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Der Evolution auf die Finger geschaut

Leichtbau mit hochfestem, duktilem Gusseisen unter Berücksichtigung der Bionik
Der Evolution auf die Finger geschaut

Gusseisen erobert sich im Kampf der Materialien Anerkennung und Einsatzmöglichkeiten zurück. Höhere Festigkeit und damit ein niedrigeres Gewicht verleihen dem Material Aufmerksamkeit selbst in der sehr anspruchsvol-len Automobilbranche. Ein Forschungsprojekt zur Optimierung von Gusseisenteilen demonstriert verbesserte Einsatzmöglichkeiten anhand ausgewählter Fahrzeugteile.

Leichtbau hat sich zum Zauberwort für die Produktion im Automobilbau entwickelt. Gusseisen sah bis vor kurzem als Verlierer dieser Entwicklung aus. Jedoch haben Optimierungsverfahren, die der Natur abgeschaut sind, und ein verbesserter Werkstoff die Einsatzchancen der Teile in den Fahrzeugen der Zukunft neu gemischt. Jüngstes Beispiel ist die Verbesserung eines Schwenklagers, bei dem das Gewicht von 4,5 auf 3,5 kg reduziert wurde.

Bionik strebt Gewichtsreduktion von 20 % an
Mit Hilfe bionisch verbesserter Fahrzeugteile wird generell eine Gewichtsreduktion von 20 % angestrebt. Damit können „10 000 Tonnen Material eingespart werden“, berichtet Axel Rudolph, Leiter des Qualitätsmanagements der Georg Fischer Automotive GmbH & Co. KG in Mettmann. Dieses Einsparpotenzial ist mit einer jährlichen Schadstoffreduktion in der Produktion und Anwendung als Fahrzeugteil von insgesamt 37 500 t CO2, 46 t SO2 und 14 t N2O verbunden. Damit wäre eine Energieeinsparung von 126,5 GWh erreicht. Von dem Schwenklager werden allein 2 Mio. Stück jährlich in Mettmann produziert.
Diese Karriere von Eisenguss hat „Sibodur“ ermöglicht: Die Werkstoff-Familie ist von Georg Fischer Automotive, dem Tochterunternehmen der Georg Fischer AG, Schaffhausen, auf der Basis von Sphäroguss maßgeblich mit entwickelt worden. Damit werden überwiegend Sicherheitsteile wie Querlenker, Achsschenkel oder Schwenklager für das Fahrwerk von Personenwagen gegossen.
Der Name Sibodur leitet sich von den Zuschlägen Silizium, Bor und dem englischen Wort für Haltbarkeit (Durability) ab. Das Material enthält 3,4 bis 3,7 % Kohlenstoff und 2,8 bis 3,3 % Silizium. Im Vergleich zum Ausgangsmaterial hat Gusseisen aus Sibodur bessere Eigenschaften bei Dehnung, Zugfestigkeit und Schwingfestigkeit. Unter Zugabe verschiedener Elemente kann das Gusseisen fester oder zäher gestaltet werden und damit lassen sich die Werkstoffeigenschaften den Bauteilanforderungen genau anpassen.
Sibodur ermöglicht Leichtbau mit Gusseisen
„Erst mit Hilfe von Sibodur ist Leichtbau mit dem Gusseisen möglich“, erläutert Michael Franzen, Assistent Modellbau in Mettmann. Die Optimierung der Bauteile geschieht nach dem Vorbild des Wachstums von Bäumen. Für den Lastfall wird die leichteste Struktur des Bauteils gesucht, denn in ihnen steckt noch viel verschwendetes Material. „Der Konstrukteur denkt eher in Regelflächen und mit einem hohen Sicherheitsanspruch“, ergänzt Franzen, während nun ein „minimales Teil entwickelt wird, bei dem alles Sparpotenzial ausgereizt ist.“
Für das Schwenklager wurde zunächst eine Topologieoptimierung nach einem der verschiedenen verfügbaren Verfahren von Bendsoe oder Mattheck vorgenommen. Diese Methoden beseitigen die „Faulpelze“ (Bereiche, die nicht zum Tragverhalten beitragen) im Bauteil und entwickeln eine Idee einer leichten Struktur. Bei Bauteilen für das Auto müssen in der Regel zehn bis 20 Lastfälle wie Kurvenfahrt, Schlagloch oder Bremsen berücksichtigt werden.
„Bei noch nicht optimierten Bauteilen ist in der Regel eine Gewichtsreduzierung von 20 bis 30 Prozent möglich“, berichtet Wolfgang Sachs, Geschäftsführer der Sachs Engineering GmbH, Engen-Welschingen. Das Ingenieurbüro übernimmt die Optimierung der Topologie. Allerdings ist im Fahrzeugbau während der vergangenen 100 Jahre schon vieles optimiert worden. Folglich ist das Potenzial nach Einschätzung von Sachs im Maschinenbau höher als im Fahrzeugbau, aber für die Zukunft werde generell entscheidend sein, neue Konzepte zu finden und andere Wege in der Entwicklung zu gehen. So sei beispielsweise bei einem Pleuel das Optimierungspotenzial gering, aber vielleicht „gelingt es andererseits doch, eine neue Form zu finden.“
Bionische Lösungen leicht nachvollziehbar
Aufgrund der Topologieoptimierung wird ein CAD-Modell entwickelt. Die bionischen Lösungen sind im Allgemeinen sehr leicht nachvollziehbar „und oft mit einem Aha-Effekt verbunden“, erzählt Sachs, allerdings müssen sie überarbeitet werden. Diesen Schritt übernimmt die Hochschule Reutlingen.
Mit einer evolutionsstrategischen Optimierung werden im Laufe von Kreuzungen und Mutationen die Startwerte verbessert, von der Eltern- zur Kindgeneration mit Hilfe von einigen tausenden bis hunderttausenden Rechenoperationen. „Wir werden von Mal zu Mal schneller“, betont Prof. Rolf Steinbuch vom Studienbereich Maschinenbau der Hochschule Reutlingen, allerdings beträgt die reine Rechenzeit pro Bauteil immer noch bis zu vier Wochen – bei einem Rechnerpool von 30 Prozessoren, dem weitere 40 Prozessoren aus dem CAD-Pool und ein zusätzlicher Cluster mit 16 Prozessoren zugeschaltet werden können. „Die Prozessoren optimieren vor sich hin“, schildert Steinbuch lapidar die Arbeit. 300 000 Varianten eines Bauteils wurden beispielsweise über Weihnachten 2007 berechnet.
„Wissenschaft heißt wegwerfen“, erläutert er das, was folgt: Die Lernprozesse müssen bewertet und dann muss aussortiert werden, welche Varianten wenig Erfolg für weitere Optimierung versprechen. Was übrig bleibt, wird in ein CAD-Modell umgewandelt und muss sich einer erneuten Prüfung unterziehen: Kann dieses Teil gegossen werden? In dieser Spannung zwischen Optimierung und Fertigung bewegen sich die Entwickler. Am Schluss muss ein Teil bestimmt werden, das sowohl prozessfähig ist als auch die Qualitätsprüfung übersteht.
„Die Evolutionsstrategie war vor vier Jahren noch exotisch, aber jetzt hat sie schon industriellen Standard erreicht“, sagt Steinbuch und ergänzt, dass die Kombination der Evolutionsstrategie mit dem Gradientenverfahren sehr effizient geworden ist.
Georg Fischer Automotive setzt große Hoffnung auf die Verfeinerung der Methoden: Letztlich soll die gesamte Produktpalette der Gießerei in Mettmann von den Erkenntnissen profitieren. Die Gewichtsreduzierung beim Schwenklager bringt Festigkeit für mehr Sicherheit und Dehnbarkeit für mehr Dynamik und Komfort.
Georg Fischer;
Telefon: 02104/984-224;
Sachs Engineering;
Telefon: 07733/978950;
Hochschule Reutlingen;
Telefon: 07121/271-318;
E-Mail: rolf.steinbuch@ hochschule-reutlingen.de

Das Projekt
Das Forschungsprojekt „Innovative Leichtbauteile aus hochfestem, duktilem Gusseisen mit Kugelgraphit unter Berücksichtigung bionischer Methoden“ wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung im Rahmen der Maßnahme „Innovationen als Schlüssel für Nachhaltigkeit in der Wirtschaft“ gefördert und vom Projektträger im Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (PT-DLR) betreut.
Laufzeit: 01.10.2006 bis 31.01.2009
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