ATZlive-Tagung: "Verfügbarkeit und Qualität der Sekundärwerkstoffe ist elementar"

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Werkstoffe im Automobilbau müssen nicht nur bauteil- und produktionsgerecht, sondern unter ökologischen Aspekten immer leichter und möglichst gut rezyklierbar sein, wobei Kostenaspekte wesentlich sind. All diese Ziele gleichzeitig zu erreichen, ist kaum möglich. Daher kann es nur um den besten Kompromiss gehen.

Dieser ist in vielen Lösungen bereits zu finden, wie die ATZlive-Fachtagung "Werkstofftechnik im Automobilbau" am 27. und 28. Oktober 2015 in Stuttgart zeigte. BMW zum Beispiel hat bei der Entwicklung des neuen 7er darauf geachtet, eine Optimierung in allen Fahrwiderständen zu erreichen. Florian Schek, Leiter Leichtbau und Gewicht bei BMW, zeigte, wie der OEM mit einem um 130 Kilogramm geringeren Gewicht, einem niedrigeren Schwerpunkt, einer Achslastverteilung von 50 : 50 und mit um 15 Prozent verringerter ungefederter Masse nicht nur Verbrauch, sondern auch die Dynamik im Vergleich zum Vorgängermodell verbesserte. Im Dachholm kam eine Kombination aus geflochtenem CFK und Stahl zum Einsatz, die Anbauteile bestehen mit Ausnahme der hinteren Seitenwand aus Aluminium. Die Karosserie des neuen 7er kommt damit ohne Anbauteile auf 323 Kilogramm Gewicht, das Gesamtfahrzeug auf 1725 Kilogramm. Wie Schek sagte, besitzt das Fahrzeug 16 CFK-Komponenten, die in vier Herstellverfahren produziert werden. Dabei würden "Erkenntnisse aus den i-Modellen helfen, die Leichtbaukonzepte des 7er zu bewältigen."

Nicht auf CFK, sondern auf Aluminium setzt Ford beim "seit 33 Jahren meistverkauften Auto auf dem amerikanischen Markt", den F 150. Das Unternehmen will nach Angaben des Technischen Leiters Materialkonzepte bei Ford, Dr. Jürgen Wesemann, die CO2-Emissionen für Neufahrzeuge bis 2020 um 30 Prozent verringern. Beim seit November 2014 angebotenen F 150 wird die Kabine aus Aluminium gebaut, wobei laut Wesemann ein Drittel des Leichtmetalls aus Recyclingmaterial besteht. "Wir versuchen, die Energiebilanz zu verbessern, indem wir ausgefeilte Recycling-Konzepte verfolgen", hieß es - bei 1954 Kilogramm Gesamt-Leergewicht und einer Jahresproduktion von mehr als 750.000 Fahrzeugen eine anspruchsvolle Aufgabe.

Magnesium findet nur zögerlich seinen Markt

Der im Vergleich mit Aluminium noch leichtere Werkstoff Magnesium findet dagegen nur zögerlich seinen Markt. "Die Massenproduktion ist noch nicht angelaufen", sagte Professor Karl Ulrich Kainer vom Institut für Werkzeugforschung am Helmholtz-Zentrum Geesthacht. Obwohl der Werkstoff ein hohes Leichtbaupotenzial, eine hohe spezifische Festigkeit und sehr gut rezyklierbar und darüber hinaus unbegrenzt verfügbar sei, würden seine begrenzte Warmfestigkeit, das schlechte Korrosionsverhalten und die wenig ausgeprägte Kaltumformbarkeit nach wie vor die Marktsituation begründen. Erschwerend hinzu käme die energieaufwendige Gewinnung im hauptsächlich in China angewendeten Pidgeon-Prozess. Dieser produziert bei der Gewinnung von 1 Kilogramm Magnesium aus beispielsweise Dolomit Treibhausgase in Höhe von 31 Kilogramm CO2-Äquivalent. Bei Stahl sind es rund 2 Kilogramm.

Nachdem lange Zeit Druckgusslegierungen verwendet wurden, haben sich mittlerweile "richtungsweisende Entwicklungen von neuen Knetlegierungen und im Bereich der Dünnbandherstellung" ergeben, sagte Kainer. Mit dem Gießwalzverfahren, das Erstarrung und Walzen in einem Prozessschritt erlaube, gebe es nun eine wirtschaftliche Methode zur Herstellung von Mg-Dünnbändern. Kurz- und mittelfristig sieht Kainer hauptsächlich für Fahrzeug-Innenbauteile ein Einsatzgebiet, auch wenn es bereits mit dem Dach des Porsche GT 3 RS andere Anwendungsbeispiele gibt.

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Stahlkolben wird Alukolben verdrängen

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Mit der Frage Stahl oder Aluminium beschäftigte sich der Leiter Produktentwicklung Motorsysteme und -komponenten bei Mahle, Dr. Andreas Pfeifer. Der Trend zum Downsizing bei Pkw-Dieselmotoren und der Wunsch nach noch mehr Fahrleistungen würde Leistungsdichte und Mitteldruck in die Höhe treiben und damit die thermische und mechanische Belastung von Motoren steigern. Alukolben hätten zwar eine gute Wärmeleitfähigkeit, würden aber bei diesen Vorgaben an ihre Grenzen kommen. Zur besseren Kühlung des Kolbens, und hierbei vor allem des kritisch belasteten Muldenrands, könne man entweder auf Höhe der Ringhalter einen höherer Kühlkanal installieren oder durch Umschmelzen ein feineres und damit belastbareres Gefüge des Rands erzielen. So könne mit einem neuen Gießprozess lokal eine Gefügestruktur eingestellt werden, die die Lebensdauer um 30 Prozent verlängert. Alternativ ließe sich ein Aluminiumoxid-Faserring in die Gussform für die Mulde einlegen. Mit diesen Maßnahmen und einer Detailoptimierung der Kolbengeometrie seien Zünddrücke bis zu 210 bar beherrschbar. "Damit erscheinen aber die Grenzen wirtschaftlich vertretbarer Zusatzmaßnahmen am Aluminiumkolben erreicht zu sein", sagte Pfeifer.

Da gegenüber Stahlkolben Aluminiumbauteile aus Festigkeitsgründen eine größere Kompressionshöhe bräuchten, müssten Alukolben höher und schwerer gebaut werden, hieß es. Hier hätte der Stahlkolben Vorteile, so dass bei seinem Einsatz die Blockhöhe verringert und das Motor-Gesamtgewicht verringert werden könnte. Wegen seiner Vorteile bei Thermodynamik und Reibleistung könnte der Stahlkolben ferner den Verbrauch um bis zu 5 Prozent senken. "Stahlkolben haben trotz ihrer geringeren Wandstärke eine hohe Zünddruckfestigkeit und wären für hohe Leistungsdichten prädestiniert", sagte Pfeifer. Es bestehe aber die Gefahr, dass durch die hohen Temperaturen Materialschwächungen durch Zunderbildung oder Veränderungen der Gefügestruktur auftreten und das Kühlöl zu schnell altert. "Wegen des Reibleistungvorteils wird der Stahlkolben den Alukolben verdrängen“, prophezeite Pfeifer, allerdings "nur, wenn man den Wärmehaushalt beherrscht."

Umweltaspekt wird zunehmend größer

Ob im Antriebstrang oder der Karosserie, die Materialvielfalt hat sich erhöht. Um das viel zitierte richtige Material an der richtigen Stelle zu haben, reicht es nicht, nur Werkstoffeigenschaften, Eignung und Kosten zu vergleichen. Auch der Umweltaspekt wird zunehmend größer. "Die gewichtsbedingten CO2-Emissionen können durch Leichtbauwerkstoffe in der Nutzungsphase deutlich gesenkt werden", sagte Jürgen Stichling von thinkstep. Doch müsse nicht nur dieser Teil, der 85 Prozent der Emissionen verursache, betrachtet, sondern der gesamte Lebenszyklus optimiert werden. So würden die leichten Materialien in ihrer Herstellung mehr Emissionen bedingen, was die Gesamtrechnung belaste, in die auch andere Emissionen wie Stickoxide, Kohlenwasserstoffe oder Partikel sowie Energie- und Ressourcenverbrauch einfließen. Kämen vermehrt Recyclingwerkstoffe zum Einsatz, würde zwischen Primär- und Sekundärverwendung eine große Einsparung bei den Emissionen erreicht und der "ökologische Rucksack" leichter, "die Herausforderung besteht in der Verfügbarkeit und Qualität der Sekundärwerkstoffe."