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Leichtbau-Gipfel 2018

Leichtbaumaterialien in der Produktion

| Autor/ Redakteur: Hartmut Hammer / Sven Prawitz

Leichtbau-Materialien sind in der Produktion oft eine Herausforderung. Volkswagen, KVT Fastening und die Bergische Universität Wuppertal zeigten auf dem Leichtbau-Gipfel, wie mit modernen Entwurfs- und Fertigungsmethoden leichte Strukturen zu realisieren sind.

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Leichtbau spielt nicht nur bei der Rohkarosserie eine Rolle. Auch bei der Komponentenfertigung sind Gewichtsreduzierende Maßnahmen gefragt.
Leichtbau spielt nicht nur bei der Rohkarosserie eine Rolle. Auch bei der Komponentenfertigung sind Gewichtsreduzierende Maßnahmen gefragt.
( Bild: Stefan Bausewein )

Leichtbau kann sehr anschaulich sein, wenn man zum Beispiel Karosserien und andere Bauteile betrachtet. Dahinter steckt jedoch viel Arbeit beim Entwurf und bei der Fertigung. Auf dem Leichtbau-Gipfel der »Automobil Industrie« in Würzburg zeigten Unternehmen und Hochschulen, wie man mit modernen Entwurfs- und Fertigungsmethoden leichte Strukturen realisiert.

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Topologieoptimierung metallischer Strukturen

Aus der Lehre berichtete Prof.-Dr. Ing. Axel Schumacher von der Bergischen Universität Wuppertal. Der Lehrstuhlinhaber für Optimierung metallischer Strukturen erklärte den Zuhörern, auf was man bei der Topologieoptimierung metallischer Strukturen achten sollte und welche Fallstricke zu umgehen sind. Zunächst empfiehlt er, vor dem Start der Topologieoptimierung die gewünschten Zielfunktionen und alle Restriktionen zu definieren und sich über die Möglichkeiten und Grenzen der eingesetzten Optimierungsalgorithmen im Klaren zu sein. Ebenso sollte man die Aussagekraft der Simulationstools zur Bewertung der Zielstrukturen einschätzen können, denn für die unterschiedlichen Anwendungsfälle steht eine fast unüberschaubare Zahl von Optimierungswerkzeugen zur Verfügung. Eine weitere Grundvoraussetzung ist das Wissen über die gute Produzierbarkeit von Metallstrukturen, um zu vermeiden, dass eine eigentlich optimale Struktur wegen Fertigungsrestriktionen nochmals umkonstruiert werden muss.

Die eigentliche Topologieoptimierung erfolgt dann in mehr oder weniger langen Rechenprozessen, bei denen die Algorithmen aus allen Parametereingaben einen ersten Entwurf berechnen, der dann in mehreren Schleifen weiter optimiert wird. Als gutes Korrektiv empfiehlt Schumacher eine Änderung der Auszugsrichtung und den Vergleich der aus den verschiedenen Lastfällen jeweils resultierenden Topologien. Die Anwender müssten sich allerdings bewusst sein, dass die Topologieoptimierung einen hohen Aufwand erfordert, den sich bisher nur wenige Unternehmen leisten wollen oder können. Außerdem kann bisher niemand garantieren, dass die Algorithmen eine hundertprozentig optimale Struktur ermitteln. Allerdings zeichnen sich im Markt Algorithmen und Werkzeuge ab, die sehr gute Ergebnisse für Gesamtstrukturen oder Teilstrukturen bieten.

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Aluminium-Schweißen für den Leichtbau

Der Einsatz von Aluminium im Fahrzeug nimmt weiter zu. Insbesondere das Fügen ist weiterhin sehr anspruchsvoll, weshalb Markus Tuchtfeld von den Forschungen der Volkswagen AG in Sachen Widerstands-Punktschweißen berichtete. Dieses Verfahren wäre wie bei Stahl – auch für das Fügen von Aluminium eine kosteneffiziente und angepasste Technik, wenn es nicht Unregelmäßigkeiten bei der Schweißqualität und einen hohen Elektrodenverschleiß geben würde.

Um diese beiden Prozessnachteile auszumerzen, haben Tuchtfeld und sein Team die Prozessparameter Stromabfallzeit und Schweißzeit genauer unter die Lupe genommen, während die Korrelation von Elektrodenkraft und Verschleiß schon weitgehend bekannt ist. Je länger die Stromabfallzeit nach der eigentlichen Schweißzeit, desto homogenere Schweißlinsen ohne nennenswerte Imperfektionszonen entstehen. Allerdings steigt bei längerer Stromabfallzeit der Elektrodenverschleiß stark an. Eine Verdoppelung der Gesamt-Schweißzeit führt zu einer Verringerung der prozesssicheren Schweißpunkte um bis zu einem Drittel. Der Elektrodenkappenverschleiß erhöht die Häufigkeit von Imperfektionen im Schweißpunkt aber nur geringfügig. Als weitere Optimierungsmöglichkeit sieht Volkswagen die Erhöhung des Schweißstroms, um so eine gleichbleibende Energiemenge bei kürzerer Schweißzeit einzubringen.

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Blindnieten bei Leichtbauwerkstoffen

Falls Widerstands-Punktschweißen als Fügetechnik nicht die erste Wahl sein sollte, könnte es die Blindnietmutter Ecosyn-BCT der KVT Fastening GmbH sein. Matthias Dorner, Development Manager bei KVT, stellt die Eigenschaften des Blindnietens bei Leichtbauwerkstoffen vor: einseitige Montagetechnik, für unterschiedliche Grundmaterialien und Oberflächen geeignet. Die Mutter kann sowohl mit Handgeräten oder stationären Anlagen verarbeitet werden. KVT hat die Blindnietmutter weiterentwickelt und so die wirkende Kraft auf die Lochleibung praktisch eliminiert und die axiale Klemmkraft des Wulstes variabel gestaltet. Damit sind die Blindnietmuttern von KVT auch für „weichere“ Materialien wie Sandwiches, Waben oder Multimaterialmixe geeignet.

Dies wurde im Wesentlichen durch vier Querbohrungen im Schaft erreicht, die wie eine Sollbruchstelle wirken, an denen sich der Wulst ausbildet. Je nach Anwendung sind die Querbohrungen so in den Blindnietmuttern eingearbeitet, dass sich an der optimalen Stelle den Wulst ausbildet. Mit dieser Technik kann man Toleranzen der Lochbohrungen sehr gut ausgleichen, Schiefziehen oder Nachsetzen tritt nicht mehr auf. Auch neue Anwendungsfälle sind möglich, etwa für druckempfindliche Materialien wie Sandwiches, Keramik, Holz oder fasergestützte Verbundwerkstoffe. In den BMW-Modellen i3 und i8 ist KVT jeweils mit einigen Dutzend Blindnietverbindungen bei den CFK-Komponenten vertreten. Blindnietmuttern sind in verschiedenen Werkstoffen denkbar, je nach Einsatzzweck – etwa um Kontaktkorrosion zu vermeiden. Auch ein Langlochausgleich nach Ausrichten der einzelnen Bauteile ist möglich, ebenso wie der Einsatz in Rundrohren oder unregelmäßigen Geometrien.

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