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Leichtbau-Gipfel 2018

Leichtbau in der Simulation, Umform- und Verbindungstechnik

| Autor: Jens Scheiner

Die Prozessauswahl ist je nach Material nicht immer einfach. Martin Kibben von Thyssenkrupp, Mario Braun von Kamax Automotive und Hendrik Schafstall von Simufact haben auf dem Leichtbau-Gipfel gezeigt, welche Verfahren für das jeweilige Material geeignet sind.

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Martin Hillebrecht, Leiter des Competence Center Leichtbau, Werkstoffe und Technologien beim Entwicklungsdienstleister EDAG, führte durch die Session Produktion II.
Martin Hillebrecht, Leiter des Competence Center Leichtbau, Werkstoffe und Technologien beim Entwicklungsdienstleister EDAG, führte durch die Session Produktion II.
( Bild: Stefan Bausewein )

Auf dem diesjährigen »Automobil Industrie« Leichtbau-Gipfel referierte Martin Kibben, Entwicklungsingenieur bei Thyssenkrupp Steel, über das neue Smartform-Verfahren. Dieses stellt ein Umformverfahren dar, mit dem Festigkeiten größer als 600 Megapascal (MPa) verarbeitet werden können. Die Methode „erlaubt ein nahezu rückfederungsfreies Umformen höchstfester Stähle – unabhängig vom Chargen- und Werkzeugeinfluss bei gleichbleibender Bauteilqualität“, sagt Kibben.

Mit diesem Verfahren lassen sich laut Thyssenkrupp durchschnittlich bis zu 15 Prozent Material sparen – Basis sind Minimalformplatinen, die das Material effizienter nutzen. Außerdem lassen sich Blechdicken optimieren: Durch „Frontloading“ in der Prozessentwicklung, insbesondere durch abgesicherte Simulationen, reduziere sich der Einarbeitungsaufwand im Werkzeughochlauf. „Dadurch erfolgt der Serienanlauf wesentlich unproblematischer. Außerdem wird bereits eine Endform in der Platine eingesetzt, die der Form des Bauteils entspricht“, erklärte Martin Kibben.

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Der Smartform-Prozess

Das Smartform-Verfahren ist ein zweistufiger Prozess: Im ersten Schritt wird eine Vorform produziert. Ein möglichst einfacher Werkzeugaufbau liegt hier im Fokus. Bei der Erstellung der Form wird die Rückfederung nicht berücksichtigt, aber eine hohe Wiederholbarkeit der Querschnittabwicklung. Weiterhin ist ein robuster und effizienter Formgebungsprozess notwendig. In der Vorform verteilt befindet sich im gesamten Querschnitt eine Materialzugabe.

Diese Vorform wird anschließend in einem Kalibriergesenk positioniert und dort voll umschlossen. Fährt der Stempel dann herunter, wird die Materialzugabe über den Querschnitt verteilt gestaucht. Dadurch entsteht eine Druckspannungsüberlagerung und der gesamte Querschnitt wird noch einmal plastifiziert. Nach diesem Vorgang entspricht laut Thyssenkrupp die Bauteilgeometrie nahezu der Geometrie des Kalibrierwerkzeuges und es seien kaum noch Kompensationsmaßnahmen erforderlich.

Durch den reduzierten Hartbeschnitt am umgeformten Bauteil wird nach Ansicht des Unternehmens die Verarbeitung von höchstfesten Stählen wesentlich vereinfacht. „Mit Smartform wenden wir uns von der üblichen Zugspannungsüberlagerung ab – und kehren dies um in eine Druckspannungsüberlagerung unter Verwendung einer vorausgelegten Minimalformplatine“, sagt Martin Kibben.

Leichtbau in Verbindungselementen

Mario Braun, Vice President Product Management bei Kamax Automotive, sprach auf dem Leichtbau-Gipfel 2018 über den Einsatz von ultrahochfesten und geometrieoptimierten Verbindungen. Bei hochfesten Verbindungselementen spiele neben der Festigkeit auch ein niedriges Gewicht eine entscheidende Rolle. Da bei modernen Autos die Literleistung der Motoren über die vergangenen Jahre stetig angestiegen ist und nach Angaben von Braun auch künftig weiter steigen wird, kommen entwicklungstechnische Herausforderungen auf die Ingenieure zu. Gründe seien neben der steigenden Leistungsdichte auch eine Zunahme bei Zylinderdruck und Temperatur. Um den CO2-Ausstoß zu reduzieren sei es deshalb wichtig, Gewicht einzusparen und die innermotorische Reibung zu verringern.

Kamax führte deshalb eine Analyse mit dem Entwicklungsdienstleister FEV auf Basis von zwei Referenzmotoren durch: Hierbei wurden verschiedene Schrauben miteinander verglichen. Durch geringere Schraubendurchmesser lasse sich nicht nur Gewicht sowohl an der Schraube als auch bei der Motorenkomponente einsparen – sondern nach Angaben von Braun auch die Motorkühlung verbessern. Das wiederum reduziere den Leistungsbedarf der Kühlwasserpumpe.

Weiterhin sagte Mario Braun, dass ein verkleinerter Schwungradflansch die innermotorische Reibung reduzieren kann. Dies sorge für eine verbesserte Schmierung der Hauptlager und optimiere so die Tribologie.

Wasserstoffempfindlichkeitsindex für Schrauben

Anschließend erklärte Braun, wie sich am Fahrwerk Gewicht einsparen lässt. Hierzu musste ein Werkstoff entwickelt werden, der neben einer entsprechenden Festigkeit auch korrosionsbeständig ist. Dafür ermittelte das Unternehmen einen Wasserstoffempfindlichkeitswert für Schrauben, um einen Vergleichstest anstellen zu können. Das Ergebnis zeigte, dass man den Schraubendurchmesser in den meisten Fällen durchaus reduzieren kann. Die Effekte veranschaulichte Braun an einem typischen Mittelklasse-Chassis. Durch die optimierten Schrauben konnte man nicht nur das Gesamtgewicht der Chassisschrauben von 12,8 Kilogramm auf 10,4 Kilogramm drücken. Stattdessen kann laut Kamax auch das Chassisdesign optimiert werden, um zusätzlich Gewicht einzusparen. Hier sieht Braun noch weiteres Potenzial.

Simulative Auslegung von Fügestrategien

Als letzter Redner der Session sprach Hendrik Schafstall, Geschäftsführer der im Jahr 1995 gegründeten Firma Simufact, über die Simulation von Fügestellen und Fertigungsprozessen. Bei der Vielzahl von Fügeverfahren sind nach Angaben von Schafstall eine optimale Kombination verschiedener Fügeverfahren sinnvoll.

Zunächst muss bekannt sein, welchen Einfluss das Fügeverfahren auf die nachfolgenden Prozesse hat. Bei der Produktion und Nutzung eines Produkts ließen sich so Rohstoffe, Kosten und Energie einsparen.

Durch eine geeignete Fertigungsfolge und das entsprechende Verfahren können bestimmte lokale Eigenschaften gezielt im Bauteil oder System eingestellt werden. Daher ist die Wahl des geeigneten Füge- und Fertigungsverfahrens ein wichtiger Faktor. Die virtuellen Betrachtung des Fertigungsprozesses soll dabei helfen, ein geeignetes Fügeverfahren zu wählen und dessen Einfluss auf die lokalen Bauteileigenschaften bzw. auf das Systemverhalten zu ermitteln.

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Die Simulation der Fertigungsabfolge verfolge laut Schafstall das Ziel, die Effizienz in der Entwicklung zu steigern und reelle Versuche in den virtuellen Test zu verlagern. Das spart Zeit und Kosten; und die Entwickler sind unabhängig davon, ob Testmuster und Versuchseinrichtungen verfügbar sind. Durch die virtuelle Fertigung soll es außerdem möglich sein, eine eine Vielzahl von Varianten zu betrachten: Diese zusätzlichen Erkenntnisse lassen sich dann frühzeitig in die Entwicklungsphase einbringen.

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