Professor Horst E. Friedrich, FK, DLR, eröffnete die 5. ATZ-Fachtagung Werkstoffe im Automobilbau.
Andreas Burkert
Helfen generative Fertigungsmethoden, die Komplexität, Kosten und die Großserienproduktion im Leichtbau in den Griff zu bekommen? Die rund 100 Experten, die zur 5. ATZ-Fachtagung Werkstoffe im Automobil nach Stuttgart kamen, sind davon überzeugt. Auch heute noch diskutieren sie Innovationen und Strategien zum besten Materialmix und die Vorteile des Multi-Material-Designs sowie der Funktionsintegration.
"Leichtbau ist eine Notwendigkeit", mahnt Professor Horst E. Friedrich, erklärt aber auch, warum der Leichtbau ebenso eine "Kunst und Geisteshaltung" ist. Weil nämlich der Einsatz moderner Leichtbauwerkstoffe vorrangig durch die Material- und Prozesskosten bestimmt wird, die Fähigkeit des Recyclings gegeben sein muss und die Ökobilanz nicht aus dem Ruder laufen darf, summieren sich die Herausforderungen. Wie sehr diese den Konstrukteur bei der täglichen Arbeit belasten, verdeutlich unter anderem die erste Präsentationsfolie, die Friedrich anlässlich der 5. ATZ-Fachtagung "Werkstoffe im Automobilbau" auflegt. Friedrich ist Direktor am Institut für Fahrzeugkonzepte, DLR, und hat die zweitägige Veranstaltung in der Alten Reithalle in Stuttgart eröffnet.
So gilt der Leichtbau als eines der wesentlichen konstruktiven Mittel, um den Verbrauch eines Fahrzeugs zu reduzieren, "doch der Leichtbau ist auch die kostspieligste Variante". Die Bewertung der Kosteneffizienz ist ein wichtiges Werkzeug. Das genau aus diesem Grund der Materialwissenschaftler mit Nachdruck nach neuen Materialien sucht, ist die Kunst, von der Friedrich zu Beginn sprach. Die Geisteshaltung kommt dann ins Spiel, wenn etwa die Ökobilanz eingefordert wird. Den Blick richtet er dabei auf Magnesium, ein Werkstoff, mit dem sich "viel Gutes herstellen lässt". Allerdings kann der energieaufwendige Herstellungsprozess die Gesamt-CO2-Bilanz eines Fahrzeugs erheblich stören. Erst der geschickte Einsatz neuer Materialien schafft Abhilfe.
Kosteneffizienz und Ökobilanz auch bei hohen Produktionsvolumen
Weil das alles auch bei höheren Produktionsvolumen möglich sein muss, gelten das Multi-Material-Design und die Funktionsintegration als innovativer Lösungsweg. Wobei das multifunktionelle Design mit Leichtmetallen wie Magnesium oder Hochleistungsfaserverbundkunststoffen wie CFK nach geeigneten Verfahren verlangt. Das weiß auch Professor Harald Naunhaimer und nimmt in seiner Keynote dazu Stellung - unter anderem, indem er Professor Werner A. Hufenbach zitiert, der das Problem Werkstoffe für den Automobilbau einst auf den Punkt brachte: "Der richtige Werkstoff, an der richtigen Stelle, zum richtigen Preis und der richtigen Ökologie".
Das ist eine Aussage mit vielen Parametern, die auch noch miteinander interagieren. Um also eine systematische Werkstoffauswahl des am besten geeigneten Materials zu treffen, muss "die Abhängigkeit der wesentlichen Konzeptparameter - mechanische / thermische Anforderungen, Kosten, Stückzahl, Bauweise etc. - betrachtet werden". Dabei stehen nach Ansicht Naunhaimers eine Reihe von traditionellen und modernen Werkstoffsystemen wie hochfeste Stähle, Leichtmetalle, Kunststoffe, faserverstärkte Kunststoffe im Wettbewerb zueinander. Allerdings weiß er auch, dass die jeweilige konkrete Anwendung und Bauweise das optimale Materialkonzept vorgibt.
Fehlende beziehungsweise ungenaue Materialkennwerte
"Ich erwarte daher vorwiegend die Mischbauweise für künftige Konzepte für Fahrwerke und Getriebe, die für spezielle Funktionen die Eigenschaften bestimmter Werkstoffe gezielt zur Funktionsdarstellung nutzen." Mit dieser Forderung wird allerdings auch gleich das Pflichtenheft für die Produktionstechnik formuliert. Die Herausforderungen wie Fügetechnik (Auslegung, Automation und Handhabung), physikalische / chemische Unterschiede (Delta Alpha-Problematik, Korrosion) dürfen nicht unterschätzt werden.
Unterschätzt werden darf auch nicht die Komplexität der Simulation unter anderem der Festigkeiten vor allem von Faserverbundkunststoffen, wie Professor Herbert Kohler, Leiter e-Drive & Future Mobility in der Konzernforschung und Vorentwicklung bei Daimler erklärt. Während Naunhaimer in diesem Zusammenhang die noch fehlenden beziehungsweise ungenauen Materialkennwerte bemängelt, weist Kohler darauf hin, dass in der Regel das Wissen fehlt, wie sich verschiedene Strukturen und Belastungen berechnen lassen. "Da sind wir noch auf Forschungseinrichtungen angewiesen." Gerade bei der Berechnung, Simulation auf Basis von Werkstoffdaten ist noch vieles im Argen. Wird in diesem Segment Know-how aufgebaut, dürfte dem Einsatz faserbasierter Leichtbauwerkstoffen in Großserie kaum mehr etwas im Weg stehen.
Lösen generative Fertigungsmethoden das Dilemma?
Und noch etwas wird den Leichtbau einfacher machen, wie Martin Hillebrecht, Leiter Competence Center Leichtbau, Werkstoffe und Technologien, Edag, weiß: "Die generative Fertigung beziehungsweise das additive Manufacturing ermöglicht völlig neue Lösungswege im Sinne des funktionsorientierten Leichtbaus". Hillebrecht ist der Ansicht, dass das generative Fertigen der Entwicklung und dem Design große Freiheiten einräumt, die zuvor durch die in der Produktion vorhandenen Einschränkungen aufgrund der klassischen ur- und umformenden sowie zerspanenden Fertigungsverfahren (nach DIN 8580) nicht erschließbar waren.
Um den Beweis anzutreten hat Edag mit LZN ein Gehäuse für Leistungselektronik eines E-Fahrzeuges inklusive integriertem Kühlkreislauf entwickelt und als Schnittmodell veröffentlicht. Laut der Präsentation erzielt der Demonstrator mit 900 g statt des Referenzgewichtes von 1900 g einen extrem hohen Leichtbaugrad "durch die last-, topologie- und funktionsgerechte Dimensionierung." Hillebrecht gibt zwar zu, dass der industrielle Einsatz der generativen Fertigungsverfahren noch am Anfang steht. Die Vorteile im Hinblick auf "Freiheitsgrade in der Entwicklung bis hin zur werkzeuglosen Fertigung diese Technologie zu einem Zukunftsthema machen".
Die 6. ATZ-Fachtagung Werkstoffe im Automobilbau wird am 27. Und 28. Oktober 2015 in Stuttgart stattfinden.