Leichtbau für die Massenproduktion

Forschung und industrielle Praxis müssen enger miteinander verknüpft werden.

Der Leichtbau im Automobilsektor boomt. Ein wichtiger Grund dafür liegt in den Verfahrenstechnologien. Sandwichbauweisen, komplex geformte Carbonbauteile und auch der Einsatz von Organoblechen gehören heute zum Stand der Technik – und das zunehmend in Großserien. Dennoch hat sich das grundsätzliche Spannungsfeld im Leichtbau nicht geändert: „Wir müssen auch in der Forschung die Themen Material- und Gewichtseinsparung mit den verfügbaren Prozesstechnologien und den Kosten zusammenführen“, betonte Andreas Büter, Geschäftsführer der Allianz Leichtbau der Fraunhofer-Gesellschaft, auf der diesjährigen Tagung des Verbundes in Halle (Saale) und Schkopau Ende vergangenen Jahres. Dort standen vor allem diese eng zusammenhängenden Aspekte im Vordergrund.

Gleichzeitig wurden die Fortschritte der letzten Jahre deutlich, sowohl was die Entwicklung neuer Verfahren als auch deren Überführung in die Serienproduktion betrifft. Waren noch vor wenigen Jahren komplexe Formen und Materialverbünde – etwa aus Carbon-Composites und Metall – eine Herausforderung für die Massenproduktion, so ermöglichen heute moderne Simulationsverfahren eine exakte Faserorientierung und damit eine optimale Ausnutzung der Potenziale. „Wir werden jetzt daran gehen, bionische Strukturen in den Leichtbaukomponenten als Mischbauweise zu überführen“, sagte Büter. Damit werde es möglich, die Materialien optimal an die Kraftflüsse der jeweiligen Bauteile anzupassen.

Je nach Bauteilkomplexität und Größe, den zulässigen Prozesstemperaturen und Werkzeuginnendrücken oder auch der erforderlichen Taktgeschwindigkeit können die Ingenieure heute bereits aus einem beachtlich breiten Spektrum an Herstellungsverfahren wählen. Mit dem Fließpressen, vor allem aber mit Spritzgießen steigen die möglichen Stückzahlen auch für komplexere Formen deutlich an. Bei Zykluszeiten von bis zu 30 s lassen sich Jahresstückzahlen von 500 000 Teilen erreichen. Die ersten Produzenten überführen entsprechende Fertigungsprozesse derzeit in ihre Produktion, wie Inga Fischer, Leiterin des Bereichs Werkstofftechnik beim Fahrzeugzulieferer Brose (Coburg) bestätigte. „Wir haben bei vielen Bauteilen ein enormes Einsparpotenzial an Gewicht und die Kunden fordern eine Leichtbaustrategie von uns“, sagte sie. Doch nicht allein die Verfügbarkeit einer Herstellungstechnologie reiche heute aus, um das auch umsetzen zu können: „Zugleich müssen zahlreiche Details der Funktionalität des neuen Bauteils, Dauerhaftigkeit, Komfort, Akustik, globale Verfügbarkeit, nationale gesetzliche Vorgaben und nicht zuletzt die Kosten betrachtet werden“, erklärte Fischer.

Ihr Unternehmen, unter anderem Spezialist für Sitze und Türmodule, habe in jüngster Zeit bei einzelnen Bauteilen enorm abspecken können, indem der gesamte Herstellungsprozess – früher entsprechend den Anforderungen für die Metallbearbeitung aufgebaut – neu aufgestellt wurde: So reduzierte Brose die Masse einer Sitzverstellungsführung durch den Einsatz einer völlig neuen konstruktiven Lösung mit Leichtbaumaterial von 520 g auf nur noch 50 g, eine elektrische Sitzhöhenverstellung von 1080 g auf 480 g.

Solche Projekte, die bis zu zwei Jahren Vorlaufzeit und erhebliche Investitionen erfordern, sind insbesondere dann umsetzbar, wenn neben den genannten Eigenschaften des neuen Bauteils auch die Prozesse vereinfacht werden. Inga Fischer nannte dafür beispielhaft die Herstellung einer Durchladeklappe, die bisher aus zwölf Einzelbauteilen in drei Schweißprozessen gefertigt wurde. Abgelöst wurde das Bauteil durch ein rund 40 % leichteres Bauteil, das mit einem einstufigen Spritzgussverfahren hergestellt wird. Und dies zu ähnlich hohen Kosten wie zuvor die Baugruppe aus Metall.

In diesem Jahr werde ein neues Türmodell folgen, bei dem ein Organoblech von 0,5 mm Stärke eingesetzt werden soll. Auch hier sei es möglich, mit nur einem Arbeitsschritt dem Propylen-Glasfaser-Komposit sogar die erforderlichen Verstärkungsrippen anzuspritzen. Das Verfahren, so die Werkstoffexpertin, sei absolut massentauglich und für eine Jahresproduktion von 3 Mio. Modulen ausgelegt.

Die Digitalisierung der Produktion ist bei jedem neuen Leichtbauprojekt Herausforderung und Chance zugleich. Peter Michel vom Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen in Halle (Saale) sieht hier einen besonderen Ansatzpunkt. Nach Ansicht des Hochschullehrers ist bereits mit der Verfahrensentwicklung eine direkte Verknüpfung von Daten aus der Simulation der Bauteileigenschaften mit den Mikrostrukturdaten sinnvoll. „Wir erzeugen also von vornherein eine große Menge von Daten, die nicht nur für die Erzeugung eines digitalen Zwillings des Produktes, sondern auch der Prozesse genutzt werden können“, sagte der Wissenschaftler. Dazu hat Fraunhofer eine Datenbasis unter der Bezeichnung „Material Data Space“ aufgebaut, die alle relevanten Informationen von Werkstoffen für die Werkstoffentwicklung, Herstellung und -verarbeitung enthält und für den gesamten Lebenszyklus ein digitales Abbild erzeugt.

Das strategische Ziel für Entwicklungen im Leichtbau sieht Andreas Büter genau auf dieser Linie: Auf der Basis von Lastdaten eines Bauteils müssten Form und Material der Struktur rechnerisch modelliert werden, um ein Optimum bei Gewicht und Kosten zu erreichen. Aus der Vielzahl möglicher Prozesstechnologien könne dann die optimale Variante für die Fertigung ausgewählt und angepasst werden.