come together!

Im Mittelpunkt der bbr-Podiumsdiskussion auf dem Lightweight Technologies Forum in Düsseldorf stand die Mischbauweise. Unter der Moderation von bbr-Stammautor Nikolaus Fecht beleuchteten fünf Experten aus der Aluminium- und Stahlindustrie, Laserbranche, Wissenschaft sowie dem Maschinen- und Anlagenbau, wie sich Aluminium mit Stahl und anderen Werkstoffen verbinden lässt.

09. Januar 2017
Wir befinden uns auf dem Lightweight Technologies Forum, das im Rahmen der Aluminium und Composites Europe 2016 stattfindet. (Bild: bbr)
Bild 1: Come together! (Wir befinden uns auf dem Lightweight Technologies Forum, das im Rahmen der Aluminium und Composites Europe 2016 stattfindet. (Bild: bbr))

Wir befinden uns auf dem Lightweight Technologies Forum, das im Rahmen der Aluminium und Composites Europe 2016 stattfindet. Der Veranstalter Reed Exhibition gibt mit diesem Forum Ausstellern die Möglichkeit, über ihre Ideen und Lösungen zum Thema multimaterialen Leichtbau und hybride Lösungen zu informieren. Dieses Konzept inspirierte bbr dazu, mit Unterstützung des Open Innovation Research Cluster AMAP aus Aachen eine Diskussionsrunde zu planen.

Das bewusst provokative Thema lautet: „Reiner „Stahlinismus“ ist passé, es lebe die Mischbauweise - doch wie fügt es sich? Eine Diskussionsrunde rund um multimateriales Kleben, Schweißen, Nieten und Lasern.“ Für das „come together“ von Werkstoffen und Anwendern sorgt die noch junge VDMA-Arbeitsgemeinschaft Hybride Leichtbau Technologien, einer der Aussteller auf Lightweight Technologies Forum.

Nikolaus Fecht: Herr Dr. Walter Begemann, was ist die Zielsetzung einer AG, die ja aus dem Forum Composite Technology hervorging?

Dr. Walter Begemann, Projektleiter der VDMA AG Hybride Leichtbau Technologien: Bei uns engagieren sich 195 Mitglieder, vor allem Technologieanbieter des Maschinen- und Anlagenbaus aus mehr als zehn Fachverbänden. Wir sind bewusst den Schritt vom Forum zur Arbeitsgemeinschaft gegangen, die nun auch externen Anwendern, Zulieferern und Forschern offen steht. Der Trend geht eindeutig zur Mischbauweise, die wir gemeinsam mit den Anwendern angehen wollen.

Herr Dr. Begemann, sie haben ja als Leiter des früheren VDMA-Forums E-Motive auch eine vom Automobil geprägte Vergangenheit. Stehen heute bei Ihnen mehr die Hybridlösungen für Fahrzeuge im Vordergrund?

Die Automobilindustrie ist eindeutig der Treiber - vor allem mit Blick auf die künftigen Elektrofahrzeuge. Sie müssen wegen den Batterien noch enormes Gewicht mit sich herumschleppen. Da kommt Hybridbauweise ins Spiel, die nicht nur Leichtbau, sondern auch die Integration von Funktionen ermöglicht. Uns geht es in der Arbeitsgemeinschaft darum, die entsprechenden Produktionsverfahren, Automatisierung und Fügetechnologien werkstoffübergreifend und europaweit weiterzuentwickeln.

Von der AG zu dem Aachener Open Innovation-Cluster Advanced Metals and Processes: Die AMAP GmbH beschäftigt sich mit Nichteisenmetallen. Laut Homepage arbeiten aktuell im AMAP-Forschungscluster elf Industrieunternehmen und sechs Institute der RWTH Aachen zusammen. Herr Dr. Vieregge, was hat die AMAP vor?

Dr. Klaus Vieregge, Beiratsvorsitzender der AMAP GmbH, Aachen und Head of Research and Development bei der Hydro Aluminium Rolled Products GmbH: Die vor rund sieben Jahren gegründete AMAP 2009/2010 deckt mit ihren Akteuren die gesamte Prozesskette vom Gießen bis hin zur Anwendung ab. Das Interessante an diesem Cluster ist sicherlich die Kombination aus Industrie und Hochschule. Die AMAP wird nicht öffentlich gefördert, sondern sie trägt sich finanziell selbst. Die Partner etablieren Projekte, die sie dann auch finanzieren. AMAP ist aktuell ein reines Aluminium-Cluster, das aber mit dem Ziel Nichteisen-Cluster weiter wachsen will. Die Stärke besteht in der gemeinsamen Entwicklung. Dabei machte uns anfangs das Thema Open Innovation zu schaffen, doch nach einer Lernphase von etwa zwei Jahren und der Gestaltung einer entsprechenden Vertragsgrundlage kam Leben in das Cluster. Wir mussten erst mal lernen, was man dem anderen AMAP-Partner sagen kann.

Sie haben mit dem AMAP-Mitglied Ford, das auf diesem Forum mit einer Aluminiumkarosserie des F 150 vertreten ist, ja bisher nur einen Automobilhersteller in Ihren Reihen. Sie suchen sicherlich dringend weitere Partner aus der Automobilindustrie?

Ihr „nur“ beziehe ich jetzt nur auf die Anzahl der Automobilhersteller in der AMAP. Doch wenn Sie mal genauer hinsehen, dann war es auch der Hersteller Ford mit seinem Ford F 150, der für den Großserien-Durchbruch für das Aluminium im Automobilbau gesorgt hat. Das hat für enorme Publizität und Aufmerksamkeit für diesen Werkstoff gesorgt. Aber über weitere Partner aus der Automobilindustrie würden wir uns sehr freuen.

Ihr Nachbar bei der Diskussionsrunde hat diese Aussagen sicherlich mit sehr viel Aufmerksamkeit verfolgt, denn er ist im technischen Sinn einer der „Stahlinisten“. Herr Lindner, was steht mit Blick auf Hybridbauweise bei Outokumpu Nirosta an, mit welchen Aufgabenstellungen werden sie z.B. aus Automobilbau konfrontiert?

Stefan Lindner, Senior Technical Manager Automotive / Transportation / New Applications bei der Outokumpu Nirosta GmbH: Das Thema Multi-Material-Design prägt schon seit vielen Jahren unsere Arbeit. Bei der technischen Kundenberatung wie auch der Werkstoffentwicklung reicht es heute nämlich schon längst nicht mehr aus, nur den eigenen Werkstoff zu kennen. Bei der Anwendung ist heute fast immer mindestens ein weiterer Werkstoff an Bord: Sei es eine metallisch-nichtmetallische Verbundstruktur, ein Faserverbundwerkstoff, Aluminium oder auch ein anderer Stahl, denn „Stahlinismus“ kann auch sehr weit gehen: Fügeverbindungen nichtrostender Edelstähle an un-  und niedriglegierten Stahlwerkstoffen sind auch eine Mischverbindung, eine sogenannte Schwarz-Weiß-Verbindung. Daher sind wir es im Kundeninteresse gewohnt, immer Richtung Mischbau und Multi-Material-Design zu denken.

Sind Fügetechniken für Sie auch ein Thema?

Ja, wir beschäftigen uns mit neuen Fügetechniken. Denn wir beraten Kunden, wie sie beispielsweise mit zwei Werkstoffen durch die passende Fügetechnik ihre Anwendung verwirklichen können. Früher wurde zunächst gefragt: Welche Fügetechnikist vorhanden? Heute folgt bei einer Anwendung zunächst die Frage nach dem aus Anwendungssicht geeignetsten Werkstoff, Werkstoffen oder Werkstoffkombination und dann erst die Suche nach der richtigen, d.h. auf die jeweiligen Werkstoffe und ihre Anwendung abgestimmten, Fügetechnik.

Nun zu einem Experten, der sich seit über einem Vierteljahrhundert mit Schweiß- und Fügetechnik beschäftigt. Herr Professor Reisgen, wann wurden Sie erstmals mit dem Fügen von Mischbauweisen konfrontiert?

Professor Uwe Reisgen, Leiter des ISF Instituts für Schweißtechnik und Fügetechnik der RWTH Aachen University: Die Fügetechnik erarbeitet schon seit jeher Lösung für Mischbauweisen. Lange bekannt sind z.B. Edelstahl-Aluminium-Verbünde für die Kühltechnik, die tiefste Temperaturen und hohe Drücke aushalten mussten. Die Fügetechnik für Mischbauweise ist aber besonders im Hinblick auf den automobilen Leichtbau stärker in den Fokus gerückt. Hier gibt es inzwischen sehr gut beherrschte Lösungen für stoffschlüssige Verbindungen. Doch diese neuen Erkenntnisse sind teilweise noch nicht in der Industrie angekommen, weil die Automobilindustrie vor rund zehn Jahren „recht blauäugig“ versucht hat, im Karosseriebau Stahl mit Aluminium durch Schweißen oder Löten stoffschlüssig zu verbinden. Da diese Versuche scheiterten, ist man heute noch sehr reserviert gegenüber den wesentlich höher belastbaren stoffschlüssigen Verbindungen und setzt daher immer noch auf mechanische Verbindungen wie Schrauben, Nieten oder Clinchen.

Aber die mechanischen Verbindungen sind doch nicht schlecht?

Das stimmt, aber es gibt mittlerweile bessere und wesentlich ausgereiftere, gut erforschte Fügeverfahren. Wir kümmern uns beispielsweise in der AMAP, bei der das ISF auch mitmacht, intensiv um das Schweißen und Löten von Stahl-Alu-Verbünden. Ford ist einer der großen AMAP-Partner, die auch Fügetechnische Neuentwicklungen intensiv betreiben. Wir haben also alles in allem bei den thermischen Fügeverfahren sehr viel dazu gelernt, so dass die Verbindungen heute wesentlich mehr Kräfte aufnehmen können als vor zehn Jahren.

Herr Kirchhoff, wie ist denn der Stand der Hybridtechnik-Dinge bei einem thermischen Fügeverfahren, das ein Hersteller der Branche mal als Sexy-Technology bezeichnet hat?

Marc Kirchhoff, Head of Industry and Key Account Automotive, Trumpf Laser- und Systemtechnik GmbH: Ich grenze die Frage auf das Thema Stahl/Aluminium ein, das vor rund drei bis vier Jahren erstmals mit dem Leichtbau in der Automobilindustrie richtig Fahrt aufgenommen hat, als die Ein-Werkstoff-Technologie plötzlich ausgereizt war. Vorher hatte ich mit Mischbauweise schon im Schiffsbau zu tun, in dem Aufbauten oft aus Aluminium bestehen - bei einem Rumpf aus Stahl. Hat man die erste Hürde für eine Fügetechnik genommen, bietet die Mischbauweise enorme Chancen: Neuen Werkstoff-Verbünden folgen oft neue Konstruktionen, die wiederum neue Anwendungsbereiche und Fügeverfahren ermöglichen.

Viele sehen ja den Laser das Allheilmittel an. Doch gibt es auch Alternativen? Welche Fügetechnik hat sich etwa im Karosseriemischbau bewährt, Herr Professor Reisgen?

Führend ist hier die seit 25 Jahren im Automobilbau bewährte Klebtechnik, weil sie als kaltes Fügeverfahren das Material nicht thermisch beeinflusst und aufmischt. Wenn Kleben allein nicht ausreicht, setzt man zusätzlich Nieten oder Schrauben ein. Verstehen Sie es bitte nicht abwertend, aber damit behilft man sich heute. Die Tendenz geht aber bei den stoffschlüssigen Verbindungen hin zu anderen Verfahren wie etwa der Laser- oder Lichtbogenschweißtechnik, die mittlerweile auch Stahl und Aluminium verbinden kann. Aber viele andere stoffschlüssige Verfahren sind im Kommen. Das betrifft nicht nur Stahl/Aluminium sondern auch – Stichwort Elektromobilität – Aluminium/Kupfer.

Apropos Kleben plus Nieten oder Schrauben – bieten sich bei Hybridwerkstoffen nicht auch Hybridverfahren wie Stanznietkleben an?

Professor Reisgen: Ja, denn es ist ein bereits bewährtes Standardverfahren. Doch heute gehen wir bereits einen anderen Weg, weil das Nieten das insbesondere faserverstärkte Material in gewisser Hinsicht zerstört. Gefragt sind Lösungen, die Stoff- und Kraftschluss so miteinander verbinden, dass die Bauteile „unverletzt“ bleiben und maximale Traglast aufnehmen können. Hier gibt es bereits einige neue patentierte Fügeverfahren.

Kirchhoff: Hybridverfahren werden gerne verwendet, wenn es gar nicht anders geht. Doch sie widersprechen dem Gedanken „keep it simple“. Jedes neue Verfahren bringt eine neue Komplexität in den Fügeprozess. In der Automobilindustrie etwa wird weltweit produziert, so dass die Unternehmen in jedem Werk an jedem Standort die Technologie beherrschen müssen. Das Leitmotiv der Anwender lautet daher: Einsatz einer einfachen Technologie, die sich überall anwenden lässt.

Lindner: Ich kann meinen beiden Vorrednern von der Materialseite her nur zustimmen. Man behilft sich mit Hybridverfahren wie dem jahrzehntelang eingesetzten Punktschweißkleben, solange es noch keine direkt einsetzbaren, reinrassigen Fügetechniken gibt.

Dr. Begemann: Unsere Arbeitsgemeinschaft beteiligt sich z. B. an dem Forschungsprojekt Modulare Produktionsanlagen für hybride Bauteile. Im Prozess sollen – vereinfacht gesprochen – vorne die Materialien hineinlaufen und hinten das fertige Bauteil herausfallen. Es sind interessante Verfahren wie das Innenhochdruckumformen und das Hinterspritzen im Gespräch. Hier befinden wir uns bereits auf einem guten Weg. Jetzt geht es aber darum, dass sich die einzelnen Bausteine der Produktion im Sinne von Industrie 4.0 verstehen.

Meist ist ja die Rede von Aluminium mit Stahl, doch wie sieht es mit Aluminium-CFK aus? Fragen Kunden Sie als Aluminiumhersteller bereits nach dieser Kombination, Herr Dr. Vieregge?

Wir werden mit dieser Frage zwangsläufig bereits konfrontiert, denn es ist nun nach dem Flugzeugbau auch ein Thema für die Automobilindustrie. Es geht dabei um Fragen zum Fügen, zur elektrochemischen Korrosionsproblematik und zur Beständigkeit der Werkstoffe. Hydro Aluminium muss darauf achten, wie Aluminium in seiner Zusammensetzung und Oberflächenstruktur die Verbindungstechnik beeinflusst.

Inspiriert von hartaberfair mit TV-Moderator Frank Plasberg frage ich: Mit wem aus dieser Runde würden sie gerne mal zusammenarbeiten?

Dr. Vieregge: Ich würde gerne Trumpf als AMAP-Mitglied gewinnen, um zusammen mit Marc Kirchhoff mal ein Projekt mit Schwerpunkt Aluminium oder auch CFK durchzuführen.

Lindner: Ich fände es hochinteressant, bei AMAP mitwirken zu dürfen, denn wir haben ähnliche Herausforderungen und oft auch Kunden aus der gleichen Branche.

Prof. Reisgen: Ich strebe immer nach dem Neuen. Da ich mit vielen aus dieser Runde bereits Kooperationen pflege, würde ich gerne der VDMA AG Hybride Leichtbau Technologien zur Seite stehen.

Kirchhoff: Da bereits Beziehungen zum ISF und dem VDMA bestehen, suche ich den Kontakt zu Aluminium und Stahl.

Dr. Begemann: Ich nehme auch gerne – zusätzlich zu bereits bestehenden Verbindungen – den Kontakt zu den Werkstoffherstellern auf. Wir sind in dieser Hinsicht offen und entspannt, weil der VDMA die Aufgaben materialunabhängig angeht.