Wenn Nr. 13 inspiriert

Fokus/Aluminium

Für viele Konstrukteure ist die 13 eine Glückszahl. Sie setzen nämlich im Verkehrswesen auf Aluminium, das Element mit der Ordnungszahl 13. Eine glückliche Bestandsaufnahme auf dem Kongress ASK Umformtechnik.

03. November 2016

Nur eine Teilentwarnung für Stahlhersteller gab Dr.-Ing. Astrid Wollenberg, Leiterin der Konzernforschung Metall bei der Volkswagen AG aus Wolfsburg. Sie wies darauf hin, dass Stahl zwar nach wie vor der dominierende Werkstoff sei, zumal die Konzernforscher auch Neues wie die hochfesten unlegierten Sorten (AHSS) als Alternative zu den warmumgeformten Stählen im Fokus hätten.

Alle bewährten Stahlsorten stünden aber auch stets in einem ständigen Wettbewerb mit anderen, leichteren Materialien. Eine wichtige Rolle spielten dabei stets auch die Fertigungsverfahren, mit denen sich die Konzernforschung sehr intensiv befasse. »Im Bereich des Urformens beschäftigen wir uns mit ausgewählten Gießprozessen«, erklärte die Konzernforscherin. »So gelang es uns im Rahmen einer Dissertation, das Schwerkraftkokillengießen so zu optimieren, dass sich dünnwandigere Aluminium-Hilfsrahmen herstellen lassen.«

Alleine durch Verbessern der Werkzeugoberfläche konnte VW die Wandstärken und damit das Gewicht um ungefähr sechs Prozent senken. Das Interessanteste daran: Volkswagen gelang es, einen leichteren Aluminiumrahmen ohne jegliche Veränderung gegenüber der bisherigen Stahlkonstruktion herzustellen, die nun nur an einigen ausgewählten Stellen dünner ausfällt.

Der Schienenfahrzeugbau hat mit den gleichen Problemen wie die Straßenfahrzeug-Branche zu kämpfen: Aus Komfort- und Sicherheitsgründen werden auch hier die Fahrzeuge deutlich schwerer. Um teure Energiekosten im Betrieb zu senken, ist auch in dieser Branche intelligenter Leichtbau angesagt. Während der Wagenkasten hier sehr oft in Vollaluminium-Integralbauweise hergestellt wird, dominiert beim Drehgestell immer noch Stahl, obwohl– so Dr.-Ing. Bernd Velten, Leiter des technischen Vertriebs und Marketing bei der Otto Fuchs KG in Meinerzhagen– »sich hier zahlreiche Bauteile identifizieren lassen, die grundsätzlich für eine Ausführung in Aluminium geeignet erscheinen«.

Zu den Pionieren des Aluminiumeinsatzes zählt er die Schweizer Bahnindustrie, die bereits vor Jahrzehnten mit Schmiedeteilen aus dem leichten Werkstoff gute Erfahrungen gemacht hat. Velten: »In jüngerer Zeit sind in der Bahnindustrie verstärkt Bemühungen erkennbar, auch in Struktur- und Funktionsteilen durch den Einsatz geschmiedeter Aluminiumteile das Leergewicht von Schienenfahrzeugen zu reduzieren.«

Zu den Highlights aus Meinerzhagen zählen Gesenkschmiedeteile, die auf einer der weltweit größten Schmiedepressen (300.000 kN) entstehen. So schmiedet Fuchs Alu-Räder für eine moderne Straßenbahn, die Stahlräder ersetzen. Die Masse nahm von vorher 99 auf 42kg ab. Der Aluminiumeinsatz erhöhte zwar die Kosten um 32Prozent. Wegen der sehr hohen Einsparungen bei der Masse (minus 57kg) sanken die Mehrkosten pro Rad auf etwa 280€, die sich im Schienenverkehr durch die ständig steigenden Energiekosten schnell amortisieren. Velten: »Das ist sowohl im Vergleich zu Lebenszykluskosten als auch zu anderen Leichtbaumaßnahmen ein enorm günstiger Wert.«

Extremfall Flugzeug, Beispiel Airbus A380

Eine entscheidende Rolle spielt die Werkstoffauswahl auch im Flugzeugbau: Obwohl die Werkstoffe nur 3,5Prozent der Gesamtkosten eines Flugzeuges ausmachen, beeinflussen sie 44Prozent der Lebenszykluskosten. Werkstoffinnovation ist daher für Hersteller wie Airbus wegen des starken Wettbewerbs aus den USA, Russland und China eine Überlebensfrage. Ein Beispiel dafür ist der A380, das mit einer Kapazität bis 853Passagiere größte bisher in Serie produzierte zivile Verkehrsflugzeug.

Erschwerend kam beim A380 hinzu, dass Airbus auf den Umstieg von der bisher traditionell genieteten auf eine geschweißte Struktur setzte.

Schweißbare Aluminiumverbindung benötigt

»Wir haben dafür neue schweißbare Werkstoffe benötigt«, blickte Dr.Blanka Lenczowski, Senior-Expertin für Metalltechnologie bei der Airbus Group Innovations in Ottobrunn, 20Jahre in die Anfangszeit der Entwicklung zurück. Im ersten Schritt sei es um das Aufstellen eines Anforderungsprofils der neuen Werkstoffe für die Außenschale des Flugzeuges gegangen. Zu den wichtigen Kennwerten zählen außer der Schweißbarkeit Rissfestigkeit und stabiles Risswachstum im oberen Bereich sowie Druckfestigkeit und mechanische Eigenschaften im unteren Bereich der Außenschale. Dr.Lenczowski: »Sehr wichtig war uns das Korrosionsverhalten, da es sich bei den Kosten besonders auswirkt.« Bei den Fügeverfahren entschied sich Airbus für Laserstrahlschweißen und Friction-Stir-Welding, für die bei dem Flugzeughersteller die schweißbare und sehr korrosionsbeständige Legierung Aluminium-Magnesium-Scandium entstand.

»Wir haben sie zu einer höherfesten Variante weiterentwickelt, die es unter der Bezeichnung AA5028 auf dem Markt gibt«, berichtete die Senior-Expertin. »Scandium hilft uns, ein sehr feines Gussgefüge zu produzieren. Außerdem wirkt das Element der Kristallisation bis zu einer Temperatur von 600°C entgegen.«

Obwohl die Seltene Erde Scandium nur mit geringem Anteil (unter einem Prozent Gewichtsanteil) in der Legierung vorkommt, wirkt sie sich sehr positiv auf das Laserschweißen aus: So weist die Schweißnaht nach einer speziellen Nachbearbeitung immer noch 90Prozent der Festigkeit des Bauteils auf. Allerdings gibt es auch Nachteile, denn es handelt sich um eine sogenannte naturharte Legierung, die sich nicht lösungsglühen lässt. Die maximale Festigkeit beträgt daher nur 400 bis 450MPA, die für Risse an den Backen sorgt.

Als Gegenmaßnahme entwickelte Airbus ein Verfahren für die Schalen des A380, das die rund acht Meter langen und zwei Meter breiten Bleche mit einer Temperatur von 325°C wärmevorbehandelt. Das Ergebnis sind Bleche ohne Spring-Back-Verhalten und Eigenspannungen, die im Material und in der Naht nahezu die gleiche Festigkeit aufweisen. Airbus konnte die Zahl der Bearbeitungsschritte von bisher 22 auf neun senken. Die Kostenersparnis von acht bis zehn Prozent ließ Airbus schon über neue Herstellverfahren nachdenken. Senior-Expertin Lenczowski: »Wir erhielten beim 3D-Druck mit unserem Pulver mit Aluminium-Magnesium-Scandium Bauteile mit der gleichen fantastischen Festigkeit von 500MPa wie bei der Pulvermetallurgie.«

Nikolaus Fecht

Fachjournalist aus Gelsenkirchen

Erschienen in Ausgabe: 07/2016