Leichtbau-Gipfel 2019 Leichtbau in der Produktion: Verfahren und Werkzeuge

Mario Braun von Kamax Automotive, Jochen Rühl von Reichenbacher Hamuel und Joachim Gundlach von Grunewald, haben auf dem Leichtbau-Gipfel gezeigt, wie sich mit unterschiedlichen Verfahren und Materialien Gewicht und Kosten einsparen lassen.

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Mario Braun, Vice President Product Management bei Kamax Automotive, gab auf dem Leichtbau-Gipfel am 26. und 27. März in Würzburg einen kurzen Überblick über ultrahochfeste Verbindungselemente im Bereich des Fahrwerks. Dabei ging er besonders auf die sogenannte „KXtreme“-Schraube ein, die bei der Wasserstoffunempfindlichkeit mit einer konventionellen Schraube vergleichbar, aber bei gleicher Klemmkraft um 22 Prozent leichter ist. Dadurch ergeben sich laut Braun Leichtbau- und Kosteneinsparungspotenziale durch Downsizing oder eine reduzierte Anzahl der Schraubstellen. Um geeignete Bauteile zu ermitteln, hat Kamax gemeinsam mit dem Engineering-Dienstleister EDAG ein Screening durchgeführt.

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Leichtbau mittels 3-D-Simulation

Eines dieser zu optimierenden Bauteile war der Radträger: Hier haben die Ingenieure mittels 3-D-Simulation den Radträger komplett neu konzipiert und rund 400 Gramm Gewicht gespart. Zudem verringerte sich der Durchmesser der Schrauben, statt vier sind jetzt nur noch drei Schrauben notwendig. Wesentliche Vorteile seien eine vereinfachte Montage, ein verbesserter Kraftfluss im Radträger durch die Dreiecksform der Schraubenpunkte und ein geringeres Schraubengewicht um circa 59 Gramm.

Durch entsprechende Optimierung der umliegenden Komponenten ergaben sich neben den Einsparpotenzialen am Verbindungselement weitere Möglichkeiten leichter zu bauen. Die Kamax-Ingenieure haben in Zusammenarbeit mit EDAG den Bauraum jedes umliegenden Bauteils topologieoptimiert und anschließend mittels FE-Simulation validiert. Dadurch konnten die Unternehmen Braun zufolge bei einigen Verbindungselementen die Festigkeit erhöhen und das Gewicht reduzieren. Die Gewichtseinsparung allein der Schrauben lag bei 275 Gramm. Insgesamt haben die Ingenieure so die komplette Baugruppe um rund 675 Gramm leichter ausgelegt, die ungefederte Masse an der Vorderachse sank um rund 1.350 Gramm. Laut Braun nutzen einige OEMs den Radträger bereits.

Leichtbau-Gipfel 2019

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„Kein Maschinenbauer, sondern Systemspezialist“

Jochen Rühl von Reichenbacher Hamuel verdeutlichte als zweiter Redner die Bedeutung von Leichtbau als Enabler. Für Rühl „muss sich Leichtbau nicht neu erfinden, sondern weiterentwickeln“. Deshalb sieht er es als gutes Zeichen, dass die OEMs trotz der eingeschlagenen Sparkurse hohe Investitionen im Bereich Elektromobilität tätigen. Denn Leichtbau spielt gerade im Bereich der Elektromobilität eine große Rolle: Aus Aluminium gefertigte Batteriekasten sollen nicht nur die Batteriemodule fixieren, sondern diese auch kühlen und die Batterie vor Wasser schützen. Besonders wichtig ist zudem der Schutz der Batterie im Falle eines Verkehrsunfalls. Damit das Material seine Eigenschaften entfalten kann, ist Präzision in der Herstellung gefragt.

Für die Herstellung der Aluminium-Strangpressprofile nutzt Reichenbacher Hamuel beispielsweise gerade Fräser oder solche mit Rechts- oder Linksdrall. Der Düsenkörper ist dabei fest arretiert, mit einem gezielten Luftstrahl ausgestattet und benötigt kein Wasser, kann aber bei Bedarf mit einem Schmieranteil versehen werden. Auch ist die richtige Auswahl der Spindel sowie der Antriebe für eine präzise Produktion der Werkstücke entscheidend.

Ebenso wie die notwendige Maschinensteifigkeit: Hier sind laut Rühl verschiedene Kriterien wie die gewünschte Maschinendynamik, die Größe der Maschine, die Präzision oder Fräsgeschwindigkeit sowie das Material entscheidend. Für Rühl ist Reichenbacher Hamuel „kein Maschinenbauer im eigentlichen Sinne, sondern ein Systemspezialist, der die gesamte Prozesskette beherrscht“.

Leichtbau-Gipfel 2019: Impressionen

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Unterschiedliche Niederdruck-Sandguss-Verfahren

Als letzter Redner der Session Produktion I sprach Joachim Gundlach von der Firma Grunewald über dünnwandigen Aluminium-Strukturguss für Karosserie- und Fahrwerksteile. Dabei stellte er zwei unterschiedliche Druckverfahren sowie deren Prozesskette vor: Niederdruck Sandguss und additive Formfertigung Niederdruck Sandguss. Beide Verfahren eigenen sich dabei gleichermaßen für die Fertigung dünnwandiger Strukturgussteile für Karosserie, Fahrwerk und Halbleiterproduktion.

Beim Niederdruck Sandguss Verfahren-Modellbau benötigt das Unternehmen laut Gundlach rund zwölf Wochen bis das Erstmuster erstellt ist. „Das ist im Vergleich zu Serienverfahren relativ schnell, wobei sich damit auch Kleinserien mit einer Stückzahl mit bis zu 1.000 Einheiten pro Jahr fertigen lassen können“, so Gundlach. Hauptsächlich produziert Grunewald mit diesem Verfahren Prototypen und Vorserien. Wichtig bei der Herstellung der Bauteile sind neben dem handwerklichen Know-how des Konstrukteurs vor allem die Bauteillage, die Anschnitte, die Spaltertechnik und die Kühltechnik. Diese Parameter werden mittels nummerischer Gießsimulation ermittelt.

Diese Vorarbeit ist laut Gundlach entscheidend, bevor die Endrohteilkonstruktion eines Bautteils startet. Steht die Bauteillage fest, wird die Teilung bestimmt und das errechnete 3-D-Modell gefräst, anschließend werden händisch noch Radien und Übergänge angepasst und die Modelle zusammengesetzt. Gegossen wird im Niederdruckguss-Verfahren von unten nach oben. Ein wichtiger Vorteil ist es laut Joachim Gundlach, dass sich die Formfüllung und die Druckzeitkurve sehr gut steuern lassen.

Gussteil und Form frei gestalten

Bei der additiven Fertigung ist das Bauteil bereits nach 4 bis 6 Wochen fertig, weil unter anderem der Modellbau entfällt. Wesentliche Vorteile bei diesem Verfahren sind die freie Gestaltung von Gussteil und Form. Zudem sind laut Gundlach Hinterschnitte und hohl gebaute Strukturen möglich, dadurch entstehen für den Gießer gewisse Freiheitsgrade; und folglich neue Geometrien sowie Produkte. Für die Herstellung verwendet Grunewald eine „ExOne“-Maschine und Phenolharz (PepSet). Bei „PepSet“ handelt es sich um ein 3-Komponenten-System, bestehend aus einem Binder, einem Härter und einem flüssigen Katalysator. Die Aushärtung verläuft, ohne dass sich Abspaltungs- und Nebenprodukte wie Wasser oder Formaldehyd bilden.

Der chemische Stoff bietet eine gute Fließfähigkeit des Sandes bei der Formherstellung und ermöglicht eine hohe Formstabilität mit sauberen Radien und Ecken ohne Sandreste. Mit dem Verfahren lassen sich relativ große Bauteile wie Heckklappen und Längsträger herstellen, allerdings sei die Toleranz nicht so genau wie beim Druckguss.

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