FA 04 Im Automobilbau zählt jedes Gramm

Innovative Lösungen mit Rohren und rohrähnlichen Profilen verringern Kosten und Gewicht

Foto 1: InCar plus Demonstrationsmodell (Quelle: Lothar Handge)

Der Automobilsektor ist nicht der größte, aber doch ein wichtiger Absatzmarkt für Rohrhersteller. Viele Meter Rohr oder rohrähnliche Profile stecken, zumeist von außen unsichtbar, in jedem Straßenfahrzeug. Wie alle anderen Komponenten eines Kraftfahrzeugs unterliegen auch sie einem stetigen Wandel mit dem Ziel der Kostenoptimierung sowie der Verbrauchs- und Gewichtsreduzierung. Aus Kostengründen ist speziell bei Großserien der Einsatz „exotischer“ Materialen wie Kohlefaserwerkstoffe oder Magnesium etc. nur begrenzt möglich. Stattdessen überwiegt im Automobilbau nach wie vor der Gebrauch von Aluminium und Stahlwerkstoffen. Vor allem neue hochfeste Stahlsorten leisten einen immer größeren Beitrag zur Verringerung des Fahrzeuggewichtes, des Kraftstoffverbrauchs und der CO2-Emissonen.

Dabei findet der Fortschritt nicht nur bei den Automobilherstellern statt, sondern auch bei den Zulieferern, die heute einen sehr hohen Anteil an der gesamten Wertschöpfungskette im Kraftfahrzeugbau einnehmen. Zu den Unternehmen, die sich in großem Maßstab mit Forschung und Entwicklung rund um das Automobil befassen, gehört die ThyssenKrupp AG. Bei dem Konzern übergreifenden Forschungsprojekt InCar plus wurde vor allem das Ziel verfolgt, den Kunden eine breite Palette rasch umsetzbarer, serienreifer Lösungen bieten zu können. Das Ergebnis waren mehr als 40 innovative Lösungen für Fahrwerk, Lenkung, Antriebsstrang und Karosserie, die laut Dr. Heinrich Hiesinger, Vorstandsvorsitzender der ThyssenKrupp AG, „…beim Gewicht Einsparpotenziale von bis zu 50 Prozent, bei den Bauteilen und Kostenvorteile bis zu 20 Prozent erreichen.“

Die Vorgaben der EU zur Reduktion des CO2-Ausstosses stellt die Automobilindustrie vor große Herausforderungen. Automobiler Leichtbau mit Stahl leistet dazu einen wichtigen Beitrag, meint Dr. Heribert Fischer, Mitglied des Vorstandes der ThyssenKrupp Steel Europe AG: „Vor allem, weil er ökologisch sinnvoll und wirtschaftlich umsetzbar und daher auch für kleinere und mittlere Fahrzeugklassen mit hohem Kostendruck - also die Mehrzahl aller Autos - praktikabel ist“. Gleiches gilt für die steigenden Sicherheitserfordernisse an die Produkte der Automobilhersteller, die sich unter anderem in verschärften Crash-Tests äußern.

Warmumformung liegt im Trend
Bei crashrelevanten Bauteilen ist die Warmumformung eine probate Methode, um komplex geformte Bauteile mit sehr hoher Festigkeit und Stabilität bei geringem Gewicht herzustellen. Dabei werden Platinen erhitzt, die glühenden Bleche in einer Presse umgeformt und anschließend schnellstmöglich heruntergekühlt. In der Automobilindustrie sind, so Dr. Fischer, „nicht Aluminium oder CFK die am stärksten wachsende Werkstoffsegmente im Auto, sondern warmumgeformte Bauteile aus Stahl“.

Bei den Stählen mit höchsten Festigkeiten wurden im Rahmen von InCar plus Fahrzeugkomponenten aus neuen Stählen wie einem Dualphasenstahl der 1.200er-Festigkeitsklasse oder einem ultra-hochfesten Mangan-Bor-Stahl für die bei einem Seitencrash hochbelastete B-Säule entwickelt, die mittels Kalt- oder Warmumformung verarbeitet werden. Die hohe Festigkeit der Stähle ermöglicht es, die Blechdicke zu reduzieren und im Vergleich zu herkömmlichen Bauteilen einen Kosten- und Gewichtsvorteil zu erzielen.

Mit Hilfe der Warmumformung lassen sich sehr komplexe Bauteil-Geometrien herstellen. Beispielhaft dafür steht ein neu konstruierter vorderer Biegeträger aus warmumgeformten Mangan-Bor-Stahl, der eine Gewichtsreduktion um fast 20 Prozent - rund zwei Kilogramm - ermöglicht. Diese Lösung ist etwa so schwer wie ein Aluminiumbauteil, aber deutlich kostengünstiger. Ein weiteres Beispiel ist eine A-Säule, bei der geschlossene Profile warmumgeformt werden. Diese kostengünstige Leichtbaulösung erlaubt neben der Gewichtsreduzierung von über drei Kilogramm eine schlankere A-Säule, die den Blick nach vorn verbessert.

Eine deutliche Gewichts- und Kostenersparnis gegenüber herkömmlichen Lösungen soll auch eine B-Säule aus TriBond, einem dreilagigen Stahl-Werkstoffverbund für die Warmumformung, erlauben. Hier erreicht man durch die Kombination höchstfester mit hoch duktilen, also sehr gut verformbaren Stählen in einem Stahl-Sandwichwerkstoff Eigenschaften wie eine hohe Energieaufnahme und große maximale Biegewinkel.

Optimierung der Antriebstechnologie
Zu den Schwerpunkten beim InCar plus Projekt gehört auch die Optimierung der Antriebstechnologie hin zu mehr Effizienz und weniger Emissionen. Und zwar beim konventionellen Verbrennungsmotor, der laut Dr. Karsten Kroos, Vorsitzender des Bereichsvorstands der Business Area Components Technology der ThyssenKrupp AG, noch auf absehbare Zeit die dominierende Antriebsform bleiben wird und die größten Möglichkeiten zur Vermeidung von Schadstoffemissionen bietet. Im Fokus stand dabei neben der Erhöhung des thermodynamischen Wirkungsgrads die Vermeidung von Reibungsverlusten im Antriebsstrang.

Unter anderem wurde eine gebaute Nockenwelle mit integriertem Ölabscheidesystem entwickelt, die den üblichen externen Ölabscheider überflüssig macht, weil der gesamte  Prozess der Gas- und Ölabscheidung in der Nockenwelle selber stattfindet. „Diese integrierte Lösung ist nicht nur effizienter als die Referenzsysteme, sondern spart noch dazu Bauraum ein und eröffnet den Fahrzeugherstellern damit neuen Spielraum in der Motorarchitektur“, verspricht Dr. Kroos. Ein weiteres Beispiel für den Einsatz moderner Leichtbauwerkstoffe bei der Komponentenfertigung sind hybride Schiebenockenelemente, bei denen Kunststoff- und Stahlbauteile durch ein spezielles Spritzgussverfahren verbunden sind. Außer der Gewichtseinsparung von rund 30 Prozent verspricht diese Technologie eine verbesserte Verstelldynamik und damit eine potenzielle Kraftstoffeinsparung von rund fünf Prozent.

Neben dem klassischen Verbrennungsmotor standen beim InCar plus Projekt auch Hybride und rein elektrische Antriebssysteme im Fokus mit dem Ziel, die Wirkungsgrade von E-Antrieben zu steigern. Für den Rotor beispielsweise wurde eine neue Architektur entwickelt, die dank des mehrteiligen, modularen Aufbaus bis zu 16 Prozent Gewicht einspart. Darüber hinaus bietet das Konzept neuen Bauraum in Inneren des Rotors, der  für Funktionen wie eine Ölzuführung, aktive Kühlung oder motoreigene Sensorik genutzt werden kann.

Im Bereich der Fahrwerkskomponenten wurden ebenfalls neue Lösungen gefunden. Bei Stoßdämpferrohren gelang es, mit neuen Umformverfahren das Design an die Bauraumsituation individuell anzupassen. Für extreme Straßen- und Witterungsverhältnisse wurden außerdem Stoßdämpferrohre aus Edelstahl entwickelt, die korrosionsfrei sind und sich deshalb besonders für den Einsatz in Geländewagen oder Sonderserien eignen.

Bei der Suche nach neuen Lösungen ist man bei ThyssenKrupp nicht ausschließlich auf Stahlwerkstoffe fixiert. So finden sich im InCar plus-Portfolio auch Elemente aus CFK. Beispielsweise ein sehr steifes und leichtes CFK-Stoßdämpferrohr, das rund 30 Prozent leichter sein soll als die leichtesten Aluminiumrohre. Ein serientaugliches Industrialisierungskonzept wurde gleich mit entwickelt. Die Nutzung weiterer Optimierungspotenziale soll sogar CFK-Rohre mit einer Gewichtseinsparung von rund 45 Prozent ermöglichen.

Wärmeleitrohre nutzen überschüssige Energie
Den Kunden zu helfen, bessere Autos zu bauen, indem man sie schon in einem frühen Stadium bei Themen wie Leichtbau, Sicherheit oder der Reduzierung von Emissionen unterstützt, ist ein Ziel der Benteler International AG. Unter den Produkt- und Verfahrensentwicklungen im Bereich Automobiltechnik sei ein Projekt zur Wärmerückgewinnung aus Auto-Abgassystemen durch spezielle Wärmeleitrohre, sogenannte Loop Heat Pipes (LHP), erwähnt. Ein System zur Aufheizung der Fahrgastzelle wurde bereits an einem Versuchsfahrzeug im Realbetrieb und auf einem genormten Rollenprüfstand getestet. Mit einem solchen System kann man auf den heute üblichen, elektrischen Zuheizer verzichten und damit eine deutliche Reduktion des CO2-Ausstoßes bei Verbrennungsmotoren erzielen.

LHPs lassen sich auch im Thermomanagement von Elektrofahrzeugen nutzen. Diesbezüglich wurde ein entsprechendes Projekt im Rahmen des ostwestfälischen Spitzenclusters „it´s OWL“ zur Reichweitenverlängerung und CO2-Ausstoßreduzierung initiiert. Hier soll untersucht werden, wie sich überschüssige Wärme von Komponenten wie Leistungselektronik und Motor durch mehrere miteinander kombinierte und steuerbare LHP-Systeme beispielsweise zur Aufheizung des Innenraums nutzen lässt.

Zum Produktbereich geschweißte Rohre gehört das sogenannte varID®-Konzept, bei dem Rohre mit variabler Wanddicke durch einen Ziehvorgang hergestellt werden können. Bei rohrbasierten Stabilisatoren lassen sich damit Gewichtseinsparungen von bis zu 50 Prozent gegenüber Vollstäben erreichen, heißt es bei Benteler. Des weiteren wurden erste Schweißversuche mit Hochmanganstählen mit extremem Umformvermögen durchgeführt. Sie zeigen, dass Rohre aus solchen Werkstoffen grundsätzlich herstellbar sind. Mögliche Einsatzgebiete sind demnach Crash-Struktur-Bauteile im PKW. Im Bereich nahtloser Rohre konnte Benteler dank eines neuen Werkstoffes und der Optimierung der Prozessroute den möglichen Systemdruck bei Dieseleinspritzrohren für eine PKW-Abmessung um rund 200 bar steigern.

Stähle mit hoher Festigkeit und Dehnung
Ein ähnlich Konzern übergreifenden Projekt wie ThyssenKrupp verfolgt auch die Salzgitter AG mit ihrer Initiative Automotive. Mitte des Jahres präsentierte das Unternehmen aktuelle Entwicklungen und Lösungskonzepte zum Thema Leichtbau, darunter neue Stahlwerkstoffe, kaltgezogene nahtlose und geschweißte Präzisionsstahlrohre sowie Lösungen vom Prototypen- und Werkzeugbau bis hin zum fertigen IHU-Bauteil.

Als innovativen Werkstoff mit überragenden Eigenschaften bezeichnet Salzgitter den HSD®-Stahl (High Strength and Ductility). Der Eisen-Mangan-Aluminium-Silizium-Stahl soll hohe Festigkeiten bei gleichzeitig hoher Duktilität bieten und eignet sich sowohl zur Herstellung von Warm- und Kaltband als auch von geschweißten Präzisionsstahlrohren. Während die hohe Festigkeit eine Reduzierung der Blechdicke und damit Leichtbauanwendungen erlaubt, steht die hohe Dehnung für sehr gute Umformeigenschaften sowie die Bauteil- und Funktionsintegration, also für komplexe Bauteilgeometrien. Beide Eigenschaften zusammen ermöglichen ein hohes Energieaufnahmevermögen bei crashrelevanten Bauteilen.

Ein sehr gutes Umformverhalten soll eine neue Generation von Dualphasenstählen aufweisen, die als Alternative für mikrolegierte Stähle insbesondere bei kritischen Umformoperationen bezeichnet werden. Geeignet sind diese Stähle unter anderem für Bauteile mit anspruchsvollem Umformgrad, zum Beispiel Dachrahmen, sowie für Bauteile mit Anforderungen an hohe Streckgrenzen und Bauteile mit besonderen Crashanforderungen.

Als nach eigenen Angaben führender Anbieter von Präzisionsstahlrohren in Europa bietet Salzgitter ein breites Spektrum individuell entwickelter Bauteillösungen für den automobilen Leichtbau. Ein Beispiel für das Potenzial bei bauteilangepasster Auslegung ist ein Stabilisator, der in Vollmaterialausführung bei 22 Millimeter Durchmesser und 1.400 Millimeter Länge über 4 Kilogramm wiegt. Ein gleich langer Stabilisator aus einem Präzisionsstahlrohr mit 23,5 Millimeter Durchmesser und 3,5 Millimeter Wanddicke wiegt dagegen weniger als 2,5 Kilogramm, also rund 40 Prozent weniger.

Auch bei Getriebewellen lassen sich mit Präzisionsstahlrohren im Vergleich zum Vollmaterial Gewichtseinsparungen erzielen. Hier nennt Salzgitter Werte zwischen 20 und 50 Prozent. Dazu kommen bei einem optimierten Rohrherstellungsprozess Kosteneinsparungen, unter anderem aufgrund eines verringerten Fertigungsaufwandes und des reduzierten Materialverbrauches.

Präzisionsstahlrohre für Dieseleinspritzleitungen kommen dem Trend im Motorbau zu höheren Einspitzdrücken bei Dieselmotoren entgegen. Durch eine ganzheitliche Werkstoff- und Prozessentwicklung ist es möglich, Einspritzleitungsrohre zu bauen, die bei gleichen Abmessungen und Wanddicken eine 20 Prozent höhere Druckbelastung aushalten.

Ein großes Potenzial bieten auch HFI-geschweißte Präzisionsstahlrohre aus HSD®-Stahl. Die hohe Bauteilfestigkeit bei gleichzeitig hoher Bruchdehnung solcher Rohre macht sie im Automobilbereich besonders geeignet für crashrelevante Bauteile zur Energieabsorption. Die hohe Restumformbarkeit wiederum lässt sich gut bei der Weiterverarbeitung mittels Umformprozessen bei hochfesten Bauteilen nutzen.

Ein weiteres Leichtbaukonzept stellt das TDT®-Verfahren (Tailor Drawn Tubes) dar, das eine flexible Anpassung der Wanddicken von Rohrkörpern an die auftretende Belastung erlaubt. Der dafür entwickelte Ziehprozess garantiert gleichbleibend homogene mechanisch-technologische Eigenschaften über die Bauteillänge. Das Potenzial zur Gewichtsreduktion liegt laut Salzgitter je nach Ausgangskonstruktion bei rund 20 Prozent.

Innovative Lösungen mit Rohren und rohrähnlichen Profilen für die Automobilindustrie werden auch auf der nächsten Internationalen Rohrfachmesse Tube eine wichtige Rolle spielen. Die Leitmesse der Rohrbranche wird wieder zusammen mit der wire vom 4. bis 8. April 2016 auf dem Düsseldorfer Messegelände stattfinden.

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Foto 2: InCar plus Stoßdämpferrohre (Quelle: Lothar Handge)

Foto 3: InCar plus Stoßfänger als modulares Leichtbau-Konzept (Quelle: Lothar Handge)