Aluminium ist Trumpf

Als Konstruktionswerkstoff ist Aluminium quasi Synonym für automobilen Leichtbau. Dass die Entwicklung nicht stillsteht und das Leichtbaupotenzial des NE-Metalls noch lange nicht gehoben ist, machten Experten aus Wissenschaft und Industrie auf dem Amap Forum in Aachen deutlich.

16. Juli 2018
Aluminium-Strukturbauteil mit Funktionsintegration: Der hintere Längsträger wird mittels Druckgießen gefertigt. (Bild: Nemak)
Bild 1: Aluminium ist Trumpf (Aluminium-Strukturbauteil mit Funktionsintegration: Der hintere Längsträger wird mittels Druckgießen gefertigt. (Bild: Nemak))

Leichtmetalle wie Aluminium und Magnesium sind bestens positioniert, die zunehmenden Anforderungen heutiger und künftiger Fahrzeuggenerationen zu erfüllen: Einhaltung der Emissionsobergrenzen bei Autos mit klassischem Verbrennungsmotor und Forderungen der Verbraucher nach mehr Reichweite bei Elektrofahrzeugen zu bezahlbaren Kosten.

Höhere Festigkeit – geringeres Gewicht

Die Bedeutung von Aluminium als Konstruktionswerkstoff hat kontinuierlich zugenommen. Heute ist ein PKW in Europa im Durchschnitt mit mehr als 150 Kilogramm Aluminium unterwegs, wobei mit knapp 100 Kilogramm der Löwenanteil des NE-Metalls auf Guss für Motor- und Antriebsstrang anfällt sowie auf Räder.

Automobiler Leichtbau mit einer Karosserie vollständig aus Aluminium war lange Zeit Premiummarken wie Jaguar vorbehalten. Der Durchbruch in den Volumenmarkt gelang Ford 2015 in den USA mit der Neuauflage seines Klassikers F-150, wie Dr. Jürgen Wesemann vom Ford Forschungszentrum in Aachen deutlich machte.

Der Pick-up-Truck mit seiner Leichtbaukarosserie aus hochfestem Aluminium markiert die Abkehr von der jahrzehntelang eingesetzten Stahlbauweise bei diesem in Amerika geradezu legendären Fahrzeug. In der Karosserie des F-150 werden Aluminiumlegierungen mit vier unterschiedlichen chemischen Zusammensetzungen verwendet.

Durch die Verwendung hoch- und höchstfester Aluminiumlegierungen in Form von Blechen und Strangpressprofilen ist die Rohkarosserie um 45 Prozent leichter, als das Vorgängermodell in Stahlbauweise. Bezogen auf Nutzlast und Zugkraft hat der Pick-up-Truck mit Benzinmotor den Best-in-Class-Kraftstoffverbrauch.

Für die aluminiumintensive Bauweise des F-150 spielt das Beherrschen der richtigen Fügetechnik an der richtigen Stelle eine große Rolle. Beim F-150 werden Verfahren wie, Laserschweißen und Widerstandspunktschweißen, Halbhohlstanznieten, FDS-Schrauben, Kleben und Clinchen eingesetzt.

Künftige Forschungsschwerpunkte sieht Ford-Experte Wesemann beispielsweise in der Entwicklung neuer hochfester Aluminiumlegierungen zur Fortsetzung der Gewichtsreduzierung, maßgeschneiderte Werkstoff- und Bauteileigenschaften und in der Weiterentwicklung fortschrittlicher Gusstechnologien mit dem Ziel weiterer Gewichtseinsparung und Kostenreduzierung.

Maßgewalzte Aluminiumbleche

Ein anschauliches Beispiel für innovative Aluminium-Technologien lieferte Dr. Udo Brüx, Leiter Leichtbauzentrum des Automobilzulieferers Mubea. Wie Brüx ausführte, arbeitet Mubea in einem Amap-Projekt gemeinsam mit Ford und dem Aluminiumhersteller Constellium daran, die ursprünglich für Stahlblech von Mubea entwickelte Technologie des flexiblen Walzens auf Aluminium zu übertragen.

Bei der Technik zur Herstellung sogenannter Tailor Rolled Blanks handelt es sich um einen Kaltwalzprozess, bei dem durch einen veränderlichen Walzspalt variable Blechdicken entsprechend der lokal geforderten Festigkeiten und Steifigkeiten eingestellt werden. Diese Technik für maßgeschneiderte Material-Lösungen erlaubt bei Stahl Dickenunterschiede bis zu 50 Prozent innerhalb eines Bauteils.

Ziel des Forschungsvorhabens ist eine industrielle Fertigung maßgeschneiderter Bleche zur Realisierung gewichtsoptimierter Strukturbauteile aus hochfestem Aluminium. Dazu wird die gesamte Prozesskette betrachtet: Vom Flexwalzen über die anschließende Wärmebehandlung und der darauffolgenden Kaltumformung bis zur Fügetechnik. Begleitet wird die Entwicklung durch Methoden zur Materialcharakterisierung und Prognose des Umformverhaltens bis hin zum Crashverhalten des Bauteils.

Nach entsprechender Wärmebehandlung erreicht das Material eine hohe Festigkeit bei ausreichender Duktilität. Als nächster Schritt steht an, mit einer Legierung zu hoch- bis höchstfesten Bauteilen zu kommen. Da sich der Werkstoff nur eingeschränkt für eine Kaltumformung eignet, ist eine Warmumformung unabdingbar. In Kombination mit einer Wärmebehandlung nach dem Abschrecken könnte die gewichtsspezifische Festigkeit dieser Blanks an die von pressgehärtetem Stahl heranreichen. 

Open-Innovation-Forschungscluster

Der Name ist Programm: Das Open-Innovation-Forschungscluster Amap – Advanced Metals und Processes – widmet sich der Werkstofftechnik von NE-Metallen und insbesondere der Herstellung und Verarbeitung von Aluminium zu innovativen Produkten für die Automobilindustrie. Das Netzwerk verknüpft eine Gruppe von 14 Industrieunternehmen mit fünf Universitäts-Instituten der RWTH Aachen University.

„Wir sind ein effizientes Netzwerk“, sagt Dr. Klaus Vieregge, Vorsitzender des Amap-Beirates und Leiter der Hydro Aluminium Forschung in Bonn. „Neue Mitglieder sind jederzeit willkommen, doch nicht die Größe steht im Fokus des Forschungsclusters, sondern wir wollen durch die Effizienz der Arbeit und die Forschungsergebnisse überzeugen.“

Mit dem Markenkern „Open Innovation“ verfolgt Amap eine Innovationsstrategie, mit der Hochschulinstitute der RWTH Aachen und Industrie-Unternehmen ihre Technologien und Produkte über eigene Grenzen unter Berücksichtigung gewerblicher Schutz- und Urheberrechte hinaus öffnen.

Mit dieser interdisziplinären Zusammenarbeit von Industrie und Hochschul-Instituten an aktuellen Problemen auf den Gebieten der Nichteisen Werkstoffe lassen sich neue Ideen generieren und komplexes Wissens der RWTH-Institute und Forschungspartner in Projektarbeiten einbringen. Diese effiziente Risikoverteilung zwischen Industrie und Wissenschaft ist wesentliche Grundlage der Win-Win-Partnerschaft.