Innovative Leichtbaumaterialien

Magnesium ist mit 1,74 Kilogramm pro Kubikdezimeter einer der leichtesten metallischen Konstruktionswerkstoffe. Bauteile sind um rund 30 Prozent leichter als solche aus Aluminium und um 75 Prozent leichter als solche aus Stahl. Weitere Vorteile sind die nahezu unbegrenzte Verfügbarkeit und eine gute Recyclingfähigkeit. Bisher finden Magnesiumlegierungen in druckgegossenen Teilen in Motor und Getriebe Anwendung. Die Hochschule Landshut startete ein Forschungsprojekt zu dem Leichtbauwerkstoff.

07. September 2015

Der industrielle Einsatz von Magnesiumknetlegierungen in Form von Blechen befindet sich noch in der Entwicklungsphase. Erst seit der Entwicklung neuer Fertigungsverfahren wie dem Gießwalzen und dem Strangpressen sind diese Legierungen erschwinglich. Das Verformungs- und Festigkeitsverhalten von Magnesiumfeinblechen und -knetlegierungen unterscheidet sich stark von dem der Magnesiumgusslegierungen. „Das Forschungsprojekt leistet einen Beitrag, um das Material und sein Verhalten besser verstehen, charakterisieren und berechnen zu können“, ist Prof. Dr. Otto Huber der Hochschule Landshut überzeugt.

Eine Grundlage für den vermehrten Einsatz von Magnesiumfeinblechen in der industriellen Produktion bildet die genaue Charakterisierung der Materialeigenschaften, die eine numerische Betriebsfestigkeitsanalyse ermöglichen. Nur so können Schädigungsverläufe oder Lebensdauer simuliert und Leichtbaustrukturen mittels CAE berechnet und konstruiert werden.

Wie sich im Vorfeld des Projektes gezeigt hatte, waren für die untersuchten Magnesiumknetlegierungen die verfügbaren Standard-Berechnungsmodelle nicht geeignet. Es waren deutliche Abweichung zwischen Simulation unter Verwendung herkömmlicher Berechnungsansätze und den durchgeführten Experimenten zu erkennen. „Die spezielle Textur der Magnesiumfeinbleche führt zu einer ausgeprägten Zug-Druck-Asymmetrie sowie s-förmigen Spannungs-Dehnungs-Hysteresen“, erläutert Prof. Dr. Holger Saage der Hochschule Landshut. Unter seiner Leitung wurde die Mikrostruktur der Werkstoffe analysiert.

Neues Modell als Basis für virtuelle Entwicklung

Bei den untersuchten Werkstoffen handelt es sich zum einen um die Magnesiumknetlegierung AM50, die von der Magnesium Flachprodukte GmbH über das Gießwalzverfahren zu Feinblech verarbeitet wird. Bei AM50-Feinblechen werden gegenüber der bisher verwendeten Legierung AZ31 Vorteile wie höhere Duktilität und bessere Korrosionseigenschaften bei gleichzeitig niedrigerem Preis erwartet. Die Magnesiumknetlegierung ME21, aus der über das Strangpressverfahren Feinblech hergestellt wird, diente als Vergleichswerkstoff, um den Unterschied zwischen den beiden Legierungen und Verfahren bezüglich des mechanischen Verhaltens bewerten zu können. Die Magnesiumlegierung AM50 hat sich als besonders gut geeignet für den Einsatz in der Automobilproduktion erwiesen.

Johannes Dallmeier entwickelte in seiner Dissertation – betreut von Prof. Dr. Klaus Eigenfeld der Technischen Universität Bergakademie Freiberg und von Prof. Dr. Otto Huber der Hochschule Landshut – ein Modell zur Lebensdaueranalyse von Magnesiumknetlegierungen. Mit mathematischen Formulierungen erzielte er eine gute Übereinstimmung zwischen Rechenmodell und Experimenten. Hierzu war eine genaue Charakterisierung relevanter Materialparameter notwendig. Er entwickelte einen „energiebasierten Schädigungsparameter“ mit gewichteten Anteilen der unterschiedlichen Dehnungsenergiedichten. Damit lässt sich eine bessere Korrelation gegenüber anderen Modellen erreichen.

Die Erkenntnisse der Untersuchungen werden in die Betriebsfestigkeitssoftware Ncode Designlife einfließen und der Industrie zur Verfügung gestellt. So lässt sich der virtuelle Produktentwicklungsprozess beim Einsatz von Magnesiumknetlegierungen umsetzen. Dies ist einen wichtiger Baustein für den Serieneinsatz der innovativen Leichtbaumaterialien.