Magnesium is on the road again

Future/Leichtbau

Ein Forschungsprojekt an der Hochschule Landshut leistet einen wesentlichen Beitrag zur virtuellen Leichtbau-Produktentwicklung: Ergebnis sind Grundlagen für den industriellen Einsatz von Magnesiumblechen.

13. Oktober 2015
Zyklische Versuche an ungekerbten Blechproben zur Ermittlung von Wöhlerlinien
Bild 1: Magnesium is on the road again (Zyklische Versuche an ungekerbten Blechproben zur Ermittlung von Wöhlerlinien )

Um das Leichtbaupotenzial von Magnesiumfeinblechen gerade im Automobilbau besser ausschöpfen zu können, wurde in einem vom Bund geförderten Forschungsprojekt an der Hochschule Landshut ein Verfahren zur Betriebsfestigkeitsanalyse für Leichtbaustrukturen aus Magnesiumknetlegierungen entwickelt. Anhand der Untersuchungsergebnisse ist eine genauere Betriebsfestigkeitsanalyse für Bauteile aus Magnesiumblechen möglich.

Am Ende der dreijährigen Projekt-Laufzeit wurden beim Abschlusskolloquium Ergebnisse präsentiert, die auch in kommerzielle Betriebsfestigkeits-Tools einfließen werden und damit die Basis für die zuverlässige Lebensdauerberechnung von Bauteilen des Leichtbau-Werkstoffes bilden.

Berechenbarkeit als Voraussetzung für Nutzung

Magnesium, eines der häufigsten Elemente in der Erdkruste, ist mit rund 1,74 Kilogramm pro Liter einer der leichtesten metallischen Konstruktionswerkstoffe. Die physikalischen Eigenschaften (beispielsweise Festigkeit, Schmelzpunkt) sind ähnlich denen des Aluminiums. Magnesium-Bauteile sind um ungefähr 30 Prozent leichter als solche aus Aluminium und bis zu 75 Prozent leichter als solche aus Stahl. Weitere Vorteile sind die nahezu unbegrenzte Verfügbarkeit und eine gute Recyclingfähigkeit.

Bisher werden Magnesiumlegierungen zumeist für druckgegossene Teile in Motor und Getriebe von Fahrzeugen verwendet. Schon im VW Käfer, konstruiert in den 30er-Jahren, waren über 20 Kilogramm Magnesium verbaut.

Der industrielle Einsatz von Magnesiumknetlegierungen in Form von Blechen befindet sich noch in der Entwicklungsphase und ist aus Gründen der Wirtschaftlichkeit erst seit der Entwicklung neuer Fertigungsverfahren wie dem Gießwalzen und dem Strangpressen erschwinglich.

Das Verformungs- und Festigkeitsverhalten von Magnesiumfeinblechen und von Magnesiumknetlegierungen generell unterscheidet sich stark von dem der Magnesiumgusslegierungen. »Das Forschungsprojekt leistet einen wesentlichen Beitrag, um das Material und sein Verhalten besser verstehen, charakterisieren und berechnen zu können«, ist Prof. Dr. Huber überzeugt.

 Eine Grundlage für den verstärkten Einsatz von Magnesiumfeinblechen in der industriellen Produktion bildet eine genaue Charakterisierung der Materialeigenschaften, die eine aussagekräftige numerische Betriebsfestigkeitsanalyse ermöglichen. Nur so können Schädigungsverläufe, Lebensdauer et cetera simuliert und die Konstruktion sowie die Berechnung von Leichtbaustrukturen mittels Computer Aided Engineering (CAE) durchgeführt werden.

Wie sich im Vorfeld des Projektes bereits gezeigt hatte, waren die für die im Forschungsvorhaben untersuchten Magnesiumknetlegierungen die verfügbaren Standard-Berechnungsmodelle nicht geeignet. Es waren deutliche Abweichung zwischen Simulation unter Verwendung herkömmlicher Berechnungsansätze und den durchgeführten Experimenten zu erkennen. »Dies, weil die spezielle Textur der Magnesiumfeinbleche unter anderem zu einer ausgeprägten Zug-Druck-Asymmetrie sowie s-förmigen Spannungs-Dehnungs-Hysteresen führt«, wie Prof. Dr. Holger Saage (LLK) erläutert, unter dessen Leitung die Mikrostruktur der Werkstoffe analysiert wurde.

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. Dabei erwies sich die Magnesiumlegierung AM50 als besonders gut geeignet für den Einsatz in der Automobilproduktion.

Neues Modell als Basis für virtuelle Entwicklung

Johannes Dallmeier entwickelte in seiner Dissertation, betreut von Prof. Dr. Klaus Eigenfeld (Technische Universität Bergakademie Freiberg) und Prof. Dr. Otto Huber (Hochschule Landshut), ein neues Modell zur Lebensdaueranalyse von Magnesiumknetlegierungen. Mit geeigneten mathematischen Formulierungen erzielte er eine gute Übereinstimmung zwischen Rechenmodell und Experimenten. Hierzu waren eine genaue Charakterisierung und die Definition relevanter Materialparameter nötig. Er entwickelte einen ›energiebasierenden Schädigungsparameter‹ mit gewichteten Anteilen der unterschiedlichen Dehnungsenergiedichten, mit dem sich eine deutlich bessere Korrelation gegenüber anderen Modellen erreichen lässt.

Die Erkenntnisse der Untersuchungen werden in die Betriebsfestigkeitssoftware ›nCode DesignLife‹ einfließen und so der Industrie zur Verfügung gestellt. Damit lässt sich der virtuelle Produktentwicklungsprozess auch beim Einsatz von Magnesiumknetlegierungen umsetzen. Dies stellt einen wichtigen Baustein für den Serieneinsatz dieser innovativen Leichtbaumaterialien dar.

Hintergrund

Die Leitung des im Rahmen des Förderprogramms ›profUnt – Forschung an Fachhochschulen mit Unternehmen‹ des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) mit 311600 Euro geförderten Forschungsvorhabens ›Betriebsfestigkeitsanalyse für Leichtbaustrukturen aus Magnesiumknetlegierungen – MagFest‹ hatte Prof. Dr.-Ing. Otto Huber (Leiter Kompetenzzentrum für Leichtbau an der Hochschule Landshut, LLK) inne. Projektpartner waren die Adam Opel AG, CADFEM GmbH, Magnesium Flachprodukte GmbH sowie die Technische Universität Bergakademie Freiberg. Dipl.-Ing. (FH) Johannes Dallmeier, wissenschaftlicher Mitarbeiter im LLK, führte im Rahmen seiner Doktorarbeit die analytischen, numerischen und experimentellen Untersuchungen durch, wertete diese aus und entwickelte ein neues Modell zur Lebensdauerberechnung. Zusätzlich befassten sich zwölf Abschlussarbeiten und neun Projektarbeiten mit Themen der Betriebsfestigkeitsanalyse von Magnesiumblechstrukturen.

Erschienen in Ausgabe: 06/2015