Werkstoffe Neue Stähle und Fasern für die dritte E-Auto-Generation

Auf dem Leichtbau-Gipfel 2021 lag ein Schwerpunkt auf den Werkstoffen für künftige Fahrzeugarchitekturen. Neben den Materialien selbst werden Datenbanken immer wichtiger.

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Welche Rolle wird Stahl künftig bei Elektroautos einnehmen? Dieser Frage ging Tata Steel in einer Studie nach. Die Ergebnisse stellte Basjan Berkhout, Transition Manager bei Tata Steel Europe, auf dem »Automobil Industrie Leichtbau-Gipfel« vor. Berkhout zählt die aktuellen Modelle zur zweiten Generation von E-Fahrzeugen. Diese habe zwar einige Schwächen der ersten batteriebetriebenen Generation ausgemerzt, in zwei Punkten gebe es aber noch Nachteile gegenüber konventionellen Autos: der Sicherheit und dem Kaufpreis.

Die Fahrzeuge der zweiten Generation seien ein Best-in-Use-Ansatz. Dies werde sich mit der dritten Welle, so Berkhout, in einen Best-life-cycle-Ansatz wandeln. Im Fokus stünden dann Effizienz und Gesamtbetriebskosten. Welche Rolle Stahlprodukte dabei einnehmen, macht er an drei Beispielen fest:

• E-Motoren ohne Permanentmagnete: Die schwächere Leistung dieses Prinzips lasse sich zum Teil über Stahlbleche kompensieren, die für geringere magnetische Verluste sorgen. Kombiniert mit neuen Bauprinzipien könne man das Gewicht um 60 Prozent reduzieren und es werde bis zu 30 Prozent weniger Bauraum beansprucht.

• 800-Volt-Batteriesysteme: Hier kommen zylindrische Zellen zum Einsatz, die vor allem Stahl verwenden. Das erhöhe die Sicherheit, weil der Werkstoff gegenüber Aluminium einen höheren Schmelzpunkt hat.

• Verbesserte Crashstrukturen: Das Batteriesystem bestehe künftig nicht mehr aus Modulen, verbaut in einen Batteriekasten. Die Packs werden vielmehr direkt in die Karosserie integriert.

Stahlherstellung nachhaltiger machen

Welcher Fokus momentan auf der Stahlerzeugung liegt, zeigte auf dem diesjährigen Leichtbau-Gipfel unter anderem Thomas Behr von Mercedes-Benz in seinem Vortrag. Wie ein Stahlwerk das Thema Nachhaltigkeit konkret angeht, erklärte Alexander Redenius von der Salzgitter Mannesmann Forschung GmbH, einem Tochterunternehmen der Salzgitter AG. Im Projekt „Salcos“ (Salzgitter Low CO₂Steelmaking) entwickele man seit dem Jahr 2015 Konzepte, mit denen im Stahlwerk und in der Stahlverarbeitung die CO₂-Emissionen reduziert werden können.

Das langfristige Ziel sei, das Treibhausgas nahezu komplett zu vermeiden. „Heute ist das Stahlwerk in Salzgitter für 8 Millionen Tonnen CO₂ im Jahr verantwortlich“, sagte Redenius. Betrieben werden dort unter anderem drei Hochöfen, eine Kokerei und ein Kohlekraftwerk. Die Prozesskette soll in den kommenden Jahren schrittweise umgestellt werden: Zunächst von Kohle auf Erdgas und dann auf Wasserstoff.

Leichtbau-Gipfel 2021

Materialleichtbau – drei neue Ansätze für die Fertigung

Der erste Einsatz von Erdgas im Werk ist für 2025 geplant. Je nach Projektfortschritt und Verfügbarkeit könne der Wasserstoff-Anteil stufenlos erhöht werden. Am Ende sollen laut Redenius nach einer Studie von Agora Energiewende statt 1,7 Tonnen CO₂ je Tonne Rohstahl lediglich 50 Kilogramm CO₂ emittiert werden. Der Preis erhöhe sich durch die aufwändigeren Prozesse von heute 390 Euro pro Tonne Rohstahl auf dann 530 bis 630 Euro/Tonne.

Recycling von Faserverbund

Ein weiterer Ansatz, den Umwelteinfluss von Werkstoffen möglichst gering zu halten ist das Wiederverwenden bereits eingesetzter Werkstoffe. Mit diesem Thema befasst sich Frank Manis vom Fraunhofer-Institut für Gießerei-, Composite- und Verarbeitungstechnik (IGCV). In seinem Vortrag zeigte er die Forschungsergebnisse aus verschiedenen Projekten zum Einsatz von recycelten Carbonfasern in der Automobilindustrie.

Ein Ergebnis ist ein Vliesstoff mit wiederverwendeten Carbonfasern. Hierfür hat die Projektgruppe anhand eines U-Profils und eines Türmoduls Simulationen durchgeführt. Daraus sind unter anderem Materialkarten für die Werkstoffe entstanden. Laut Manis sind mittlerweile 220 Vliesstoffe und Klebebänder aus recycelten Carbonfasern dokumentiert. Die Datenbank soll ab 2022 über ein Lizenzmodell zugänglich gemacht werden. Entwickler können mit diesen Daten schneller in die Materialauswahl gehen und auch erste Prototypen entwerfen.

Datenbank für 500.000 Werkstoffe

Als Aussteller war unter anderem das Unternehmen Key to Metals auf dem Leichtbau-Gipfel vertreten. Bereits vor gut drei Jahre präsentierten die Schweizer ihre Materialdatenbank „Total Materia“. Auf der Homepage zum Produkt heißt es, „die weltweit umfangreichste Werkstoffdatenbank“. Das Werkzeug für Entwickler enthält laut Key to Metals über 20 Millionen Datensätze für über 450.000 metallische und nicht-metallische Werkstoffe.

Seit 2018 wurden einige Funktionen verändert und erweitert. Zudem wurde die Nutzeroberfläche neu gestaltet. Das System lasse sich nun in bestehende Datenbanken integrieren. Nutzer können somit über ein Tool auf eigene Daten und die von Total Materia zugreifen. Neu sind auch die Schnittstellen zu gängigen PLM-, ERP-, und CAE-Systemen.

Über die Datenbanken lassen sich nicht nur verschiedene Werkstoffe miteinander vergleichen, Spannungs-Dehnungs-Diagramme abrufen oder der CO₂-Fußabdruck eines Werkstoffs ermitteln, um nur drei Beispiele zu nennen. Entwickler und Einkäufer finden weltweit auch alternative Lieferanten mit ähnlichen Werkstoffen – etwa für den Fall, dass eine bestehende Produktlinie in eine andere Region verlagert wird.

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