Kraftstoffverbrauch und CO2-Emission reduzieren

Mit Stahl Gewicht einsparen

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Automobile leichter bauen mit Stahl: ein Widerspruch? Neue Konzepte für die Architektur der Karosserie, ständig verbesserte Stahlsorten und neue Verarbeitungsverfahren machen es möglich: Stahl bleibt auch im Zeitalter des Leichtbaus für Serienfahrzeuge der optimale Werkstoff, sowohl technisch als auch wirtschaftlich.

Steigende Ansprüche bei Sicherheit und Komfort haben das Fahrzeuggewicht von Mittelklassewagen in den letzten 30 Jahren um rund 50 % ansteigen lassen. Dabei nimmt der Kraftstoffverbrauch je 100 kg Fahrzeugmasse um 0,2 bis 0,4 l je 100 km Fahrstrecke zu. Begrenzte natürliche Ressourcen und die wegen des globalen Klimas geforderte Reduzierung des CO2-Ausstosses – die EU fordert von der Automobilindustrie bis 2012 eine Senkung auf höchstens 130 g/km – stehen in krassem Widerspruch zu dieser Entwicklung. Eine bedeutende Maßnahme, den Kraftstoffverbrauch und damit die CO2-Emission zu senken, ist die Reduzierung der Fahrzeuggewichte, ohne Abstriche von Sicherheit und Komfort zu machen. Dabei dürfen die Kosten nicht nennenswert steigen.

Leichtbau heißt also die Devise. Ein bedeutender Teil der erforderlichen Maßnahmen zielt auf die Karosserie, die als größte zusammenhängende Baugruppe eines Fahrzeugs bei einem durchschnittlichen Auto immerhin rund 30 % des Gesamtgewichts ausmacht. Schon seit Mitte der 80er Jahre arbeiten die Automobilindustrie und die großen Stahlkonzerne an Projekten, die eines zum Ziel haben: Werkstoffe, Architekturen und Verarbeitungsverfahren zu entwickeln, die helfen sollen, Automo- bile leichter zu bauen.
Während in den ULSAB (Ultra Light Steel Auto Body)-Projekten in den 90er Jahren stahlintensive Automobilkonzepte vorangetrieben wurden – ein Konsortium aus Automobilbauern und Stahlkonzernen hatte die Porsche Engineering Group mit der Konzeptentwicklung beauftragt – setzt Audi auf den Werkstoff Aluminium. Die Substitution eines Stahlteils durch Aluminium kann immerhin bis zu 50 % des Gewichtes einsparen. 1993 macht Audi mit der „Audi Space Frame“-Technologie (ASF) Furore. Dabei handelt es sich um eine hochfeste Aluminium-Rahmenstruktur, die aus Blechen, Strangpressprofilen und Druckgussteilen besteht und bei der jedes Flächenteil am Fahrzeug mittragend integriert ist. Der Audi A8 ist das erste Serienfahrzeug, das in dieser Technologie Weltpremiere auf dem Genfer Automobilsalon 1994 feierte. Peter Urban, Leiter des Geschäftsbereiches Karosserie am Institut für Kraftfahrwesen an der RWTH Aachen, sieht die Bedeutung dieses Material-Struktur-Konzeptes darin, „dass es der Stahlindustrie einen wichtigen Impuls für die Entwicklung neuer Blechwerkstoffe mit immer höheren Festigkeiten gab.“
Den Leichtbau lediglich auf den Einsatz und die Entwicklung leichter Werkstoffe zu reduzieren, würde deutlich zu kurz greifen. Neue Architekturen, neue Verarbeitungs- und Fügeverfahren, aber auch deutliche Fortschritte in der Simulation tragen entscheidend dazu bei, die Karosseriebauteile auf die Belastungsfälle hin zu optimieren, weniger Bauteile einzusetzen und das Gewicht zu reduzieren. Porsche Engineering hatte unter Mitwirkung der an ULSAB beteiligten Stahlhersteller für jedes Bauteil jeweils die Stahlsorte ausgewählt, die Anforderungen wie Crash- und Strukturverhalten am besten erfüllt. Im Mittelpunkt der Arbeiten stand aber immer die fertigungstechnische Umsetzung des Gesamtfahrzeuges in Großserie.
Höherfeste Stahlsorten, Mehrphasenstähle, die kontinuierliche Weiterentwicklung der schon bekannten Tailored Blanks, lasergeschweißte dünnwandige Rohre (Welded Tubes), die durch Hydroforming (Innenhochdruckumformen IHU) in die endgültige Form gepresst werden und dabei noch eine Steigerung der Festigkeit erfahren, sind bedeutende Entwicklungen, die aus diesen Projekten hervorgehen.
Komplexe Bauteile durch Hydroforming
Beim Hydroformen werden in einem geschlossenen Werkzeug rohrförmige Teile mittels Flüssigkeit unter hohem Druck in die gewünschte Form gepresst. Auf diese Weise lassen sich äußerst komplexe Bauteile mit zum Teil sehr unterschiedlichen Querschnitten für höchste Beanspruchungen herstellen. Gegenüber der konventionellen Bauweise führt dieses Verfahren zur Reduzierung des Gewichts, der Teilezahl und des Blechverschnitts und trägt so auch zur Senkung der Kosten bei.
Mit dem gemeinsamen Projekt Atlas (Advanced Technologies for Lightweight Autobodies in Steel) setzen die Salzgitter AG und die Wilhelm Karmann GmbH erstmals die Spaceframe-Technik im Stahl-Karosseriebau ein. Aufgrund seiner hervorragenden Festigkeits- und Crasheigenschaften ist der Werkstoff Stahl geradezu prädestiniert für diese Bauweise. Die räumliche Rahmenstruktur aus geschlossenen Profilen für die tragenden Elemente der Fahrzeugkarosserie bringen seine spezifischen Eigenschaften wie hohes Elastizitätsmodul und hervorragende Festigkeit voll zur Geltung.
Für die Herstellung geschlossener Profile setzen die Partner Fertigungsverfahren wie das Rollprofilieren und das Innenhochdruckumformen ein. Gegenüber der bis dahin vorherrschenden Schalenbauweise können Profile kontinuierlich und mit nur einer Schweißnaht gefertigt werden. Flansche entfallen. Die eingesetzten hochfesten Stähle in Verbindung mit darauf abgestimmten Fertigungsverfahren ergeben deutlich festere und steifere Strukturen bei deutlich geringeren Blechdicken. So kann das Gewicht um etwa 20 % reduziert werden. Die Kosten bei den Einzelteilen sinken um 15 bis 20 %, bei den Werkzeugen um bis zu 30 %.
Auf diese Ergebnisse setzten die Partner Salzgitter und Karmann 2005 das Projekt ScaLight (Scalable Autobody Lightweight Concept) auf. Ziel war es, eine skalierbare Basisstruktur zu entwickeln, die für unterschiedliche Fahrzeugtypen einzusetzen ist. Als Basis dienten vereinheitlichte Profilkomponenten. Dass den Partnern neben technischen Entwicklungen vor allem auch die wirtschaftliche Betrachtung wichtig war, verdeutlicht Dr. André Kröff, der Projektleiter bei Salzgitter: „Wir haben einen kompletten Produktionsplan aufgestellt, mit Business Case und Kostenmodell, der von der Auswahl der Werkstoffe für einzelne Bauteile bis hin zur Produktionsanlage reicht.“ Für die Salzgitter AG ging es laut Dr. Kröff aber auch darum, neue Werkstoffe zu entwickeln und aufzuzeigen, wie diese mit modernen Fertigungsverfahren zu Halbzeugen verarbeitet und in Fahrzeugen eingesetzt werden können.
Am Beispiel der A-Säule, dem komplexesten Bauteil, wird der erzielte Fortschritt durch den Einsatz neuer Fertigungsverfahren deutlich. Sie ist hergestellt aus einer einzigen, zugeschnittenen Platine, einem Tailored „Rolled“ Blank (TRB). Bei dieser Platine variiert die Blechdicke entsprechend dem später zu erwartenden Belastungsverlauf, von 3 mm über 3,9 mm bis hin zu 2,5 mm. Ermöglicht wird das durch den Prozess des flexiblen Walzens, bei dem der Walzspalt gezielt verändert wird. Entwickelt wurde das Verfahren von der Muhr und Bender KG in Attendorn und dem Institut für Bildsame Formgebung (IBF) der RWTH Aachen. Die fertig zugeschnittene Platine wird in einem komplexen Umformschritt zum Rohrprofil eingeformt und verschweißt, anschließend gebogen, vorgeformt und durch Hydroforming in seine endgültige Form gepresst. Die lokal angepassten Wanddicken verleihen der A-Säule nun einen belastungsoptimierten Steifigkeitsverlauf.
Montagebausätze für die Karosserie
Weitere hochwertige Komponenten schließen sich an die A-Säule an, wie Querträger (IHU-Profile), Längsträger und Schweller (Rollprofile) sowie Bodenbleche als Tailored Blanks mit aufgeschweißten Verstärkungsblechen (Patches). So entsteht ein Montagebausatz für die Rohkarosserie aus einer überschaubaren Zahl standardisierter Komponenten, die mittels Schweißen, MIG-Löten, Kleben und durch mechanische Verfahren gefügt werden.
„Mit Scalight haben wir den Automobilherstellern ein Angebot gemacht, Fahrzeuge künftig leichter und sparsamer herzustellen“, erklärt Projektleiter Dr. Kröff. Und Peter Harbig, Sprecher der Geschäftsführung der Wilhelm Karmann GmbH ergänzt: „Die durch Scalight erzielte Gewichtsreduzierung kann einen wesentlichen Beitrag zur Senkung des Kraftstoffverbrauchs und damit des CO2-Ausstoßes leisten.“
Auch Thyssen Krupp Steel hat sich mit dem NSB (New Steel Body)-Konzept der Space- frame-Technlogie verschrieben. Lesen Sie in Teil 2 der Serie, wie neue Stahlsorten und Verarbeitungsverfahren den Leichtbau vorantreiben.
Salzgitter;
Telefon: o5341 21-01;
E-Mail: pk@salzgitter

Die Serie wird fortgesetzt:
Ausgabe 2/2009 (erscheint 22.5.09)
Teil 2: Leichtbau in Stahl
Ausgabe 3/2009 (erscheint 26.8.09)
Teil 3: Aluminium und Magnesium
Ausgabe 4/2009 (erscheint 30.11.09) Teil 4: Composites ud Mischbauweisen
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