Leichtbau-Gipfel 2015 Komponenten im Blick

Redakteur: Christian Otto

Der zweite Tag des von der Fachzeitschrift »Automobil Industrie« veranstalteten Leichtbau-Gipfels begann mit einer Vortrags-Session in der Vertreter eines Entwicklungsdienstleisters, eines Zulieferers und einer Technischen Universität individuelle Fertigungsverfahren vorstellten.

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Mit der Session Komponenten startete der zweite Tag des Leichtbau-Gipfels. Mitorganisator und carhs-Geschäftsführer Rainer Hoffmann begrüßte das kundige Publikum.
Mit der Session Komponenten startete der zweite Tag des Leichtbau-Gipfels. Mitorganisator und carhs-Geschäftsführer Rainer Hoffmann begrüßte das kundige Publikum.
(Foto: Stefan Bausewein)

Als Chairman der Session fungierte Dr. Jürgen Wesemann, der bei Ford den Leichtbau mitverantwortet. Er übergab das Wort an Dr. Martin Hillebrecht von der EDAG Engineering AG, der generative Fertigungsverfahren für den Leichtbau zum Thema seines Vortrags machte und dafür das Beispiel einer multifunktionalen Komponente wählte. Hillebrecht sprach konkret von „zwei Champions der generativen Fertigung“, die die EDAG identifiziert habe. Dabei handle es sich zum einen um das SLM-Verfahren (Selective Laser Melting) und zum anderen um das FDM-Verfahren (Fuse Deposition Modeling).

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Das erste Verfahren folgt dem Prinzip des Stahlschmelzverfahrens und könnte künftig vor allem zu einer starken Verbesserung der Prozessgeschwindigkeit führen, während beim FDM thermoplastische Kunststoffe mit einer Düse schichtweise aufgetragen und so zu einem 3D-Werkstück aufgebaut werden.

Roadmap erstellt

„Vor diesem Hintergrund setzten wir uns mit verschiedenen Partnern im letzten Jahr an einen Tisch und erstellten eine Roadmap für eine Additive Fertigung“, so Dr. Hillebrecht. Aus diesen Gesprächen ergab sich auch ein Bild zur gesellschaftlichen Relevanz der Fertigungsmethode, die unter anderem dazu führe, dass dort produziert wird, wo das Produkt gebraucht wird und dann produziert wird, wenn das Produkt gebraucht wird. Und auch beim Thema Nachhaltigkeit spricht laut Hillebrecht vieles für den generativen Ansatz: „Insbesondere die werkzeuglose Fertigung ist ein Vorteil.“ Zudem könnte auf die Distribution über Kontinente verzichtet werden, was Lieferwege verkürze und jedes Verfahren ersetze bis zu 70 herkömmliche Werkzeugmaschinen.

„Das Ergebnis des additiven Fertigungsansatzes stellten wir dann mit einer kompletten Fahrzeugstruktur im letzten Jahr in Genf zur Diskussion“, erklärte Hillebrecht und meinte den so genannten Genesis, der auf ein bionisches Prinzip der Natur zurückgreift und sich dabei an einer Schildkröte orientiert.

Light Cocoon als Beispiel generativer Fertigung

Aus diesem Ansatz entstanden wiederum neue Ideen und die EDAG formulierte ein Projekt, mit dem Ziel ein ultraleichtes und multifunktionales Gehäuse für die Leistungselektronik eines E-Fahrzeugs zu entwickeln. An diesem Beispiel und an anderen Projekten zeigte sich laut Dr. Hillebrecht, dass die generative Fertigung, im Vergleich zu konventionellen Verfahren, aufgrund des Fehlens von Werkzeugkosten deutliche Einsparpotenziale bringe. Zudem konnten Leichtbaupotenziale gehoben werden. Das brachte zum Teil Gewichtseinsparungen von bis zu 50 Prozent.

Wie ein Auto aussehen könnte, das mit Hilfe generativer Fertigung hergestellt wird, zeige das aktuellste Projekt der EDAG. Das Concept Car „Light Cocoon“ konnte in diesem Jahr in Genf bestaunt werden. Dort kommt eine textile Außenhaut zum Einsatz.

Weiterentwickelte Gussverfahren

Auf den Vortrag von Dr. Hillebrecht folgte der Blick eines Zulieferers. Dr. Klaus Greven von der KSM Casting Group thematisierte den Leichtbau im Fahrwerk, den sein Unternehmen durch den Einsatz neuer Aluminiumgussverfahren umsetzt. Die Vorteile des Leichtbau mit Gusswerkstoffen fasste Greven kurz zusammen: „Wir haben eine hohe Gestaltungsfreiheit, das Design ist nahe an der Topologieoptimierung und mit diesen Werkstoffen ist auch bionisches Design möglich.“ Allerdings brächten Gusswerkstoffe auch eine geringe Duktilität und inhomogene Eigenschaften mit sich. Dort griff KSM nun an und setzte Entwicklungsleistung in das Verfahren, Material und den Prozess.

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Als Verfahren nutzt der Zulieferer das Counter Pressure Casting (CPC). Es ist eine Weiterentwicklung des herkömmlichen Niederdruckgusses. Durch das neu entwickelte Verfahren lasse sich die Befüllung der Gießform und die Erstarrung des Materials unter Druck verwirklichen, da die Drücke in Ofen und Kokille unabhängig voneinander regelbar sind. In Verbindung mit einer hohen Abkühlrate erreiche man laut Dr. Greven exzellente mechanische Kennwerte.

Eigener Werkstoff überraschte Kunden

Neben dem Verfahren galt der nächste Blick dem Material. Hier startete KSM ein F&E-Projekt an dessen Ende der Werkstoff Tensal steht. Der Ausgangspunkt war die Aussage eines Kunden, der eine Darstellung eines Schwenklagers aus Guss anzweifelte. „Wir haben das Lager trotzdem aus Guss entwickelt. Durch unsere neue Legierung konnten wir den Lastenfall des Kunden erfüllen“, berichtete Greven. Mit Tensal erreiche man vor allem eine signifikante Erhöhung der 0,2 Prozent-Dehngrenze im Vergleich zur Standardlegierung. Derzeit liege der erste Serienauftrag vor und mit einem Produktionsstart rechnet KSM für das Frühjahr 2016.

Und KSM Casting sei mit seinen Zielsetzungen noch nicht am Ende. So verwies Dr. Greven mit dem Controlled Vacuum Casting (CVC) auf eine weitere Verfahrensform.

LAM mit Vorteilen und Hürden

Der letzte Session-Vortrag kam weniger aus dem Bereich der Industrie. Vielmehr handelte es sich bei den Ausführungen von Jannis Kranz um einen Forschungsvortrag der TU Hamburg-Harburg. Kranz arbeitet dabei insbesondere an der Laseradditiven Fertigung (LAM), deren Vorteile er auch benannte. Dazu gehörten beispielsweise die einfache Datenvorbereitung direkt aus den CAD-Daten, die endkonturnahe Fertigung und die hohe geometrische Gestaltungsfreiheit.

Allerdings wies Kranz in seinen Ausführungen zum LAM auch auf eine neue Hürde hin: „Die Herausforderung ist eine steigende Designkomplexität.“ Zudem habe man zwei Probleme identifiziert: Zum einen sei das Design-Know-how auf Experten limitiert und es fehlten Richtlinien. Zum anderen sei das Bauteildesign häufig durch konventionelle Verfahrensrestriktionen beeinflusst.

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Die Forscher erstellten Designrichtlinien für das LAM. Dazu zählten unter anderem jene für Supportstrukturen, minimale Wandstärken, Bauraumabmessungen und Fertigungskosten. Bei den Wandstärken sollten beispielsweise jene vermieden werden, die größer als 0,4 Millimeter sind.

Um ein „Design for LAM“ zu erstellen folgten Kranz und seine Kollegen einer methodischen Herangehensweise, die sie in neun Schritte unterteilten, wobei die ersten fünf die Strukturfindungsphase darstellten, während die letzten zur Designphase zählten.

Bionik und Design

Auch das Thema Bionik wurde von Kranz aufgegriffen. So zielte man auf die Strukturoptimierung eines Bauteils, suchte in einem Bionik-Katalog die passende Vorlage der Natur, wendete die gewählten Strukturprinzipien, beispielsweise von Vogelknochen, an und abstrahierte diese technisch.

Im Ergebnis sieht Jannis Kranz vor allem den Mehrwert des Verfahrenes: „LAM ermöglicht neue Ansätze für die Bauteilkonstruktion.“ Zudem bringe die Verknüpfung von Strukturoptimierung, Bionik und LAM in einem Designprozess das Loslösen von konventionellen Ansätzen. Und dass der Ansatz Erfolg haben kann, zeige das für die zivile Luftfahrt konzipierte erste additive Metallbauteil, das Kranz und seine Kollegen unter anderem zusammen mit Airbus umgesetzt haben.

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