Stahl hilft beim Abspecken

Magnesium ist in Brasilien preiswerter als Aluminium. In Europa ist es dagegen umgekehrt. Und in den USA, oder in Asien? Der globale Markt stellt die Entwicklungsabteilungen der Automobilindustrie vor die Aufgabe, ein und dasselbe Modell in ganz unterschiedlichen Werkstoffzusammensetzungen zu planen – abhängig von lokalen Rohstoffpreisen, Fertigungskosten oder Sicherheits- und Umweltauflagen.
In diesem Spannungsfeld ist Leichtbau eine komplexe Aufgabe. „Um so wichtiger ist es, schon in der Konzeptphase neuer Modelle die landesspezifischen Ressourcen einzubeziehen“, erklärt Dr. Harald?Ludanek, Leiter der Technischen Entwicklung der Skoda Auto AG. Leichtbau im globalen Rahmen setze konsequentes Multi-Material-Design voraus. Dafür müsse man wiederum für alle Module vom Werkstoff unabhängige Qualitätsstandards definieren. Dazu steht und fällt der Multimaterial- Einsatz mit der Verlässlichkeit neuer Fertigungstechnologien und Konstruktionsprinzipien.
1 kg Abspecken darf laut Ludanek höchstens 5 d kosten, weil der gesparte Kraftstoff sonst die Mehrkosten nicht aufwiege. Zusätzlich würde der Spielraum der Entwickler durch kürzere Modellzyklen und immer mehr Modellvarianten eingeengt.
Potenzial, um Gewicht und auch Geld zu sparen, sieht der Direktor des Düsseldorfer Max-Planck-Institutes für Eisenforschung, Prof. Peter Neumann, vor allem in einer optimalen Konstruktion: „Oft sind Bauteile zu großzügig ausgelegt. Das Material wird nicht optimal belastet.“ Je schwerer der Werkstoff, desto mehr erreiche man mit belastungsoptimierter Konstruktion. Gerade wo es auf Zugfestigkeit ankommt, kann man laut Neumann mit durchdachtem Stahlbau besser abspecken als mit teuren Leichtmetallen.
Wie sehr sich Stahl für den Leichtbau eignet, wissen die Autohersteller längst. Seit Jahren steigt die Nachfrage nach hochfesten Stählen. ?ThyssenKrupp hat zuletzt eine enorme Vielfalt dieser Stähle entwickelt und liefert Technologien, um sie zu bearbeiten. Eine Erfolgsgeschichte haben Tailored Blanks geschrieben – maßgeschneiderte Platinen, für die man Feinbleche von unterschiedlicher Dicke, Güte und Oberflächenbeschichtung per Laser miteinander verschweißt. Aus Tailored Blanks wird heute die Hälfte der Karosserien gefertigt: Gewicht sparende Türen, Heckklappen und Fahrzeugböden.
Wichtig sind hochfeste Stähle für crashrelevante Bauteile. Denn auf ihrer Basis lassen sich strengere Sicherheitsauflagen nahezu ohne Gewichtszuwachs erfüllen – natürlich nur bei belastungsoptimierter Konstruktion, wie sie Neumann fordert. Allerdings stellt die exakte Bearbeitung der ultraharten Stähle Umformtechniker und ihre Werkzeuge vor schwierige Aufgaben – wie Dr. Jens-Arend Feindt von der Thyssen Umformtechnik und Guss GmbH anmerkt. So sei der Instandhaltungsaufwand am Werkzeug bis zu drei Mal höher als bei konventionellen Werkstoffen, und man benötige deutlich mehr Presskraft, um die Bauteile zu formen. Das gelte auch für Mehrphasenstähle, die ihre endgültige Härte erst nach der Formgebung in weiteren Produktionsschritten entwickeln.
Ohne Computer-Simulation ist das Umformen der festen Stähle kaum mehr denkbar. So ermitteln die Formgeber vorab, welche Stähle den geforderten Belastungen (etwa bei Crashtests) überhaupt gewachsen sind. Per Umform-Simulation ermitteln sie dann, ob und mit welcher Kraft der geeignete Stahl in die gewünschte Form (etwa einer B-Säule beim Pkw) zu bringen ist.
Neben den Simulationsverfahren steht derzeit eine technologische Neuerung in den Startlöchern, die das Umformen künftig revolutionieren könnte: das Hydro-Umformen. Unter hohem Druck werden bei dieser Methode Bleche und Rohre mit Flüssigkeit in die gewünschte Form gepresst.
Selbst komplexe Bauteile sind laut Dr. Stefan Bobbert, Produktionsplaner bei DaimlerChrysler, mit dem Hydrodruck formgenauer und mit weniger Prozessschritten herzustellen, als mit herkömmlichen Verfahren. Dazu entfalle der Werkzeugverschleiß. „Geringere Kosten für Maschinen und Werkzeuge lassen kleine und mittlere Stückzahlen zu“, so Bobbert. Aufgrund der wachsenden Modellvielfalt sei das natürlich äußerst günstig.
Natürlich eröffnet der Leichtbau nicht nur Stahl neue Möglichkeiten. Auch der Anteil von Aluminium, Magnesium, Kunststoff und textilen Werkstoffen wird im Auto weiter steigen. Dafür braucht es verlässliche Fertigungskonzepte – die ebenfalls zunächst am Computer simuliert werden müssen. Etwa das Gießen von Aluminium und Magnesium.
Anhand der Materialgesetze und Werkstoffkennwerte simuliert der Rechner, wie sich die Gussform füllt und wie schnell das Material erstarrt. „Anhand der Werte können wir die geeigneten Gießverfahren sicher auswählen“, so Prof. Hans-Günther Haldenwanger, Leiter Werkstoffe, Verfahren und Recycling bei Audi. Dazu erkenne man etwaige Fehlerquellen an schwer zu gießenden Bauteilen und könne ihnen früh mit konstruktiven Mitteln begegnen. „Das spart unnötige Entwicklungsschleifen und strafft den Produktionsablauf“, so Haldenwanger.
PETER TRECHOW/WOP