Leichtbau mit Stahl

Future: Leichtbau

Um eine Mut machende Botschaft ging es auf dem ›Nano und Material Symposium Niedersachsen‹ der Landesinitiative NMN in Salzgitter: Deutschland hat auch weiterhin die Nase vorn im automobilen Leichtbau – und zwar überwiegend mit Stahl.

15. April 2016

Innovation ist – trotz aller Web-Euphorie – in allererster Linie immer noch eine Materialfrage. »Werkstoffe sind Quelle und Basis zahlreicher Innovationen«, zitierte Diplomingenieur Ulrich Grethe, Geschäftsführer der Salzgitter Flachstahl AG, den Wissenschaftler Hartwig Höcker. Der emeritierte Aachener Professor hatte bereits vor acht Jahren ermittelt, dass »etwa 70 Prozent aller neuen Produkte« auf neuen Werkstoffen basieren.

Zufrieden wies das Mitglied der Salzgitter-Geschäftsführung auf die dominierende Rolle des Werkstoffs Stahl hin, dessen weltweite Erzeugung sich im Zeitraum von 1970 bis 2013 auf rund 1.600 Millionen Tonnen pro Jahr verdreifacht habe. Andere Werkstoffe wie Plastik (von 27 auf 288 Millionen Tonnen) oder Aluminium (von 22 auf 107 Millionen Tonnen) haben zwar auch ihre Erzeugungsquoten erheblich gesteigert, sind jedoch bei der weltweiten Materialschlacht weit entfernt vom dominierenden Stahl.

Diese Erfolgsstory zeige sich laut Ulrich Grethe vor allem im Automobilbau, in dem Stahl bei ganzheitlicher Betrachtung am besten abschneide. Hier gehe es nicht nur um die CO2-Emission während der Nutzungsphase, sondern auch während der Produktion. Für den Werkstoff Stahl spreche aber auch das im Vergleich zu Aluminium und anderen Werkstoff-Wettbewerbern deutlich bessere Recyclingverhalten. So ließe sich mit Stahl aus einer recycelten Motorhaube wieder eine Motorhaube herstellen. »Das ist mit Aluminium nur sehr begrenzt möglich«, konstatierte der Geschäftsführer. Und bei carbonfaserverstärktem Kunststoff (CFK) komme diese Form des Recycling bisher überhaupt nicht in Frage. Für Stahl spreche aber auch die Vielfalt und Variabilität: So würden ein sehr geringer Legierungsanteil von etwa zwei Prozent und eine intelligente Prozessführung ausreichen, um dem Anwender eine breite Palette von Stahlsorten mit Eigenschaften wie hohem Umformverhalten oder hoher Festigkeit anbieten zu können.

Aber manchmal muss der Legierungsanteil doch hoch ausfallen: Die Rede ist von der Stahlsorte HSD (15 Prozent Mangan, 0,7 Prozent Kohlenstoff, jeweils 2,5 Prozent Aluminium und Silizium), die zugleich hohe Festigkeit und Verformbarkeit auszeichnet. Die HSD-Stähle entstehen in Peine seit 2010 in Erprobung auf der mit der Düsseldorfer SMS Siemag AG und TU Clausthal entwickelten Bandgießanlage ›Belt Cast Technology‹ (BCT). Baustahlgüten lassen sich bereits als verkaufsfähiges Warmband herstellen. Noch nicht warm walzbar seien dagegen die HSD-Sorten, die sich in größeren Chargen von 70 Tonnen komplett vergießen lassen.

Die Erprobungsphase ist aber noch nicht beendet. »Wir haben erfolgreich 129 Güsse durchgeführt, davon waren 85 Baustahl- und 44 Eisen-Mangan-Schmelzen«, berichtete Grethe. »Kunden haben mit uns bereits erfolgreich umfangreiche Vorserienprojekte durchgeführt.« Mit dem Neuling HSD zielt Salzgitter vor allem auf Struktur- und Innenteile im PKW. So entstand als Demonstrator ein inneres Verstärkungsteil für einen Stoßfänger, der rund 20 Prozent leichter als ein warm geformtes Element ausfällt. Wegen der hohen Umformbarkeit besteht der Demonstrator nicht aus sieben Schweißteilen, sondern nur aus einem Bauteil. In Frage kommt HSD unter anderem für Fahrwerke, Antriebe und Karosserien, gepanzerte Fahrzeuge, Transportbehälter, Sicherheitsbauteile und Baumaschinen. Die bisherigen Sorten mit einer Streck-Dehn-Grenze von 400 bis 1.100 MPa haben laut Salzgitter ihr Einsatzpotenzial bewiesen: So entstand aus HSD 1100 ein Sitzquerträger, der 38 Prozent weniger als das bisherige Bauteil aus konventionellem Stahl wiegt.

Vielfältig ausgeprägter Leichtbau

»Leichtbau wird nicht nur durch Materialwahl bestimmt, sondern ist sehr vielfältig ausgeprägt«, betonte Dr. Holger Manz, Leiter Entwicklung Batteriesysteme und Fahrwerk bei Volkswagen in Braunschweig. Der Fachmann setzt bevorzugt auf die Strukturoptimierung per Form- und Konzeptleichtbau. Dazu zählt etwa die Topologieoptimierung von Gussbauteilen mit dem Ziel, die Materialverteilung zu verbessern. Die Braunschweiger erhöhen mit Hilfe der Sickenoptimierung die Steifigkeit von Blechteilen und senken die Spannungen von Schweißnähten. Unzufrieden ist Dr. Manz mit den Angeboten der Software-Hersteller, deren Programme etwa bei der Topologieoptimierung in der Regel nur die Parameter Steifigkeit und Fertigungsaspekte berücksichtigen.

Volkswagen hat daher eine eigene Software entwickelt, die das Material auch mit Blick auf Spannungen, nicht lineare Effekte – zum Beispiel plastisches Materialverhalten –, Gießsimulation und minimale Wandstärken optimiert. So konnte der Automobilhersteller mit Hilfe der eigenen Software die Masse einer Eisenguss-Dämpfergabel um 55 Prozent auf 780 Gramm minimieren – bei leichter Steigerung der Traglast um drei Prozent. Ein Standardprogramm konnte die Masse zwar auch auf 861 Gramm senken – allerdings bei einer um etwa 30 Prozent gesenkten Traglast.

Als Zukunftsmusik bezeichnet Dr. Manz noch die ebenfalls selbst entwickelte Multimaterialoptimierung, mit der die Niedersachsen die Werkstoffaufteilung in Volumenbauteilen verbessern wollen. Dabei komme es zu einem schrittweisen Zusammenspiel von drei konstruktiven Vorgehensweisen: Nach der vierstufigen Topologieoptimierung – Schrittweitenberechnung, Umwandlung, Anlagerung, Entfernung – folgen mechanische Simulation und Auswertung. Anschließend startet der nächste iterative Durchlauf – bis zum Erreichen des gewünschten Ziels.

Stand bei Dr. Holger Manz in erster Linie die Optimierung des Fahrwerks im Mittelpunkt, ging es Frank Preller von Bertrandt um den Problemfall Rohkarosserie. ›Metallischer Karosserieleichtbau versus Steifigkeit‹ lautete das provokative Referat des Teamleiters für Forschung und Technologie bei Bertrandt, Tappenbeck bei Wolfsburg. Das Eigenschaftswort provokativ passt, denn der Fachmann kritisierte gleich am Anfang, dass viele Stahlkonstruktionen in der Regel mit einem Elastizitätsmodul von 210 GPa ausgelegt werden. Doch diese Berechnungsbasis sei falsch. Preller: »Ich behaupte, dass in keinem Auto nur eine einzige Stahlsorte mit einem Elastizitätsmodul von 210 GPa steckt!«

Möglichst reale Simulation

So würden beispielsweise Eisen-Mangan-Stähle wie HSD einen reduzierten Elastizitätsmodul besitzen. Laut einer Schriftenreihe der Forschungsvereinigung Automobiltechnik e.V. (FAT) aus dem Jahr 2002 schwanken die Elastizitätsmodule im hochbelasteten Bereich je nach Auslieferungszustand – zum Beispiel Warm- oder Kaltband – extrem zwischen 173 und 225 GPa.

Verschärfend käme hinzu, dass Konstrukteure und Werkstoffentwickler das Werkstoffverhalten beim Verarbeitungsprozess oft generell nicht oder nur ungenügend berücksichtigen, obwohl auch die Verarbeitung den Elastizitätsmodul verändere. »Voestalpine sagt zumindest, dass sie daran arbeiten, dass der Stahl verlustfrei durch die Fertigung laufen kann«, so Preller. »Das ist für uns immens wichtig, denn wir müssen in der Simulation die Fahrzeuge so abbilden, wie sie später tatsächlich auf der Straße stehen.« Doch wie geht der Konstrukteur beim Spagat zwischen Leichtbau und Steifigkeit vor? Wie hält er außerdem die Kosten im Griff? Der Pragmatiker empfahl in Salzgitter unter anderem, langweilige Bauteile wie Halter nicht zu unterschätzen. So lasse sich mit einfachen, konstruktiven Varianten die Steifigkeit von Haltern verbessern – selbst beim radikalen Senken der Haltermasse (20 bis 40 Prozent) mit Sandwichbauweise.

Dieses Beispiel zeige aber auch, wie wichtig es sei, dass Konstrukteure beim Auslegen von Bauteilen die unterschiedlichen Funktionen – wie Crash, Steifigkeit und Befestigung – berücksichtigen. Doch wichtig ist Preller vor allem die Steifigkeit: »Ich fordere die Stahlindustrie auf, über den Elastizitätsmodul nachzudenken und uns Konstrukteuren neue Informationen darüber zu geben. Außerdem bitte ich dringend um eine Aktualisierung der alten FAT-Studie.«

Nikolaus Fecht, Fachjournalist aus Gelsenkirchen

ULSAB massiv

Viel verdankt der Stahlleichtbau der Forschungsinitiative ›Ultra Light Steel Automotive Body‹ (UlSAB), bei der die Stahlindustrie beim Start vor mehr als 20 Jahren die ultraleichte Karosserie und das gesamte Fahrzeug im Visier hatte. Als ›ULSAB massiv‹ bezeichnet Dr. Hans-Willi Raedt, Vice President Advanced Engineering bei Hirschvogel, die Initiative ›massiver Leichtbau‹, die 2013 als Kooperation von Massivumformern und Stahlherstellern startete. Die Initiative bewies, dass durch neue Leichtbaulösungen mit massivumgeformten Komponenten aus Stahl eine deutliche Minderung des Energieverbrauchs und des CO2-Ausstoßes möglich ist. Darauf wurde das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) aufmerksam und unterstützt von 2015 bis 2018 den Forschungsverbund finanziell über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen Otto von Guericke e.V. Ziel ist die Entwicklung höchstfester Stähle für Wärmebehandlungen und für die Kaltmassivumformung sowie von intelligentem Leichtbau mit Mehrkomponenten.

Erschienen in Ausgabe: 03/2016