Nimm zwei

Stahl macht mobil, die Leichtbau-Studie ist rundum erfolgreich

Im doppelten Sinn macht Stahl mobil. Das bewies das internationale Konsortium von 33 Stahlkonzernen bei der Vorstellung der Ergebnisse der ULSAB-AVC-Studie. Mit hochfesten Stählen lassen sich ohne Mehrpreis leichte Großserien-Autos bauen.

05. September 2002

Rückblick in das letzte Jahrtausend: Bänder, Bleche, Rohre recherchiert auf der IAA 1999 in Frankfurt/Main zum Thema automobiler Leichtbau. Sehr mutig kündigt auf der Messe Dr.-Ing. Christoph Schneider als Chairman das Folgeprojekt ULSAB-AVC an (ULSAB steht für „Ultra Light Steel Auto Body“ und AVC für „Advanced Vehicle Concepts“): „Mit einem flexiblen Plattformkonzept sollen Lösungsvorschläge für eine ganze Reihe von Fahrzeugen erarbeitet werden, die sowohl die US-amerikanischen Bedürfnisse nach einer Mittelklasselimousine der PNGV-Klasse (PNGV: Partnership for a New Generation Vehicle) als auch das für Europa und Asien besonders wichtige Marktsegment der Golf-Klasse berücksichtigen.“ Damit nicht genug: Das Konsortium plante außerdem zwei Fahrzeug-Konzepte, welche die sehr strengen Sicherheitskriterien des Jahres 2004 bestehen.

Worten folgten Taten

Drei Jahre später stellt sich der Chairman erneut der Presse: Im Stahl-Informations-Zentrum in Düsseldorf präsentiert der ehemalige Thyssen Stahl-Forschungschef sichtlich zufrieden die Ergebnisse: „Wir haben alle Ziele erreicht und teilweise sogar übertroffen. Unsere neuesten Stähle können dazu beitragen, die Anforderungen an die Automobile der Zukunft zu erfüllen, ohne daß die Autokäufer tiefer in die Tasche greifen müssen.“ Konzepte für zwei Fahrzeuggrößen wurden entwickelt: für europäische und asiatische Verhältnisse ein dreitüriges Schrägheckmodell der Kompaktklasse (vergleichbar dem Golf) sowie für amerikanische Gegebenheiten eine viertürige Stufenhecklimousine der Mittelklasse. Das Gewicht der Karosserien liegt rund 20 Prozent unter der vergleichbarer aktueller „Body-in-whites“. Mit einem konventionellen Dieselantrieb verbraucht die europäische Ausführung 3,2 Liter auf 100 Kilometer, die größere US-Karosse kommt mit Benzinantrieb auf 4,5 Liter.

Sparsamer, sicherer, fester

Exzellente Werte erreichen die beiden Konzeptstudien bei den Crashwerten, die Entwicklungspartner Porsche Engineering Service aus USA per Simulation ermittelte. Danach bestehen für eine ULSAB-AVC-Karosserie sehr gute Chancen, die höchste Stufe - also eine 5-Sterne-Bewertung - im Euro-NCAP-Crashtest, zu erreichen. Das heißt: Automobilhersteller haben sehr gute Chancen, mit Hilfe von ULSAB-AVC die strengen ab 2004 gültigen Crash-Vorschriften zu bestehen.

Wie sicher die Fahrgastzelle ausfällt, beweist ein Blick auf die errechneten Werte. So besitzen Kompaktklasse beziehungsweise PNGV-Version eine Biegesteifigkeit von 17.050 beziehungsweise 17.150 Newton pro Millimeter. Dr. Schneider: „Wer Genf besuchte, konnte feststellen, daß viele der dort neu vorgestellten Fahrzeuge fast exakt die gleiche Biegesteifigkeit aufweisen.“ Diese exzellenten Werte verdanken die beiden Leichten in erster Linie den neuesten hochfesten Stählen. Ihr Anteil im Fahrzeug erhöht sich von heute rund zehn auf 100 Prozent. Dabei sind 80 Prozent der eingesetzten Stähle jünger als drei Jahre und zählen zu den höherfesten Sorten, die bei einer Mindeststreckgrenze von 550 Megapascal starten und bis hin zu 1200 Megapascal reichen.

Zur einheitlichen Nomenklatur

Ein Blick auf die Verteilung der Rohkarosserie der Kompaktklasse ist noch interessanter: Sie besteht aus 81 Teilen und wiegt mit 202 Kilogramm 17 Prozent weniger als heute übliche Body-in-whites. 74 Prozent der Karosserie entstehen dabei aus Dual-Phasen-Stahl. Ein positiver Nebeneffekt der Gemeinschaftsaktion: Das internationale Konsortium einigte sich auch auf eine einheitliche Nomenklatur. Lesebeispiel DP 500/800. Es handelt sich also um einen Dualphasen-Stahl mit einer Mindeststreckgrenze von 500 und einer Mindestzugfestigkeit von 800 Megapascal. Zudem werden „Tailored Blanks“ (40 Prozent), hydrogeformte lasergeschweißte Rohre (20 Prozent) sowie „Tailored Tubes“ (rund sechs Prozent) eingesetzt. Während die Stahlindustrie Hydrogeformtes und Tailored Tubes als Bauteile mit hohen Zuwachsraten ansieht, dominieren heute bereits die Tailored Blanks. Das freut natürlich Dr. Schneider, der als Miterfinder den maßge“schneider“ten Blechen den Namen gab: „Jeder pickte sich bei ULSAB das ihn interessierende heraus. Dabei gab es aber auch Favoriten: Die maßgeschneiderten geschweißten Stahlbleche zählen heute zum technischen Stand der Dinge.“

Prozeßsicher Rohre „schneidern“

Einen enormen Schub nach vorne gab es auch bei den „Tailored Tubes“, deren Produktion Corus und Thyssen Krupp Stahl vor drei Jahren noch auf Prototypanlagen testeten. Das Verfahren ist laut Expertenmeinung mittlerweile prozeßsicher und zählt zu den Produktionssystemen mit Zukunft: Die ersten serienmäßigen Anlagen werden in der Automobilzulieferindustrie bereits eingesetzt. In Europa geht dabei der Trend zu dünnwandigen Rohren mit großem Durchmesser - zum Beispiel für Karosseriestrukturen.

Das spiegelt sich auch bei ULSAB-AVC wider: Die vorderen Längsträger bestehen aus hochfesten Stahlrohren (DP 500/800), die per Hydroforming ihre Gestalt erhielten. Dabei variiert die Dicke der Längsträger von vorne nach hinten um 0,2 Millimeter. Hochfest geht es auch bei den Bodenflächen zu, die aus hochdünnen, aber sehr festen Trip-Stählen entstehen. Derartige Entwicklungen lassen sich nur mit dem Rohstofflieferanten durchführen, meinte Dr.-Ing. Volker, Schwich, Vorstandsmitglied der Salzgitter AG: „Das Projekt zeigt, daß die Mitwirkung der Materialexperten von Beginn an große Vorteile für Fahrzeughersteller und Autokäufer bringt.“ In enger Zusammenarbeit mit den Porsche-Ingenieuren und Zulieferern erhielten Hydroformteile eine sehr interessante tragende Rolle: Der Dachrahmen der Kompaktklasse entstand aus hydrogeformtem Rohr mit einem Millimeter Wanddicke.

Die Blechverarbeitung wächst mit den Aufgaben

Während hier noch ein leicht verformbarer Dualphasenstahl eingesetzt wurde, treten auch künftig bei der Verarbeitung deutlich zäherer Werkstoffe keine Probleme auf: So stehen in Kürze neue Hydroformanlagen zur Verfügung, die auch mit Festigkeiten jenseits von 1.000 Megapascal klarkommen. Ein Beispiel: Am Lehrstuhl für Umformtechnik (LFU) an der Universität Dortmund steht seit Dezember 2001 eine Anlage zur Hochdruck-Blech-Umformung (HBU). Bei diesem Gemeinschaftswerk von LFU und Siempelkamp Pressen Systeme tritt Wasserkraft an die Stelle eines starren Stempels, der das Metall prägt und formt. Mit bis zu 2.000 bar preßt das Wasser das Blech an ein Werkzeug und so in die gewünschte Form. Es läßt sich laut LFU überall dort einsetzen, wo sehr zähe Werkstoffe zu extrem dünnwandigen Leichtbauteilen mit komplexer Form verformt werden sollen.

Punktschweißen nach wie vor interessant

Auch die Verbindungstechnik befindet sich bei dem Projekt im Wandel: Dabei übertreffen allerdings die Ergebnisse die Erwartung bei weitem. So hielt Dr. Schneider vor drei Jahren „eine Verdopplung der Lasernahtlänge für durchaus realistisch.“ Das heißt in Zahlen: Die Lasernaht wächst je nach Karosserie auf bis zu 36 Meter an. Tatsächlich geht ULSAB-AVC jetzt sogar von 114 Metern bei der Kompaktklasse aus. Aber auch das längst tot geredete Punktschweißen existiert nach wie vor. Satte 814 Meter Nahtlänge werden bei der PNGV-Klasse mit diesem Verfahren hergestellt. Das entspricht auch der Vorhersage von Dipl.-Ing. Prange, Hauptbereichsleiter bei Thyssen Krupp Stahl AG auf der IAA 99: „Das Punktschweißen wird im Karosseriebau weiterhin dominieren. Die Technik ist ausgereift und preiswert.“ Kaum eine Rolle spielt dagegen noch das Kleben, das wegen der sehr guten Nahtabdichtung beim Lasern mittlerweile unter „ferner liefen“ rangiert. Gerade einmal 1,6 Meter Kleberaupe werden bei beiden Fahrzeugkonzepten gesetzt. Auch das MIG-Schweißen spielt fast keine Rolle.

Doch wie sieht es mit den Kosten aus? Hier verfolgt das Konsortium von Anfang an eine Linie, die Dr. Schneider bereits ganz am Anfang des Projektes festlegte. Zu einer Fachzeitschrift meinte er 1997: „Ganz bewußt lassen wir nichts Exotisches zu. Unsere Ziele lauten: Wir wollen nicht irgendein nettes & pos;Showcar& pos; bauen, sondern ein Großserienmodell. Dazu setzen wir auf verfügbare Techniken und Werkstoffe.“ Dieser rote Leitfaden zog sich durch alle ULSAB-Projekte. Mit Erfolg: So kostet die Herstellung eines kompletten Fahrzeuges im Mittelwert 10.000 Euro, was dem Preis eines heutigen nicht abgespeckten Fahrzeuges entspricht. Den günstigen Preis verdankt das Konzept dem modularen Zusammenbau, der Integration von Teilen, dem konventionellen Antrieb und - last, but not least - natürlich der stahlintensiven Karosserie. Rund 1.000 Euro kostet eine Rohkarosserie à la ULSAB-AVC, etwa soviel wie ein heute übliches „Body-in-white“. Dazu Dr. Schneider: „Manche Automobilhersteller haben uns schon vertraulich gefragt: Wie packt ihr das?“. Über die Kosten einer vergleichbaren Aluminiumkarosse schweigt sich die Aluminium-Branche dagegen aus. Es gibt aber laut dem ULSAB-AVC-Vorstand Studien, wonach eine vergleichbare Aluminiumkarosserie für die Großserie vermutlich das Zweieinhalb- bis Dreifache kosten könnte. Für Dr. Schneider steht aber fest: „Die Aluminiumindustrie hat in den nächsten Jahren keine Chance, bei den Herstellpreisen mit dem Stahl gleich zu ziehen!“

Kostenlos alle Karten auf den Tisch

Die Stahlindustrie spielt dagegen mit offenen Karten: Alle Berechnungen und Simulationen können Automobilhersteller und Zulieferer kostenlos auf CD-ROM erhalten. Die Herstellkosten basieren dabei zwar auf amerikanischen Werten, sollen aber mit hiesigen betriebswirtschaftlichen Größen übereinstimmen. Welche Rolle spielen die Automobilhersteller bei diesem Projekt? Bis auf Porsche als bezahlter „Engineering“-Partner nehmen sie von Anfang an als aufmerksame Beobachter teil, wobei sie schon manches Detail aus dem ersten Projekt verwirklichten. Dazu Dr.-Ing. Henrik Adam, Hauptbereichsleiter „Simultaneous and Concurrent Engineering Auto“ bei Thyssen Krupp Stahl: „Wir sehen heute schon, daß manche Teilaspekte bereits in Fahrzeugen realisiert wurden.“

Erschienen in Ausgabe: 05/2002