AutoCluster.NRW, NMW.NRW - Trotz großer Anstrengungen ist es den Automobilherstellern in den vergangenen Jahren nicht gelungen, die Fahrzeugmassen signifikant zu reduzieren. Stattdessen ist durch viele neue Komfort- und Sicherheitsanforderungen eher ein Gewichtsanstieg zu verzeichnen.

Um zukünftigen Klimaschutzzielen zu begegnen, bedarf es daher innovativer und ganzheitlicher Leichtbauansätze. Durch die Senkung des Fahrzeuggewichtes um 100 kg lässt sich z. B. eine Reduzierung des CO2-Ausstoßes um etwa 8,5 g/km realisieren.
Für die Gewichtsreduzierung von automobilen Strukturbauteilen existieren aktuell drei verschiedene Ansätze: erstens ein Trend zu hoch- und höchstfesten metallischen Werkstoffen, zweitens die Substitution von Stahl oder Aluminium z. B. durch Faserverbundkunststoffe (FVK) sowie drittens Multimaterialsysteme z. B. als Kombinationen aus Metallen und Faserverbundkunststoffen.

 

Belastungsangepasste Strukturen

 

Die Beanspruchungen von Bauteilen sind in den meisten Fällen nicht homogen. Da sich die Auslegung der Strukturen jedoch an den höchsten lokalen Belastungen orientieren muss, sind Bereiche mit niedrigeren Belastungen häufig signifikant überdimensioniert. Um insgesamt Gewicht einzusparen, werden die Werkstoff- und Bauteileigenschaften bei belastungsangepassten Strukturen daher lokal, entsprechend der jeweiligen Belastung, angepasst. Dies kann z. B. durch eine induktive partielle Härtung oder durch eine lokale Verstärkung mit einem Faserverbundkunststoff wie CFK (sog. Multimaterialsystem oder Hybridwerkstoff) realisiert werden.

 

Partielle induktive Härtung

 

Mittels einer partiellen induktiven Härtung kann die Festigkeit von Stahlwerkstoffen lokal gezielt erhöht werden. Bei einem FB 590-Stahl kann beispielsweise die Festigkeit von ca. 600 MPa auf über 1000 MPa gesteigert werden. Durch diese Technologie lassen sich daher die mechanischen Kennwerte im Bereich der hochbelastete Bereiche innerhalb eines Stahlbauteils gezielt erhöhen, wodurch die Wanddicke des Bauteils insgesamt reduziert werden kann.

Zunächst sind für die partielle induktive Härtung die Bauteilbereiche zu bestimmen, die verfestigt werden müssen. Hierzu wird die Finite-Elemente-Methode angewendet. Bei der technischen Umsetzung des Härtungsprozesses führt ein Roboter einen Induktor mit einem geringen, definierten Abstand entlang der zu härtenden Bereiche und bringt gezielt Wärme ein. Unmittelbar nach der Erwärmung werden die Bauteilbereiche durch mehrere mitgeführte Wasserdüsen abgeschreckt.

Für einen Querlenker eines Automobilfahrwerks wurde unter Beibehaltung der mechanischen Eigenschaften die Wanddicke von 2,8 mm auf 2,5 mm gesenkt, wodurch 11 % des Gewichts eingespart wurden. Die Wanddickenreduktion wird in diesem Fall durch die Steifigkeitsanforderungen an das Bauteil begrenzt, da lediglich die Festigkeit durch die partielle Härtung beeinflusst werden kann.

 

Multimaterialsysteme aus Metall und Faserverbundkunststoffen

 

Eine Alternative zur direkten Beeinflussung mechanischer Eigenschaften durch die dargestellte Wärmebehandlung bietet die lokale Verstärkung eines Bauteils durch zusätzlich aufgebrachte Strukturen. Automobile Strukturbauteile, z. B. aus höchstfesten Stählen, können lokal an besonders hoch belasteten Stellen beispielsweise mit einer Verstärkung aus Faserverbundkunststoffen wie CFK versehen werden. Es entsteht ein Multimaterial- oder Hybridbauteil (Bild 3). Diese Hybridwerkstoffe weisen ein enormes Leichtbaupotential auf, da eine optimale Werkstoffausnutzung erreicht wird. Durch den begrenzten Einsatz von teuren FVK-Werkstoffen wird zudem ein kostenoptimierter Leichtbau erreicht.

Eine Möglichkeit zur Herstellung dieser Hybridbauteile ist das Prepregpressen. Dieses neuartige Fertigungsverfahren ist ein großserientauglicher Prozess, der entsprechend der Spezifikationen der Automobilindustrie entwickelt wird. Es werden mit einer Epoxidharzmatrix vorimprägnierte FVK-Halbzeuge verwendet. Diese sogenannten Prepregs werden auf speziellen Anlagen kontinuierlich als Rollenware hergestellt.

Nach einem anschließenden Zuschnitt und Lagenaufbau entsprechend der Belastungen im späteren Bauteil werden die Halbzeuge einer Presse zugeführt. Ein Roboter legt zunächst das bereits umgeformte metallische Bauteil in die Presse ein. Danach wird das Prepreg durch eine aufgelegt und durch einen Umformprozess in das Blechbauteil eingeformt. Die Anbindung der FVK-Verstärkung an das Stahlblech erfolgt über das Matrixharz. Bei der Einformung sind verschiedene Faktoren zu beachten. Insbesondere ist die Materialflusssteuerung durch Niederhaltersysteme oder Ziehleisten zu nennen. Den Prozess zeichnen Taktzeiten von weniger als fünf Minuten im Vergleich zu sonst üblichen 15 Minuten und mehr aus. Dies wird erreicht, indem im geschlossenen Umformwerkzeug lediglich eine Voraushärtung des Prepregs erfolgt. Die Restaushärtung wird in einem ohnehin nachgeschalteten Lackierprozess realisiert. Durch die metallische Grundstruktur können die Hybridbauteile z. B. mittels Punktschweißen in bestehende Strukturen und Prozesse integriert werden.

 

Vergleich der Verfahren

 

Die Verfahren der partiellen induktiven Härtung sowie des Prepregpressens zur Herstellung von Hybridbauteilen aus Metall und FVK bieten ein großes Leichtbaupotential. Durch die induktive Härtung lässt sich allerdings lediglich die Festigkeit eines Stahlwerkstoffs ändern. Der E-Modul und damit die Steifigkeit oder Stabilität dünnwandiger Leichtbaustrukturen kann nicht beeinflusst werden. Mittels der Hybridbauweise können Bauteile ebenfalls belastungsangepasst ausgeführt werden. Insbesondere kann jedoch auch die Steifigkeit der Strukturen positiv beeinflusst werden.

 

Zusammenfassung

 

Leichtbau im Automobil ist durch verschiedenste Technologien realisierbar. Generell bieten diejenigen Ansätze das größte Leichtbaupotential, mit denen belastungsangepasste Bauteile hergestellt werden können. Zwei dieser Verfahren wurden vorgestellt, die partielle induktive Härtung sowie die Herstellung hybrider Werkstoffe aus Metall und Faserverbundkunststoffen.

Bei der partiellen induktiven Härtung wird die Festigkeit eines Stahlwerkstoffs lokal erhöht. Hierdurch kann die Wandstärke des Bauteils reduziert werden, wodurch Gewicht eingespart werden kann. Höchstfeste Multimaterialsysteme aus Metall und Faserverbundkunststoffen (sog. Hybridwerkstoffe) bieten ein enormes Leichtbaupotential. Die Pressverarbeitung vorimprägnierter Faserverbundkunststoffhalbzeuge, den Prepregs, bietet eine Möglichkeit, Leichtbauteile entsprechend den Spezifikationen der Automobilindustrie herzustellen. Die realisierbaren Taktzeiten liegen deutlich unter fünf Minuten (aktuell meist über 15 Minuten), wobei die Restaushärtung des Matrixharzes in einem ohnehin nachgeschalteten Lackierprozess erfolgt. Die Kombination der Faserverbundkomponente mit einer Stahlstruktur ermöglicht z. B. die Einbindung der Bauteile in bestehende Prozesse mittels konventioneller Fügeverfahren wie dem Punktschweißen. Durch die Nutzung des Matrixharzes als Klebstoffsystem lassen sich die Kosten signifikant senken, da der Fügeprozess von Metall und FVK sowie die Aushärtung des FVK in einem Schritt erfolgen.