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Warmumgeformter Stahl: Karriere im Leichtbau

Leichtbau ist im Fokus der Automobilhersteller – warmumgeformte Bauteile aus MBW® und tribond®-Werkstoffen von thyssenkrupp Steel können einen wichtigen Beitrag dazu leisten.
Leichtbau ist im Fokus der Automobilhersteller – warmumgeformte Bauteile aus MBW® und tribond®-Werkstoffen von thyssenkrupp Steel können einen wichtigen Beitrag dazu leisten. (Bild: thyssenkrupp Steel Europe)

Immer höhere Ansprüche an Komfort, Sicherheit und Qualität haben die Fahrzeuggewichte jahrzehntelang stetig steigen lassen. Seit etwa 15 Jahren steht jedoch Leichtbau auf der Agenda der Automobilhersteller ganz oben. Warmumgeformte Bauteile aus MBW® und tribond®-Werkstoffen von thyssenkrupp Steel leisten hierzu einen wichtigen Beitrag.

Leichtgewichte waren in der Automobilindustrie zwischen 1970 und dem Jahr 2000 kaum gefragt. Weil neue Autos vor allem größer, komfortabler und sicherer werden mussten, brachte beispielsweise jede Generation des VW Passat rund 200 Kilogramm mehr auf die Waage. Zwischen 1973 und 1997 erhöhte sich das Gewicht des Basisfahrzeugs von 885 auf 1.336 Kilogramm.

Erst mit der fünften Generation des Mittelklasse-Fahrzeugs – vorgestellt im Jahr 2005 – konnte dieser Trend gestoppt werden. Ursache dafür waren vor allem gesetzliche CO2-Auflagen zur Minderung der Treibhausgas-Emissionen. Für Autos mit Verbrennungsmotor ist weniger Gewicht ein wesentlicher Treiber, um Verbrauch und Emissionen zu reduzieren. Daher hat wirtschaftlicher Leichtbau seit etwa 15 Jahren eine hohe Priorität.

Das heißt aber nicht, dass andere Kriterien weniger wichtig werden. Heute geht es mehr denn je um die Verbindung von ehemals widersprüchlichen Anforderungen wie höherer Crashsicherheit und Steifigkeit einerseits – und der Forderung nach weniger Bauteilen bei geringeren Materialdicken und Gewichtsersparnis andererseits.

Hohe Festigkeit durch Gefügeumwandlung

Bei so komplexen Ansprüchen kommen High-Tech-Materialien wie die MBW®-Familie von thyssenkrupp Steel ins Spiel. Bei der Warmumformung erhitzt ein Rollenherdofen die Stahlplatinen zunächst auf Temperaturen von 880 bis 950 °C. Anschließend werden die Platinen in der Presse umgeformt und gleichzeitig im geschlossenen Werkzeug abgekühlt. Die schnelle Abkühlung bewirkt eine Gefügeumwandlung – Hauptursache für die besonders hohe Festigkeit.

Warmumgeformte Bauteile lassen sich dünnwandiger dimensionieren, was sich positiv auf das Gewicht der Karosserie auswirkt. Kombiniert man unterschiedliche Stahlsorten in einem Werkstoff, wie dies beim von thyssenkrupp für die Warmumformung entwickelten Werkstoffverbund tribond® der Fall ist, lassen sich Duktilität und Festigkeit in einem Bauteil verbinden und zusätzliche Gewichtseinsparungen realisieren.

Ein weiterer Vorteil der Warmumformung: Komplexe Bauteile wie eine B-Säule können je nach Zone verschiedene Festigkeiten aufweisen. Mit dieser, von thyssenkrupp patentierten, „Tailored Tempering Technologie“, ist so ein – konstruktiv erwünschter – unterschiedlicher Verformungswiderstand an verschiedenen Stellen möglich.

Vom Nebendarsteller zur Hauptrolle in der Karosserie

Um Platinen in Form zu bringen, werden sie in einem Ofen erhitzt. Rotglühend laufen sie in die Presse und werden dort im geschlossenen Werkzeug abgekühlt und zum Bauteil umgeformt.
Um Platinen in Form zu bringen, werden sie in einem Ofen erhitzt. Rotglühend laufen sie in die Presse und werden dort im geschlossenen Werkzeug abgekühlt und zum Bauteil umgeformt. (Bild: thyssenkrupp Steel Europe AG)

Ursprünglich war die Warmumformung für Bauteile entwickelt worden, die der Fahrzeugzelle eine höhere Crashsicherheit verleihen sollten. Erstmals kam sie 1984 im Seitenaufprallträger des Saab 9000 zum Einsatz. Aber die Vorteile moderner Ultra-High-Strength-Steels (UHSS) – insbesondere deren enorme Zugfestigkeit bei geringem Gewicht – prädestinierten sie auch für andere, komplexe Strukturbauteile wie B-Säulen, Längsträger, Stirnwand oder Bodentunnel. Schließlich ermöglicht die Warmumformung maximalen Deformationswiderstand bei hoher Geometriefreiheit. Folgerichtig stieg zwischen 2006 und 2015 die Verwendung hochfester Ultra-High-Strength-Steels in Fahrzeugen von durchschnittlich 36,7 kg auf 124 kg pro Fahrzeug.

Wirtschaftlichkeit als entscheidender Vorteil

Entscheidender Vorteil warmumgeformter Stähle ist neben der Crashperformance die Wirtschaftlichkeit. Eine Gewichtsreduzierung von einem Kilogramm durch hochfeste Stähle kostet im Vergleich zu Aluminium nur etwa 30 bis 40 Prozent – bei gleicher Performance. So wundert es nicht, dass die Fahrzeughersteller beim Karosserieleichtbau nicht mehr ausschließlich auf Aluminium setzen. Beispiel Audi: Bei der Premiere des ersten Audi A8 im Jahr 1994 war dessen Aluminium Space Frame noch ein offensiv kommuniziertes Merkmal. Die Rohkarosserie des neuen A8 (ab Baujahr 2017) besteht aber nur noch zu 58 Prozent aus Aluminium – und zu 40 Prozent aus Stahl. Vor allem in den crashrelevanten Bereichen des Ingolstädter Top-Modells kommen hochfeste Stähle zum Einsatz.

Wichtig bei der Warmumformung ist, dass der Stahlhersteller den Fertigungsprozess beim Kunden genau kennt und weiß, welche Anforderungen an ein bestimmtes Bauteil bestehen. Weil thyssenkrupp Steel dosierte und prozessoptimierte Innovationen sowie einen hohen Absicherungsgrad gewährleistet, profitieren die Kunden von maximaler Verlässlichkeit, kompetenter Beratung und enger Kooperation.

Experten schätzen, dass die Bedeutung hochfester, warmumgeformter Stähle noch zunehmen wird. Zum einen scheinen die Potenziale des Werkstoffs noch nicht erschöpft. So hat sich die Zugfestigkeit von Stählen in den letzten 20 Jahren fast verzehnfacht. Zum anderen stieg die Nachfrage ständig: von 2012 bis 2015 um jährlich zehn Prozent. Und tatsächlich ist es vor allem der Verwendung hochfester Stähle zu verdanken, dass beispielsweise beim aktuellen VW Golf der Trend zu immer mehr Gewicht nicht nur gestoppt, sondern sogar gedreht werden konnte. Die Einsparung von 23 Kilogramm des VW Golf 7 gegenüber seinem Vorgänger ist vor allem durch die Verwendung warmumgeformter Stähle von thyssenkrupp Steel erzielt worden.

In Zukunft noch wichtiger

Und auch in der automobilen Zukunft – mit steigender Bedeutung der Elektromobilität – spricht vieles für eine noch größere Bedeutung der Warmumformung. Experten von thyssenkrupp Steel schätzen, dass Elektroautos nahezu zur Hälfte aus warmumgeformten Teilen bestehen werden. Der Stahlhersteller ist Pionier des Verfahrens und verfügt über großes Know-how auf diesem Feld, einschließlich umfangreicher Service- und Beratungsangebote. Die Duisburger Experten sehen auch beim Batteriekasten große Potenziale für den Einsatz warmumgeformter Stähle. Dieser ist zentraler Bestandteil der Crashstruktur und bei gleicher Performance lassen sich etwa 50 Prozent der Herstellungskosten gegenüber eines vergleichbaren Aluminiumbauteils einsparen.

In 30 Jahren haben warmumgeformte Stähle aus einem Nischendasein heraus eine beachtliche Karriere in der Leichtgewichts-Klasse hingelegt. Und vieles deutet darauf hin, dass noch weitere Kapitel dieser Erfolgsgeschichte folgen werden.

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