Alu, CFK, Kunststoff und die Zukunft im Leichtbau

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Aluminium, CFK und Kunststoffe sind die heißesten Kandidaten für den Leichtbau der Zukunft. Welche Pläne und Visionen die Hersteller haben, lesen Sie hier.

ALUMINIUM

Mehr Teamgeist im Leichtbau

Corrado Bassi Foto | privat

Corrado Bassi. Foto | privat

Aluminium ist in der Automobilindustrie längst etabliert. Jetzt geht es darum, Legierungen zu entwickeln, die hoch automatisierte Fügetechniken erlauben. Das Verfahren mit den besten Aussichten ist für Corrado Bassi von Novelis das Laser-Remoteschweißen.

Autos und Dosen sind die großen Wachstumstreiber auf dem Aluminiummarkt. Bei beiden spielen Gewicht und Stabilität eine wichtige Rolle. Doch im Verpackungsbereich ist es nicht so sehr der Werkstoff, der uns beschäftigt. Der Fokus liegt auf Beschichtungslösungen, die wir gemeinsam mit Partnern und Kunden entwickeln. In der Automobilbranche ist das anders. Hier ist es das Material selbst, das unsere Entwicklung immer stärker herausfordert. Themen wie Umformbarkeit, Festigkeit oder Fügetechniken stehen dabei im Vordergrund.

Auf der Suche nach Automatisierung

Natürlich freuen wir uns über jedes reine Aluminiumauto und natürlich wollen wir den Aluminiumanteil im Auto weiter steigern. Doch die Zukunft liegt in der Mischbauweise, bei der unterschiedliche Materialien dort zum Einsatz kommen, wo sie ihre Stärken am besten ausspielen können. Durch die Warmumformung ist Stahl zu einer festen Größe im Leichtbau geworden und gerade bei den Strukturbauteilen ist er meist die erste Wahl der Hersteller.

Aber auch Kunststoff und Faserverbundkunststoffe wie CFK zeigen aktuell, dass sie sich als tragende Werkstoffe eignen. Und Aluminium hat sich längst bei den Außenbauteilen wie Motorhauben, Heckklappen oder Türen bewährt.

Wir Werkstoffhersteller stehen nun vor der Aufgabe, das Zusammenspiel unserer Materialien zu fördern. Denn mit dem Einsatz vieler unterschiedlicher Materialien steigt natürlich auch die Komplexität im Fügevorgang, bei Korrosionsproblemen und beim Lackieren. Und ganz wichtig sind schließlich Lösungen, die hochgradig automatisierte Prozesse für das Fügen möglich machen. Denn anders als Stahl lassen sich diese Leichtbauwerkstoffe nicht einmal mit sich selbst ohne Weiteres verschweißen und wenn, dann nur mit Zusatzstoffen.

Faszination Remoteschweißen

Als Schweißwerkzeug für Aluminium fasziniert mich besonders der Laser und da vor allem das Remoteverfahren. Der große Abstand der Optik zum Werkstück macht die Technologie besonders flexibel: Viele unterschiedliche Nähte, auch an schwer erreichbaren Stellen, lassen sich mit ihr realisieren. Und das ist gerade im Fahrzeugbau ein großer Vorteil. Dort ist die Steifigkeit der Komponenten ein wichtiges Kriterium und die hängt auch davon ab, wie man die Fügetechnik auslegt.

Tour-EiffelDer Eiffelturm besteht aus 7.300 Tonnen Schmiedeeisen. Würde man ihn heute aus Aluminium bauen, wöge er bloß noch 5.110 Tonnen.

Doch insbesondere beim Remoteschweißen muss man ohne Zusatzdraht und Schutzgas auskommen. Daher haben wir ein spezielles Aluminiumblech entwickelt, das genau dies ermöglicht. Fusion heißt bei uns diese Innovation, bei der wir zwei Legierungen in eine Bramme gießen. Nach dem Walzen haben wir dann im Kern eine im Fahrzeugbau übliche 6000er-Legierung und außen eine Schicht aus einer Aluminium-Silizium-Legierung, die Laserschweißen ohne Zusatz erlaubt.

Im Laserschweißen von Aluminium steckt unseres Erachtens noch viel Potenzial. Deshalb bin davon überzeugt, dass Entwicklungen wie diese weiter an Bedeutung gewinnen werden.

Über den Autor

Corrado Bassi ist Direktor der Automobilentwicklung bei Novelis am Standort Sierre in der Schweiz. Novelis ist Marktführer für Aluminium-Walzprodukte, hat seinen Hauptsitz in Atlanta in den USA und betreibt 25 Fertigungswerke und Recyclingcenter in elf verschiedenen Ländern mit nahezu 11.000 Mitarbeitern. E-Mail: Corrado.Bassi@novelis.com


CFK

Leichtigkeit für alle!

Andreas Wüllner Foto | Mario Andreya

Andreas Wüllner. Foto | Mario Andreya

Hohe Steifigkeit bei gleichzeitig sehr geringem Gewicht — das sind die herausragenden Eigenschaften kohlenstofffaserverstärkter Kunststoffe, kurz: CFK. CFK heißt aber leider auch: hohe Bauteilkosten im Vergleich zu anderen Leichtbaumaterialien. Das solle sich mit innovativen Produktionsverfahren ändern, sagt Andreas Wüllner von der SGL Group und verspricht: CFK und andere Faserverbundwerkstoffe werden bald stärker im Alltag vertreten sein.

Bei der Nachbearbeitung von Faserverbundwerkstoffen werden zumeist konventionelle Verfahren wie Fräsen und Wasserstrahlschneiden eingesetzt. Der Laser kommt als vielversprechendes Verfahren dazu, insbesondere bei höheren Stückzahlen, für Klebevorbereitungen und die Reparatur. Als Hersteller von Faserverbundwerkstoffen haben wir unter den Bearbeitungsverfahren aber keinen Favoriten.

Bereit für die Massenproduktion

Von besonderer Bedeutung für die weitere Etablierung des Werkstoffs ist für uns vielmehr, immer neue innovative Anwendungen und optimierte Produktionsverfahren gemeinsam mit unseren Kunden zu entwickeln und zu fördern. In der Vergangenheit kamen CFK, aber auch andere Faserverbundwerkstoffe vor allem in Anwendungsindustrien wie der Flugzeug- und Windkraftbranche sowie in Sportwagen oder in der Formel 1 zum Einsatz. Hier geht es um vergleichsweise kleine Serien und zumeist längere Fertigungszyklen. Dabei werden in der Regel CFK-Lagen im Autoklav zu Bauteilen verbacken, was einige Zeit in Anspruch nimmt.

Neu ist, dass Verbundwerkstoffe zunehmend auch in die Massenproduktion einfließen, etwa in automobile Serien. Ein prominentes Beispiel ist der serienmäßige Einsatz von CFK in Karosserieteilen des neuen 7er-Modells von BMW. Bei solchen Anwendungen geht es natürlich zum einen um höhere Stückzahlen. Zum anderen werden die Verfahren hierdurch aber auch bezüglich der Durchlaufzeiten und der Herangehensweise an die Bauteilherstellung immer besser und innovativer und damit letztlich Stück für Stück auch kostengünstiger.

Schneller Harzfluss

Um dies zu unterstützen, optimieren wir als Materialhersteller unsererseits beispielsweise die Vernähung der Gelege sowie die Orientierung und Grammatur der Carbonfasern. Das Harz fließt dann schneller ein und verteilt sich optimaler im Bauteil. Und wir begleiten und beraten unsere Kunden, wie sie die Bauteile möglichst verschnittarm produzieren, etwa mit endkonturnahen Werkzeugen.

Tour-EiffelAus CFK gebaut, wöge der Eiffelturm 1.460 Tonnen statt 7.300. Er würde im Moment aber auch noch 50-mal mehr kosten als der eiserne.

Die ständige Weiterentwicklung des Werkstoffs erschließt zudem neue Anwendungsmöglichkeiten. Ein Beispiel für eine neue Produktlinie der SGL Group sind die faserverstärkten Thermoplaste, die besonders kurze Zykluszeiten, Verschweißbarkeit, Reparaturfähigkeit und Wiederverwertung ermöglichen. Darüber hinaus pflegen wir eine aktive Zusammenarbeit und ein umfassendes Engagement in Sachen Grundlagenforschung und Branchenarbeit. So sind wir etwa Partner des Lehrstuhls für Carbon Composites an der TU München und Mitbegründer des Carbon Composites e.V. (CCeV).

Unser Ziel ist es, dass Faserverbundwerkstoffe keine Luxusapplikation mehr sind, sondern tragender Werkstoff vieler Alltagsprodukte.

Über den Autor

Andreas Wüllner leitet das Verbundwerkstoffgeschäft innerhalb der SGL Group. Die SGL ist einer der international führenden Hersteller von Produkten und Materialien aus Carbon und betreibt weltweit 42 Produktionsstandorte. Das Unternehmen sitzt in Wiesbaden und beschäftigt rund 6.300 Mitarbeiter. E-Mail: andreas.wuellner@sglgroup.com


Kunststoff

„Arbeitet zusammen!“

Dr. Harald Ott. Foto | Julia Knop

Dr. Harald Ott. Foto | Julia Knop

Bauteilstrukturen aus Kunststoffen und Metallen ? „Eine diffzile Angelegenheit!“, sagen die Produktioner. „Das stimmt zwar“, antwortet Dr. Harald Ott von der Albis Plastic GmbH, „aber genau hier liegen große Chancen.“

Kunststoffe im Leichtbau sind längst keine Neuheit mehr. So gibt es beispielsweise im Autoinnenraum kaum noch Teile, die nicht zumindest zum Teil aus Kunststoffen gefertigt sind. Der Werkstoff fi ndet sich in Baugruppen vom Armaturenbrett über Schalter bis hin zu veredelten Oberflächen. Auch in klassischen Metallbereichen wie Motorraum oder Fahrwerk werden hoch verstärkte Polyamide sowie Hochleistungskunststoffe, beispielsweise als Trägersysteme für Motoren und Getriebe, eingesetzt. In der Karosserie findet man speziell konfektionierte Compounds etwa in Stoßfängern, Kotflügeln oder in der Verglasung.

Werkstoffübergreifend denken

Dieser Trend wird sich fortsetzen, da hier das Potenzial für Gewichtseinsparungen noch relativ groß ist. Ein weiterer, spannender Aspekt ist die Funktionsintegration, bei der es darum geht, ein Bauteil unter Ausnutzung konstruktiver, verarbeitungsseitiger und werkstofflicher Möglichkeiten zur Erfüllung verschiedenster Aufgaben zu befähigen und so Fertigungsschritte und Kosten einzusparen.

Trotz all dieser Entwicklungen sind aus meiner Sicht bei Metallen und Kunststoffen für sich genommen viele Möglichkeiten zunehmend ausgereizt. Ingenieure und Techniker müssen zukünftig noch stärker werkstoffübergreifend denken und unter Verwendung neuer Kombinationen von Materialien und Verfahren innovative Produkte entwickeln. Hierbei sollten frühzeitig Lieferanten betreffender Werkstoffgruppen einbezogen werden. Wir unterstützen unsere Kunden durch Know-how beim werkstoffgerechten Auslegen von Fertigteilen und Werkzeugen sowie durch maßgeschneiderte Entwicklung der erforderlichen Kunststoffkomponenten.

Laserverfahren für Kunststoff

Tour-EiffelEin Eiffelturm aus Polyamid wäre absolut witterungs- und UV-beständig. Paris könnte sich den alle sieben Jahre fälligen Neuanstrich mit rund 60 Tonnen Speziallack sparen.

Im Umfeld innovativer Fertigungsverfahren spielt der Laser eine wichtige Rolle. Im Kunststoffbereich sind neben dem Einsatz in der additiven Fertigung (3-D-Druck) insbesondere die Verfahren Laserstrukturierung und -markierung sowie das Laserschweißen zu nennen. Beim Durchstrahlschweißen werden zwei Kunststoffteile stoffschlüssig verbunden. Dabei strahlt der Laser durch das erste, lasertransparente Material hindurch und erwärmt nur das zweite, laserabsorbierende, sodass eine sehr definierte Fügezone resultiert.

Für die vielfältigen Anforderungen haben wir verschiedenste Lösungen im Portfolio und können bei Bedarf entsprechende Anpassungen vornehmen. Im Bereich der Kunststoff -Metallhybrid-Fertigung können entsprechende Laser zunächst die Oberfläche des Metalls strukturieren. Dann wird eine Kunststoffkomponente eingespritzt und eine formschlüssige Verbindung erzeugt.

Um bei der Vielzahl von Einsatzmöglichkeiten immer auf der Höhe der Zeit zu sein, arbeiten wir mit Partnern aus der Wirtschaft zusammen und beteiligen uns an Forschungsprojekten. Nur so können wir unsere Kunden kompetent dabei unterstützen, neue und innovative Produkte zu entwickeln.

Über den Autor

Dr. Harald Ott ist Senior Manager Product Development bei der Albis Plastic GmbH in Hamburg. Das Unternehmen vertritt zum einen als Distributeur thermoplastischer Kunststoffe führende Marken und Hersteller Europas. Zum anderen entwickelt und produziert die Albis Plastic GmbH als Compoundeur eigene, hoch spezialisierte Compounds für unterschiedliche Anwendungen. E-Mail: harald.ott@albis.com

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