Techforum d 12 2004

techforumThyssenKrupp

DezemberI

2004

IMPRESSUM

HERAUSGEBER

ThyssenKrupp AG, Zentralbereich Technik, August-Thyssen-Straße 1, 40211 Düsseldorf, Telefon 0211/8 24-3 62 91,

Telefax 0211/8 24-3 62 85

ERSCHEINUNGSWEISE

„ThyssenKrupp techforum“ erscheint ein- bis zweimal jährlich in deutscher und englischer Sprache. Nachdruck nur mit

Genehmigung des Herausgebers. Fotomechanische Vervielfältigung einzelner Aufsätze ist erlaubt. Der Versand des

„ThyssenKrupp techforum“ erfolgt über eine Adressdatei, die mit Hilfe der automatisierten Datenverarbeitung geführt wird.

ISSN 1612-2763

Titelbild

Außergewöhnliche Aufgaben erfordern außergewöhnliche Lösungen –

so könnte man die von ThyssenKrupp Fördertechnik angewandten

Prinzipien für die Konstruktion von Absetzern mit großen Ausleger-

längen kommentieren. Das Titelbild zeigt einen Blick auf den 207 m

langen Abwurfausleger des XPS

®-Cross Pit Spreaders in Fairfield/

Texas mit einer Förderleistung von 6.000 m

3

/h. Bei diesem Gerätetyp

kommt man nur durch konsequenten Leichtbau zu wirtschaftlichen

Gesamtlösungen. Wie das Bild veranschaulicht, resultiert aus diesem

Ansatz eine im Vergleich zu üblichen Tagebaugeräten ausgesprochen

filigrane Auslegerstruktur, die ihre Tragfähigkeit und Stabilität aus

dem Zusammenwirken von Rohrfachwerken und weiträumigen Seil-

abspannungen bezieht.

ThyssenKrupp techforum Dezember | 2004

Vorwort | 3

PROF. DR.-ING. DR. H.C. EKKEHARD D. SCHULZ Vorsitzender des Vorstands der ThyssenKrupp AG

Liebe Leserinnen, liebe Leser,

dem Thema Leichtbau kommt aufgrund wachsender ökonomischer und ökologischer Anforderungen sowie

sich verschärfender gesetzlicher Rahmenbedingungen für Produkte in ihrem gesamten Lebenszyklus eine

immer größere Bedeutung zu. ThyssenKrupp ist insbesondere aufgrund des Produkt- und Kundenspektrums

in den Bereichen Automobilindustrie sowie Maschinen- und Anlagenbau in großem Umfang von diesem

Trend betroffen und macht sich die inhärenten Chancen zunutze. Leichtbau beschränkt sich dabei aber nicht

auf die Verwendung geeigneter Werkstoffe; vielmehr müssen optimierte Be- und Verarbeitungsverfahren

genauso berücksichtigt werden wie angepasste Konstruktionsmaßnahmen und Fügetechniken.

Mit dieser Ausgabe möchten wir Ihnen einige Leichtbauaktivitäten im ThyssenKrupp Konzern vorstellen.

Aus dem Bereich des Automobilbaus berichten wir über ein modulares Türkonzept, das auf Basis hochfester

Stahlsorten sowie Tailored Blanks konzipiert wurde. Wir zeigen Ihnen eine neue Herstellungsmethode sowie

Anwendungspotenziale des Werkstoffes Magnesium und stellen weitere Leichtbauwerkstoffe vor, die bei

der Herstellung von Verbundlenkerachsen und Stoßdämpfern Verwendung finden. Hochbeanspruchte

Stabilisatoren und Lenkwellen auf Rohrbasis ermöglichen durch ihre Bauweise eine beachtliche Gewichts-

reduzierung. Für bestimmte hochwertige Automobilkomponenten, wie z.B. Bodenbleche und Radkästen,

bieten Konstruktionen in Stahl-Komposit-Verbundbauweise ein niedrigeres Gewicht, eine höhere Steifigkeit

und gelten obendrein als geräusch- und wärmedämmend. Verschiedene Karosseriebauweisen wie Schalen-,

Space-Frame- und Hybridbauweise können dazu dienen, die richtige Balance zwischen einem möglichst

geringen Gewicht und den zu erzielenden Eigenschaften der Bauteile zu finden. Weitere Beispiele für

Gewichtsoptimierungen sind die gebaute Nockenwelle sowie der zur Montage von Motoren verwendete

Adapter COMMONALITY. Leichtbaulösungen gewinnen auch im Aufzugsbau zunehmend an Bedeutung. Das

Werkstoffspektrum reicht dabei von neuartigen Hochleistungsstählen über Aluminium, Kunststoffen bis

hin zu ultraleichten glasfaserverstärkten Kunststoffen. Wir stellen Ihnen ein Verbundprojekt zur Entwicklung

eines Fahrkorbes unter Einsatz neuartiger textilverstärkter Kunststoffe in modularer Hybrid-Leichtbauweise

vor. Die Erreichung niedriger Gewichte bei mindestens gleich bleibender Qualität und Stabilität stellt auch

auf dem Gebiet der Fördertechnik, z.B. in der Umschlag- und Tagebautechnik, eine große Optimierungs-

aufgabe dar. Für den Leichtbau in Flugtriebwerken wird der Werkstoff Titanaluminid als Alternative zum Stahl

vorgestellt. Bei transparenten Dach- und Wandkonstruktionen für Gewerbehallen oder im Sport- und Freizeit-

anlagenbau bieten Polycarbonat-Platten eine interessante Alternative zu konventionellen Konstruktionen.

Wir sind sicher, unseren Kunden mit unserer Leichtbaukompetenz Lösungen anbieten zu können, die

die Gegensätze zwischen wirtschaftlichem Nutzen und ökologischer Vernunft verkleinern helfen.

Ich wünsche Ihnen viel Spaß und neue Erkenntnisse bei der Lektüre dieses Heftes.

4 | Inhalt

10 | Stahlleichtbau bei FahrzeugtürenDIPL.-ING. ERIK HILFRICH Division Auto – Projektleiter, Fahrzeugtechnik, Abt. Vertrieb/Engineering | ThyssenKrupp Stahl AG, Duisburg

DR.-ING. LOTHAR PATBERG Division Auto – Leiter Fahrzeugtechnik, Abt. Vertrieb/Engineering | ThyssenKrupp Stahl AG, Duisburg

Die Division Auto von ThyssenKrupp Stahl verfolgt mehrere Zielrichtungen, um den Automobilherstellern für Türen in

Pkw innovative Ideen und Produkte mit technischen und wirtschaftlichen Vorteilen anzubieten. Hochfeste außenhaut-

fähige Stahlsorten, Tailored Blanks und innovative Türkonzepte wie die „Modulare Tür” sind dabei die wesentlichen

Ansatzpunkte. ThyssenKrupp Stahl hat – teilweise mit Partnern im eigenen Konzern – die dort enthaltenen Potenziale

in verschiedenen Projekten aufgedeckt, analysiert und in Bauteile umgesetzt: Der Werkstoff Stahl bietet die optimale

Ausgangsbasis, um die Ansprüche an Steifigkeit, Crashverhalten und Akustik bei möglichst geringem Gewicht und

niedrigen Kosten durch innovative Lösungen zu erfüllen.

14 | Eine neue Herstellungsmethode und Anwendungspotenziale für MagnesiumblechDR.-ING. BERNHARD ENGL Geschäftsführer | MgF Magnesium Flachprodukte GmbH, Freiberg/Sachsen

Magnesium ist wegen seiner niedrigen Dichte und seines vergleichsweise hohen Anwendungspotenziales ein wichtiges

gewichtsreduzierendes Material. Seine Bedeutung auf dem Markt wird durch die Anwendung in Form von Blechen

steigen. Eine Herstellungsmethode, die einige wichtige wirtschaftliche und technische Vorteile im Vergleich zur konven-

tionellen Blechherstellung bietet, ist das Gießwalzverfahren. Dies wurde durch Versuche auf einer 700 mm breiten

Pilotanlage der MgF Magnesium Flachprodukte GmbH in Freiberg/Sachsen demonstriert. Die Eigenschaften des mit Hilfe

dieser Technologie hergestellten Materiales sind verglichen mit dem derzeitigen Stand der Technik positiv zu bewerten.

Die Entwicklung dieser interessanten neuen Technologie ist noch nicht abgeschlossen und verspricht weitere Potenziale.

10 |


14 | 22 |

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Inhalt I 5

22 | Leichtbauwerkstoffe und Fertigungstechnologien bei der Entwicklung von Pkw-AchskomponentenDIPL.-ING. KLAUS RUNTE FuE-Koordination | ThyssenKrupp Umformtechnik GmbH, Bielefeld-Brackwede

Verbundlenker-Hinterachsen sind bei der Pkw-Fahrwerkentwicklung der unteren Kompaktklassen auch in Zukunft

eine attraktive Lösung in Sachen Leistungsfähigkeit und Wirtschaftlichkeit. Aber auch Komponenten für modernere,

komfortabler ausgelegtere Mehrlenkerachsen fordern ein Höchstmaß an konstruktiver und fertigungstechnischer

Präzision. Die Anforderungen für die kommenden Achsgenerationen zeigen einen Trend zu niedrigeren Gewichten und

höheren Beanspruchungen bei gleichzeitiger Reduzierung des zur Verfügung stehenden Bauraumes. Zielgerichtete

Entwicklungen müssen neue Werkstoffe und Fertigungsmethoden mit einbeziehen, um die geforderte Leistungsfähig-

keit zu gewährleisten.

28 | Gewichtsreduzierung durch hochbeanspruchte RohrstabilisatorenDR. RER. NAT. LUTZ MANKE Leiter Vorentwicklung | ThyssenKrupp Federn, Hagen

DIPL.-ING. HANS DZIEMBALLA Leiter Forschung & Entwicklung | ThyssenKrupp Federn, Hagen

Stabilisatoren dienen in Kraftfahrzeugen u.a. dazu, die Seitenneigung bei Kurvenfahrten zu verringern. Gewichtsre-

duzierung ist eines der wichtigsten Ziele innerhalb der Fahrwerksentwicklung. Die Entwicklung von hochbeanspruchten

Rohrstabilisatoren führte zu einer Reduzierung des Bauteilgewichtes von 45 %. Zur Zielerreichung waren Technologien

wie das Aufkohlen, die Schutzgasvergütung und das Innenstrahlen produktbezogen weiterzuentwickeln.

34 | Leichtbau-Stoßdämpfer aus AluminiumDIPL.-ING. RALF KUSCHE Teamleiter Serienentwicklung | ThyssenKrupp Bilstein GmbH, Ennepetal

Die Automobilindustrie ist bestrebt, die ökonomischen und ökologischen Anforderungen zu verbessern, indem sie

z.B. den Kraftstoffverbrauch der Kraftfahrzeuge permanent verringert. Um dieses Ziel zu erreichen, werden vermehrt

Leichtbauwerkstoffe im Fahrzeugbau eingesetzt. Auch im Bereich des Stoßdämpfers werden die Anforderungen der

Automobilindustrie an den Zulieferer hinsichtlich Leichtbaukonzepten immer größer.

38 | Produkt- und Prozess-Engineering im Fokus des LeichtbausDIPL.-ING. ULRICH HOCHER Geschäftsführer | ThyssenKrupp Drauz, Heilbronn

DIPL.-ING. MICHAEL HAGE Leiter Entwicklung u. Konstruktion | ThyssenKrupp Drauz, Heilbronn

DIPL.-ING. (FH) THOMAS KELLER Projektplanung | ThyssenKrupp Drauz, Heilbronn

Bei modernen Karosseriestrukturen, die sich in Schalen-, Space-Frame- und Hybridbauweisen gliedern, stehen Design-

ansprüche sowie Gewichts- und Festigkeitsoptimierungen im Mittelpunkt der Entwicklung. Zur Erreichung dieser Ziele

werden u.a. innovative Werkstoffe und Halbzeuge eingesetzt. Dies setzt allerdings eine Weiterentwicklung der Füge-

verfahren Stanznieten, Laserschweißen und Kleben voraus. Um der Definition des Leichtbaus umfassend zu entsprechen,

muss der Entwickler sich hinsichtlich der Funktions-, Kosten- und Gewichtsanforderungen optimal positionieren.



6 | Inhalt

44 | Verbundplattenbauweise für Leichtbau-Fahrzeugkonstruktionen BRUCE N. GREVE (MENG) Manager, Product Technology | ThyssenKrupp Budd Technology and Innovation Center, Auburn Hills/USA

Die hohe Festigkeit von Stahl kann bestmöglich in einer Stahl-Komposit-Verbundkonfiguration genutzt werden. Gemessen

an der Steifigkeit pro Gewichtseinheit gehören Verbundplatten zu den rationellsten Konstruktionen. Mithilfe dünner

(0,3 mm) Stahlbleche und einem leichten Kernmaterial können Verbundplatten gefertigt werden, die über eine größere

Steifigkeit als Aluminium bei geringerem Gewicht verfügen. Für die Herstellung der Stahl-Verbundstrukturen wird ein

einmaliges Formverfahren beschrieben. Das herausragende Merkmal dieses Verfahrens ist die Fähigkeit, geformte

Platten mit variabler Dicke in einem Fertigungsschritt herzustellen. Stahl-Verbundplatten wirken geräuschdämmend

und wärmeisolierend. Dies bietet die Möglichkeit, die Anzahl von Teilen bei der Automobilmontage durch Verringerung

oder gänzliches Vermeiden von Wärmedämmplatten und Geräuschdämpfungsapplikationen zu senken.

50 | Leichtbauweise im Motorenbau am Beispiel der Nockenwelle DR. TECHN. PETER MEUSBURGER Entwicklungsleiter | ThyssenKrupp Presta AG, Eschen/Liechtenstein

ThyssenKrupp Presta fertigt seit 1993 gebaute Nockenwellen in Großserie und ist Weltmarktführer mit über 12 Mio

produzierten Einheiten im letzten Geschäftsjahr. Ein wichtiger Grund für diesen Erfolg ist neben der Wirtschaftlichkeit

die Gewichtsersparnis im Vergleich zu konventionellen Nockenwellen. Bei optimaler Gestaltung lassen sich Gewichts-

einsparungen von 30 % und mehr gegenüber gegossenen oder geschmiedeten Nockenwellen realisieren. Der zuneh-

mende Trend zur Leichtbauweise im Motorenbau hat wesentlich zur Marktdurchdringung der gebauten Nockenwelle

beigetragen.

44 | 50 | 56 |

60 | 64 |


Inhalt | 7

56 | Leichtbau im Bereich der Lenkwellen – Rohr-in-Rohr-LösungenDR. SC. TECHN. ETH. CHRISTOPH KLUKOWSKI Leiter Entwicklung Lenkungen | ThyssenKrupp Presta AG, Eschen/Liechtenstein

DIPL.-ING. ETH. RONY MEIER Stv. Leiter Entwicklung Lenkungen | ThyssenKrupp Presta AG, Eschen/Liechtenstein

DIPL.-ING. (FH) JOSEF BOERSMA Leiter Entwicklung Lenkwellen | ThyssenKrupp Presta AG, Eschen/Liechtenstein

DIPL.-ING. CARSTEN MANNECK Leiter Numerische Simulation | ThyssenKrupp Presta AG, Eschen/Liechtenstein

ThyssenKrupp Presta gehört zu den führenden Zulieferern im Bereich der Lenksäulen und Lenkwellen für die Auto-

mobilindustrie. Neue Einsatzgebiete wie die mechatronisch unterstützten Lenksysteme EPS (Electric Power Steering)

und AFS (Active Front Steering) sowie erhöhte Temperaturbedingungen im Motorraum bedingt durch höhere Leistungs-

dichten und verschärfte Abgasnormen führten zu deutlich höheren Anforderungen an die mechanischen und thermischen

Eigenschaften des Lenkstranges, die bei der neu entwickelten Generation Lenkwellen berücksichtigt werden mussten.

Um die Verringerung des Energieverbrauchs der Fahrzeuge weiter zu reduzieren, wurde das Gewicht einzelner Kompo-

nenten optimiert. Getrieben durch die neuesten Bedürfnisse des Marktes stellt die vorgestellte innovative Rohr-in-Rohr-

Lösung einen in sich einzigartigen Kundennutzen dar.

60 | Einsatz von textilverstärkten Kunststoffen in LeichtbaufahrkörbenDIPL.-ING. (FH) GERHARD THUMM Leiter Forschungszentrum | ThyssenKrupp Aufzüge GmbH, Stuttgart-Vaihingen

Leichtbaulösungen mit innovativen Werkstoffen gewinnen auch im Aufzugsbau zunehmend an Bedeutung. Hierbei

reicht das Werkstoffspektrum von neuartigen Hochleistungsstählen über Aluminium, Kunststoffe bis hin zu dem ultra-

leichten glasfaserverstärkten Kunststoff (GFK), der sich in der Luftfahrt und in der Automobilindustrie bereits bewährt

hat. Dabei müssen speziell bei den so genannten Treibscheibenaufzügen systemintegrative Lösungen gesucht werden

und die gesamte Wertschöpfungskette von Konstruktion, über Fertigung, Montage, Service bis hin zum Recycling

betrachtet werden. Für zukünftige neue Systeme mit selbstfahrenden Fahrkörben bieten die neuen Werkstoffe die Basis,

auf der die Entwicklungsteams diese nächsten Innovationsschritte aufbauen können.

64 | Gewichts- und kostenoptimierter Motoradapter für das COMMONALITY-AggregatemontagesystemDIPL.-ING. KARL-HEINZ GERTJEGERDES Leiter Entwicklung/Technologie | Johann A. Krause Maschinenfabrik GmbH, Bremen

DIPL.-ING. (FH) CHRISTIAN PUNDT Gruppenleiter Forschung & Entwicklung | Johann A. Krause Maschinenfabrik GmbH, Bremen

DIPL.-ING. (FH) MICHAEL SCHMIDT Ausführungsverantwortlicher Forschung & Entwicklung | Johann A. Krause Maschinenfabrik GmbH, Bremen

Johann A. Krause hat für einen namhaften Automobilhersteller das Motoren-Montagekonzept COMMONALITY entwickelt

und realisiert. Es ermöglicht die Montage unterschiedlicher Motoren auf weltweit flexibel einsetzbaren standardisierten

Montageanlagen. Das Bindeglied zwischen Aggregat, Werkstückträger und Montagemaschine bildet der Motoradapter,

der unterschiedliche Motortypen mit gleich bleibenden Betriebsmitteln transportiert, positioniert und Werkzeuge refe-

renziert. Zur Verbesserung des manuellen Handlings wurde das Gewicht des ursprünglichen Sphärogussadapters durch

den Einsatz von Finite-Elemente-Methode und Topologieoptimierung um 50 % reduziert. Damit wurde eine durchgängige

Prozesskette zur Entwicklung leichter, steifer, haltbarer und dennoch wirtschaftlich herstellbarer Produkte entwickelt.


8 | Inhalt

70 | Leichtbau im Schwermaschinenbau

DR.-ING. JÖRG HARTLEB Produktentwicklung/Marketing | ThyssenKrupp Fördertechnik GmbH, Essen

DIPL.-ING. CHRISTIAN PLISCHKE Produktverantwortlicher Kabelkrane | ThyssenKrupp Fördertechnik GmbH, Rohrbach

DR.-ING. FRANK SCHNEIDER Produktentwicklung/Marketing | ThyssenKrupp Fördertechnik GmbH, Essen

PETER WAGNER (BENG) Geschäftsführer | ThyssenKrupp Engineering (Australia) Pty. Ltd., Belmont/Australien

Die Erreichung niedriger Gewichte bei mindestens gleich bleibender Qualität und Stabilität stellt seit jeher eine

der größten Optimierungsaufgaben dar, dieses gilt auch im Gerätebau der Umschlag- und Tagebautechnik von

ThyssenKrupp Fördertechnik. Die Gewichtsreduzierung erfolgt durch Variation verschiedenster Parameter wie Werk-

stoff, Formgebung, Anzahl von Einzelkomponenten u.a. Diese Vielfalt wird im Beitrag anhand dreier charakteristischer

Produktbeispiele verdeutlicht. Darüber hinaus wird auch die technologische und ökonomische Balance, die zwischen

der Optimierung des einen Parameters und der gleichzeitigen Verschlechterung des anderen zu halten ist, aufgezeigt.

Die vorgestellten Leichtbauweisen liefern einen entscheidenden Beitrag zur Lösung dieses Konfliktes.

76 | Titanaluminid – eine neue Werkstoffklasse für den Leichtbau in Flugtriebwerken und HochleistungsmotorenDIPL.-ING. PETER JANSCHEK Leiter Technologie-Entwicklung | ThyssenKrupp Turbinenkomponenten GmbH, Remscheid

Mit der intermetallischen Verbindung Titanaluminid steht ein neuer Werkstoff zur Verfügung, der die Warmfestigkeits-

eigenschaften von Nickel- und Stahllegierungen bei nur halber Dichte dieser Werkstoffe aufweist. Diese außerordentlichen

Eigenschaften machen ihn zu einem interessanten Werkstoff für den Leichtbau in Flugtriebwerken und Verbrennungs-

motoren. Die hohe Warmfestigkeit stellt jedoch eine Herausforderung bei der Formgebung dar. ThyssenKrupp Turbinen-

komponenten in Remscheid hat ein Verfahren entwickelt, das die Herstellung von Verdichterlaufschaufeln und Motor-

ventilen mittels Isothermschmieden bei hoher Temperatur mit niedriger Umformgeschwindigkeit ermöglicht.

70 | 76 |

80 |


Inhalt | 9

80 | Transparente Sicherheit: Dach-, Wand- und Maschinenschutzverglasungen aus Polycarbonat

PETER DIEKMANN Öffentlichkeitsarbeit | ThyssenKrupp Services AG, Düsseldorf

MICHAEL HORLÄNDER Produktmanagement Kunststoffe | ThyssenKrupp Schulte GmbH, Düsseldorf

Bei transparenten Dach- und Wandkonstruktionen verlangen die steigenden gestalterischen Anforderungen von Archi-

tekten sowie der wachsende Kostendruck bei den Verarbeitern nach innovativen Lösungen, die den baurechtlichen

Vorschriften entsprechen, der Witterung dauerhaft trotzen, optischen Kriterien Stand halten und sich leicht und schnell

verarbeiten lassen. Polycarbonat-Platten von ThyssenKrupp Schulte und ThyssenRöhm Kunststoffe bieten hier eine

interessante Alternative. Die Architekten im Hochbau und die Konstrukteure im Maschinenbau schätzen die unschlag-

baren Vorteile von Polycarbonat gleichermaßen. Entscheidende Vorteile sind das gegenüber Glas ca. 50 % geringere

Gewicht bei 250-fach höherer Schlagzähigkeit, die hohe Transparenz und die brillante Optik.


10 |

Stahlleichtbau bei Fahrzeugtüren

DIPL.-ING. ERIK HILFRICH Division Auto – Projektleiter, Fahrzeugtechnik, Abt. Vertrieb/Engineering | ThyssenKrupp Stahl AG, Duisburg

DR.-ING. LOTHAR PATBERG Division Auto – Leiter Fahrzeugtechnik, Abt. Vertrieb/Engineering | ThyssenKrupp Stahl AG, Duisburg

|Verwendung von hochfesten, außenhautfähigen Stahlsorten und Tailored Blanks für innovative Türkonzepte


Einleitung

Die Entwicklung von Türen in Pkw befindet sich in einem kontinuier-

lichen Spannungsfeld aus Gewichtsreduzierung, Sicherheit und Kosten.

Die Mitarbeiter der Division ThyssenKrupp Stahl verfolgen mehrere

Zielrichtungen, um den Kunden in der Automobilindustrie innovative

Ideen und Produkte mit technischen und wirtschaftlichen Vorteilen

anzubieten. Wesentliche Ansatzpunkte sind in diesem Zusammenhang

hochfeste außenhautfähige Stahlsorten, Tailored Blanks und innovative

Türkonzepte. Teilweise mit Partnern innerhalb des ThyssenKrupp

Konzerns hat das Unternehmen ThyssenKrupp Stahl die auf diesem

Gebiet vorhandenen Potenziale in verschiedenen Projekten heraus-

gearbeitet, analysiert und in Bauteile umgesetzt.

Hochfester Stahl in Außenhautqualität

Die Herausforderung bei der Entwicklung von Türen ist, die Ansprüche

an Steifigkeit, Crashverhalten und Akustik bei möglichst geringem

Gewicht und niedrigen Kosten umzusetzen. Unter dem Gesichtspunkt

der Wirtschaftlichkeit bietet der Werkstoff Stahl die optimale Ausgangs-

basis, um dieses Ziel mit innovativen Lösungen zu erreichen.

So hat ThyssenKrupp Stahl einen Dualphasen-Stahl entwickelt,

der eine hohe Festigkeit ausweist, außenhautfähig ist und mit allen

gängigen Oberflächenbeschichtungen versehen werden kann. Die hohe

Festigkeit erschließt Potenziale, die es ermöglichen, die Blechdicken

zu reduzieren und auf diese Weise Gewicht und Kosten einzusparen.

Das Entscheidende bei der Realisierung dünner Außenhautteile ist,

den durch die Blechdickenreduzierung verursachten Beulsteifigkeits-

verlust durch intelligente Konstruktionen zu kompensieren. Dies

kann durch eine verbesserte Abstützung des Bleches mittels einer

Innenstruktur oder durch partielle Verstärkung, z.B. mittels Polymer-

schäumen, erreicht werden. Zur umformtechnischen Absicherung

wurden an mehreren Teilen Ziehversuche erfolgreich durchgeführt.

Tailored Blanks in Türen

Die Reduktion und Integration von Bauteilen ist ein weiterer Ansatz

für wirtschaftlichen Leichtbau. Hier bieten sich Tailored Blanks oder so

genannte Patchwork-Blanks an – Blechplatinen, die aus unterschied-

lichen Dicken oder Werkstoffsorten zusammengesetzt sind, wodurch

ein Bauteil besonders belastungsgerecht ausgelegt werden kann. Zu-

sätzliche Verstärkungsbleche können somit entfallen. Patchwork-Blanks

sind häufig vorteilhaft, wenn die zu verstärkenden Bereiche klein

sind, nicht am Rand der Platine liegen oder mehrere Bereiche verstärkt

werden sollen. Das Produktspektrum an Tailored Blanks wird kontinu-

ierlich weiterentwickelt, sodass immer wieder neue Bauteilkonzepte

möglich werden, die eine noch höhere Integration aufweisen. Anwen-

dungen mit Tailored Blanks sind bereits heute in der Serienproduktion

weit verbreitet | Bild 1 |.

Die „Modulare Tür”

Modulare Türkonzepte werden schon seit einiger Zeit im Zusammen-

hang mit Innenverkleidungen und Aggregateträgern verfolgt. In Zusam-

menarbeit mit Nothelfer hat die Division Auto von ThyssenKrupp Stahl

eine völlig neue Lösung entwickelt, die dank ihrer Modularität in der

Rohbaustruktur eine höhere Effektivität hinsichtlich Wirtschaftlichkeit

und Steifigkeitsperformance verspricht. In einem beispielhaften Projekt

wurde die komplette Prozesskette von der Konzeption, Konstruktion,

Strukturberechnung, Fertigungsuntersuchung, Kostenanalyse bis zur

Herstellung von Prototypen | Bild 2 | abgebildet. Die Fondtür eines

Serienfahrzeuges diente hinsichtlich Steifigkeit und Bauraum als Refe-

Stahlleichtbau bei Fahrzeugtüren | 11

Bild 1 |BMW 5er mit Türinnenblech als Tailored Blank

renz. Die Tür ist anhand typischer Lastfälle ausgelegt: Türabsenkung,

Fensterrahmensteifigkeit, Torsion, Eigenmoden- und Beulsteifigkeit.

Zusätzlich wurden Ideen bezüglich innovativer Werkstoffe, Fertigungs-,

Montage- und Türdichtungskonzepte aufgegriffen. Die wesentliche

und neue Idee dieses Türdichtungskonzeptes ist die Aufteilung der

Tür in zwei Module | Bild 3 |. Jedes der zwei Module besteht aus ledig-

lich zwei Einzelteilen: Das Außenmodul ist aus dem Außenblech und

dem Verbindungsteil zusammengesetzt. Das Verbindungsteil integriert

eine Scharnierverstärkung, eine Brüstungsverstärkung und den Seiten-

aufprallträger in einem einzigen hochfesten Blechteil. Diese außer-

gewöhnliche Anforderung erfordert einen höchstfesten Werkstoff, der

gleichzeitig gut umformbar ist: Zum Einsatz kommt ein Tailored Blank

aus einem Restaustenit-Stahl RA-K

®

40/70 (TRIP) in 1,0 mm Dicke

und einem Mikrolegierten Stahl MHZ 260 in 1,6 mm Dicke. Für das

Außenblech wird der Dualphasen-Stahl DP-K

®

30/50 in 0,48 mm Dicke

verwendet. Durch zusätzliche Abstützstreben mit dem Verbindungsteil

werden die freien Blechfelder verkleinert und die notwendige Beul-

steifigkeit des Außenbleches sichergestellt.

Innenblech und Schließteil bilden das Innenmodul. Es beinhaltet

den Fensterrahmen und nimmt alle Montageteile, wie Fensterheber,

Schloss etc., auf. Eine Besonderheit ist die Aufnahme der Türdichtung

in einem Kanal, wodurch das Verkleben entfällt. Weitere Vorteile dieser

speziellen Dichtungsmontage sind die Möglichkeit zur Verwendung

Schmutz abweisender Lacke sowie Kostenreduzierung.

Da die Module in der Ebene der Scheibenführung getrennt sind,

vereinfacht sich die Gestaltung der Bauteile erheblich, da diese nicht

um die Scheibe herum geführt werden müssen. Aufgrund der verän-

derten Montage der Türeinbauteile kann das Lochbild des Innenbleches

belastungsgerecht gestaltet werden, was teilweise deutliche Perform-

ance-Steigerungen ermöglicht. Die Blechteile des Innenmodules

werden als fertigungstechnisches Highlight durch Lasersteppnähte

verschweißt. Dies verspricht höhere Steifigkeiten als beim konventi-

onellen Widerstandspunktschweißen. Für eine optimale Qualität der

Laserschweißnaht müssen Maßnahmen zur Zinkentgasung getroffen

werden, zum Beispiel durch Entgasungssicken. Alternativ kann statt

konventionell verzinktem Blech ein Feinblech mit einer dünnen Zink-

Magnesium-Beschichtung ZE-Mg (s.a. ThyssenKrupp techforum,

Ausgabe Dezember 2003) zum Einsatz kommen. Diese neuartige

Beschichtung, die vom DOC

®

Dortmunder OberflächenCentrum von

ThyssenKrupp Stahl entwickelt wird, ermöglicht aufgrund der gerin-

geren Schichtdicke eine wesentlich höhere Schweißnahtqualität bei

vergleichbarem Korrosionsschutz | Bild 4 |.

Der modulare Ansatz ermöglicht außerdem das Aufteilen von Tür-

fertigung und Türmontage. Das Außenmodul wird im Rohbau an die

Karosserie montiert, eingestellt und zusammen mit der Karosserie

lackiert. Zu Beginn der Fahrzeugmontage wird es wie üblich demon-

tiert. Das Innenmodul kann von einem Zulieferanten gefertigt werden,

der es mit allen Türeinbauteilen vormontiert und just-in-time anliefert.

Es ist in einer neutralen Farbe lackiert, sodass keine Farbabweichun-

gen entstehen. In einer Montagezelle werden beide Module von einer

automatischen Anlage verschraubt. Durch die anschließend montierte

Türdichtung werden die Schrauben verdeckt. | Bild 5 | vergleicht den


12 | Stahlleichtbau bei Fahrzeugtüren

Bild 2 |Die „Modulare Tür” als Prototyp

ZE 75/75 ZE-Mg 35/35

Bild 3 |Innen- und Außenmodul der „Modularen Tür” Bild 4 |

Verbesserte Schweißnahtqualität

durch den Einsatz von ZE-Mg

Fazit

Mit modernen Stahlwerkstoffen lassen sich vielfältige Potenziale im

Bereich der Türen und Klappen erschließen. Für den Einsatz extrem

dünner, hochfester Stahlbleche existieren mehrere erfolgreiche Studien

von ThyssenKrupp Stahl, die das Leichtbaupotenzial und die prinzi-

pielle Machbarkeit aufzeigen. Tailored Blanks beweisen ihre Vorzüge

bereits in vielen Serienfahrzeugen. Mit innovativen Konzepten wie der

„Modularen Tür” können neben Gewichts- und Kosteneinsparungen

beispielsweise durch eine deutlich vereinfachte Montage weitere Vor-

teile über die gesamte Prozesskette erschlossen werden.



Modulare Tür

Konventionelle Tür

Bild 6 |Umformsimulation des Verbindungsteiles der „Modularen Tür”

Bild 5 |Montageprozess der „Modularen Tür“ im Vergleich zu einer konventionellen Tür

Bestückung

Innenmodul

(auf Wunsch

durch Zulieferer)

Außenmodul

Innenmodul

Applizieren

Türdichtung

Automatisierter

Zusammenbau

+

Karosserie

Rohbau

Montage und Ein-

stellen Außenmodul

Karosserie

Lackierung

Demontage durch

Scharniertrennung

Montage

Interieur

Montage der

kompletten Tür

Türrohbau

Außenblech

Innenblech

Verstärkungen

Applizieren

Türdichtung

Bestückung

mit Einbauteilen

Karosserie

Rohbau

Montage

und Einstellen

Karosserie

Lackierung

Demontage durch

Scharniertrennung

Montage

Interieur

Montage der

kompletten Tür

RissgefahrUmformbeanspruchung Faltenbildungoptimal

Montageprozess einer „Modularen Tür“ mit dem einer konventionellen

Tür. Im Zusammenhang mit den fertigungstechnischen Untersuchungen

wurden Umformsimulationen durchgeführt und die Machbarkeit der

Einzelteile nachgewiesen | Bild 6 |.

Die „Modulare Tür“ von ThyssenKrupp Stahl und Nothelfer ist ein

völlig neues Konzept mit vielen Vorteilen. So wurden vor allem durch

Teile-Integration und Verwendung dünner, hochfester Stahlwerkstoffe

bei gleichen Steifigkeitseigenschaften das Türgewicht um 1,2 kg und

gleichzeitig die Herstellungs- und Montagekosten um 8,51 Euro pro

Tür reduziert.

14 |

|Im September 2002 in Betrieb genommene Pilotanlage von MgF Magnesium Flachprodukte


Eine neue Herstellungsmethode und

Anwendungspotenziale für Magnesiumblech

DR.-ING. BERNHARD ENGL Geschäftsführer | MgF Magnesium Flachprodukte GmbH, Freiberg/Sachsen

Einführung

Bei der Gewichtsreduzierung durch Anwendung moderner, ganzheit-

licher Konzepte spielt neben der Weiterentwicklung der Rohbautech-

nologien, Konstruktions- und Herstellungstechnologien die richtige

Wahl des Werkstoffes eine bedeutende Rolle.

Bei den wichtigsten im Automobilbau miteinander konkurrieren-

den Materialien sind höherfeste Stähle, Kunststoffe, Aluminium und

Magnesium zu nennen. Magnesium erfährt als Leichtbaumaterial in

den letzten Jahren eine Art Wiedergeburt, da sich Leichtbaukonzepte

ausgezeichnet mit Magnesium realisieren lassen. Allein für Magnesium-

guss werden jährliche Wachstumsraten von ungefähr 15 % für die

nächsten 10 Jahre erwartet. Aber auch Magnesiumblech hat in jüng-

ster Zeit großes Interesse hervorgerufen.

Magnesium ist das leichteste metallische Konstruktionsmaterial.

Es erweitert mittlerweile die Werkstoffkompetenzen der ThyssenKrupp

Stahl AG. Magnesium von ThyssenKrupp soll die Möglichkeiten von

Stahl beim Leichtgewichtsbau ergänzen, indem es Forderungen erfüllt,

die von Stahl nicht mehr geleistet werden können.

Komponenten aus Magnesium sind im | Bild 1 | gezeigt, wo sie

entsprechend ihrem Leichtgewichtsnutzen und ihren Kosten gegen-

übergestellt sind. Aus Kostengründen ist eine Positionierung mög-

lichst weit links im Diagramm angestrebt. Die höchste Effizienz ist

durch eine möglichst hohe Positionierung erreicht, und in dieser Hin-

sicht schneidet Magnesiumblech sehr gut ab. Magnesiumblech weiter

auf die kostenattraktive Seite zu bringen, erfordert künftig besondere

Anstrengungen.

Entwicklung eines Gießwalzkonzeptes für betriebliche

Anwendungen

Im Jahre 2001 gründete ThyssenKrupp Stahl die MgF Magnesium

Flachprodukte GmbH mit Sitz in Freiberg/Sachsen mit dem Ziel, die

Anwendung von Magnesium technologisch und wirtschaftlich zu opti-

mieren. MgF arbeitet intensiv mit der Technischen Universität Berg-

akademie Freiberg auf dem Gebiet der Magnesiumtechnologie zusam-

men. Das Entwicklungsvorhaben wird vom Freistaat Sachsen über

die Sächsische Aufbaubank unterstützt.

Einer der Hauptschwerpunkte der Aktivitäten von MgF ist die Ent-

wicklung der Gießwalztechnologie für Magnesiumband und -blech,

| Bild 2 |. Die metallurgischen Vorteile des endabmessungsnahen

Gießens sind:

rasche Erstarrung,

reduzierte Seigerungen,

In-Line-Bandbehandlung und

kurzes Anlagenlayout.

Eine neue Herstellungsmethode und Anwendungspotenziale für Magnesiumblech | 15

Bild 1 |Kosten und Nutzen der Leichtbauweise


Kostenvorteile Zusätzliche Kosten

Lenkrad Mg-RäderSitz, MPV (Multi-Purpose-Vehicle)

Einlasskrümmer

Armaturenbrettträger

Mg-Blech-Motorenhauben

Getriebegehäuse

Sitze Nischenfahrzeug Serienfahrzeug

Türinnenbereich

Ellipsen-Größe = Höhe der Gewichtseinsparung direkter Kundennutzen indirekter Kundennutzen

Gleichmäßige Gangschaltung

Quelle: S. Schumann, H. Friedrich auf der 60th World Magnesium Conf., May 2003, Stuttgart

Nut

zen

der

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uwei

se

16 | Eine neue Herstellungsmethode und Anwendungspotenziale für Magnesiumblech

Vertikales Gießen bietet sich als die naheliegendste Methode für die

Herstellung von Bändern an. Leichtmetalle wie Aluminium und Magne-

sium ziehen jedoch aus folgenden Gründen Vorteile aus der horizon-

talen Gießtechnik:

Schmelzesumpf und Wärmehaushalt sind horizontal leichter zu

kontrollieren.

Das Gleichgewicht zwischen dem Ausfließen der Schmelze aus der

Düse und der Walzkraftbeschränkung ist besser zu halten.

Seitenabdichtung und Breitenvariation sind einfacher zu gestalten.

Die Bandumlenkung ist leichter zu bewerkstelligen.

Das Ziel ist, diesen neuen Herstellungsprozess von Magnesiumflach-

produkten für industrielle Anwendungen bei wettbewerbsfähigen Preisen

zu nutzen. Das erreichbare Kostenpotenzial leitet sich im Wesentlichen

von dem kostengünstigeren Einsatz von Rohmaterial in Form von

Masseln anstelle von Stranggussmaterial, von der endabmessungs-

nahen Fertigungsmethode und der damit verbundenen Einsparung

von Fertigungsschritten sowie von der Verbesserung des Ausbringens

im Vergleich zum konventionellen Gießverfahren ab | Bild 3 |. Zusätz-

liche wirtschaftliche und qualitative Vorzüge resultieren aus der Her-

stellung von Bändern bzw. Coils anstelle der Einzeltafelfertigung.

Zu Vergleichszwecken wurden Stichpläne auf der Basis von nume-

rischen Simulationsberechnungen mit dem System MagRollSi realisiert,

welches gemeinsam mit dem Institut für Metallformung der Technischen

Universität Bergakademie Freiberg entwickelt wurde. Mit Hilfe von

namhaften Firmen hat MgF eine Pilotgießwalzanlage entwickelt und

innerhalb des Kompetenzzentrums für Gießen und Metallformung der

Technischen Universität Freiberg gebaut | Bilder 4 und 5 |. Die für das

Schmelzen und Gießwalzen erforderlichen Anlagenteile sind im

| Bild 5 | veranschaulicht. Auf dem rechten Teilbild wird der Tundish

(Gießrinne) mit der Gießdüse, dem so genannten Tip, gezeigt. Diese

neue Linie ging im September 2002 in Betrieb. Bänder mit Breiten bis

zu 700 mm und Dicken von 4,5 bis 7 mm wurden auf dieser Linie

produziert. Einzelne Gießversuche wurden gezielt bis zu einer Dauer

von sechs Stunden ausgedehnt, um das Langzeitbetriebsverhalten

zu testen. Das Resultat waren Produktionsgewichte über 4 t aus einem

Guss. Die Oberfläche und auch die übrigen Eigenschaften waren

bereits von so guter Qualität, dass es möglich wurde, das Material auf

Dicken kleiner als 1 mm zu walzen. Spezielle Walzversuche in betrieb-

lichen Walzwerken ermöglichten die Herstellung von Blechen in Breiten

bis zu 2.000 mm und einer minimalen Dicke von 0,55 mm. Inzwischen

wurde auch eine Haspelanlage an die Pilotlinie angebaut. Dort werden

Coils zur weiteren Verarbeitung zu Fertigbändern und -blechen ge-

wickelt | Bild 6 |.

Werkstoffeigenschaften

Magnesium zeichnet sich besonders durch seine vergleichsweise

niedrige Dichte aus, die ca. 25 % der Dichte von Stahl und ca. 60 %

der Dichte von Aluminium entspricht. Diese Eigenschaft bringt beach-

tenswerte Leichtbaumöglichkeiten mit sich.

Die mechanischen Eigenschaften ordnen sich gut in das Streuband

nach dem Stand der Technik ein. Im Vergleich zur konventionellen

Herstellung ist die Mikrostruktur von einer geringeren Korngröße


Bild 2 |Endabmessungsnahes Gießen



Bild 3 |Vergleich zwischen konventionellem und nach der neuen Methode gefertigtem Magnesiumblech

Konventionelles Walzen Neue Technologie

Anfangsdicke min. 120 mm

Enddicke 2 mm

Brammen

Homogenisierung

Erwärmung

Walzen

Bleche Bleche

ersetzt durch Gießwalzen

Masseln

Schmelzen Gießwalzen Treiber Schere Blech-Tisch

Bild 4 |Prinzip der Gießwalz-Pilotanlage, Produkt: Bleche



Bild 5 |Eingangsteil der Pilotanlage, rechts: Gießrinne mit Gießdüse

gekennzeichnet. Weitere Verbesserungen ergeben sich, wenn die

chemische Analyse in Verbindung mit den Prozessparametern optimiert

wird. Die besonderen Gegebenheiten durch die rasche Abkühlung im

Rollenspalt in Verbindung mit der Verformung im Gießwalzwerk machen

es möglich, einen günstigen Einfluss auf die Gefügeentwicklung zu

nehmen. Die Probenrichtung hat nur einen geringen Einfluss auf die

Eigenschaften der fertig gewalzten Bleche. In Zugversuchen, die an

gießgewalzten Blechen durchgeführt wurden, erfolgt eine Verfestigung

bis zu rund 20 %, wenn die Dehnrate gesteigert wird | Bild 7 |. Diese

Eigenschaft kann in crash-relevanten Komponenten genutzt werden.

Leichtbaupotenzial von Magnesium

Magnesium bietet Gewichtseinsparpotenziale in vielen Industrie-

bereichen. In der Elektroindustrie gibt es einen Trend hin zu Leichtge-

wichtausrüstungen für den mobilen Einsatz, z.B. für Notebooks und

Mobilfunktelefone. Auch in der zivilen Luftfahrtindustrie findet zurzeit

eine Diskussion bezüglich der Gewichtseinsparungen, die mit Magne-

sium erreicht werden können, statt. Eine Zunahme des Einsatzes von

Magnesium wird vor allem in der Autoindustrie erwartet. Hier sind

als Auswirkung von gesetzlichen Regelungen bezüglich Schadstoff-

emissionen und Energieverbrauchen strengere Gewichtsanforderungen

zu erfüllen. Wenngleich Gewichtseinsparungen für das gesamte Fahr-

zeug gesucht werden, gibt es gewisse Bereiche, wo Gewichtseinspa-

rungsmaßnahmen besonders effizient sind. Dies trifft vor allem auf

den Vorderwagen und auf den Dachbereich zu. Dort werden höhere

Anstrengungen unternommen und auch höhere Kosten zur Zielerrei-

chung akzeptiert. Deshalb ist gerade dort die Möglichkeit für eine weit-

reichende Anwendung von Magnesium gegeben.

Anwendungspotenziale

Magnesium wird bereits in vielen Fahrzeugen verwendet, jedoch aus-

schließlich in Form von Gussteilen. Beispiele finden sich im Antriebs-

strang, vor allem bei Getriebegehäusen, bei Teilen im Lenkungs-

system, beim Fahrgestell, bei Bremsen und Innenstrukturen. Solche

Anwendungen haben sich als erfolgreich herausgestellt und zu be-

deutenden Gewichtseinsparungen geführt. Es stellt sich nun die Frage,



Bild 6 |Gießgewalztes Band aus Mg-Legierung, aufgewickelt im Auslauf

der Gießanwalzanlage

ob Magnesium auch in Form von Flachprodukten für den Leichtbau

genutzt werden kann. Die Vorteile können wie folgt abgeschätzt werden:

bessere und gleichmäßigere Eigenschaften im Vergleich zum Guss,

Herstellbarkeit von großflächigen und dünnen Teilen,

Gewichts- und Preisvorteile,

verbesserte Prüfbarkeit und

Korrosionsschutz durch Vorbeschichtung des Band- oder Blech-

produktes.

Die Kriterien für eine bevorzugte Wahl von Magnesiumblech im Ver-

gleich zu Stahl und Aluminium sind im | Bild 8 | aufgelistet. Die in

diesem Zusammenhang angegebenen Werte gelten bezüglich der

Dichte. Magnesium schneidet vergleichsweise besonders vorteilhaft

bei den Kriterien Biegesteifigkeit, Beulsteifigkeit, Torsionssteifigkeit,

Beulfestigkeit und Faltenbeulen ab. Auf dieser Grundlage wurde eine

Bewertung der Eignung für karosseriespezifische Anwendungen durch-

geführt: Der Einsatz von Magnesium erscheint besonders attraktiv

für flache Teile und für Außenteile. Der potenzielle Nutzen von Mag-

nesiumblechen für die Außenhaut stellt jedoch noch eine große Heraus-

forderung für die Werkstoff- und die Verfahrenstechnik dar. Wenn

Magnesium für großflächige Teile wie Türen, Hauben und Heckklappen

eingesetzt werden kann, dann wird der Weg zu noch mehr Gewichts-

einsparungen geebnet sein.

Wenn die Gewichtseinsparpotenziale so viel versprechend erschei-

nen, stellt sich die Frage nach der Herstellbarkeit und nach dem Ge-

brauchsverhalten von Magnesiumteilen. Magnesium weist im Vergleich

mit anderen Werkstoffen eine geringe Umformbarkeit bei Raumtem-

peratur auf. Bei Anhebung der Temperatur ist es jedoch möglich, die

Umformbarkeit beträchtlich zu steigern. Dies konnte für Tiefzieh- und

Streckziehoperationen eindeutig nachgewiesen werden. Der Tempe-

raturanstieg führt zu hohen Formänderungswerten, die auch kompli-

zierte Teile realisierbar erscheinen lassen. Mit Hilfe von temperierten

Werkzeugen konnte in einem Tiefziehprozess ein relativ komplexes

Modellteil hergestellt werden | Bild 9 |. Die mechanischen Eigenschaf-

ten dieses Teiles liegen sehr nahe bei denen des Ausgangsbleches.

Die in | Bild 10 | gezeigte Türinnenverstärkung wurde mit einem pneu-

matischen Innenhochdruckverfahren in einer temperaturgeregelten

Ziehanlage hergestellt. Die Ziehtiefe beträgt 110 mm. Versuche zum

Fügeverhalten von Magnesium haben gezeigt, dass sich mit Laser-

Bild 7 |Einfluss der Dehngeschwindigkeit auf die Eigenschaften von MgF DDQ-Blech

Dehngeschwindigkeit σmax [MPa] εmax [%] Emax [J]

[1/s]

1 271 16 15

10 272 18 16

100 311 16 18

500 326 17 22



Bild 8 |Dichtebezogene Leichtgewichts-Werte (bezogen auf Stahl)

Rp0,2 [MPa] Rm [MPa] Ag [%] A80 [%]

Längs 178 261 12 19

Quer 189 264 13 18

Eigenschaft Kriterium Stahl Al Mg

höherfest

Plattenbiegesteifigkeit

3

√E /ρ 1,0 2,0 2,7

Beulsteifigkeit √E /ρ 1,0 1,7 2,1

Zug-/ Drucksteifigkeit E/ρ 1,0 1,0 1,0

Torsions-Steifigkeit G/ρ 1)

1,0 1,0 1,0

3

√G/ρ 2)

1,0 2,0 2,7Zug-/Druckfestigkeit R

p

/ρ 1,0 1,1 1,1

Beulfestigkeit √R

p

/ρ 1,0 1,8 2,3

Crash (Biegung) R

m

/ρ 1,0 1,2 1,1

Crash (Faltenbeulen)

5

√E

3

√R

p

/ρ 1,0 1,7 2,1

schweißen sehr gute Ergebnisse erzielen lassen. Bei der Thyssen Laser-

technik GmbH hat die Anwendung mit Tiefschweißeffekt zu sehr posi-

tiven Ergebnissen in Form von Vermeidung einer fehlenden Schweiß-

nahtabsenkung und Rissbildung geführt. Auch Schneidoperationen

mit einem Laser sind problemlos möglich, wobei ein Verhalten ähnlich

wie beim Laserschneiden von Stahl erwartet werden kann. Im Rahmen

einer Studie zur Herstellung von großen Heckklappen aus der Legie-

rung AZ31 war es möglich, auf Anhieb Teile mit den Parametern von

Aluminium per Laser zu schneiden | Bild 11 |.

Der Korrosionsschutz von Magnesium ist auch hinsichtlich der

Bleche noch Gegenstand intensiver Forschungs- und Entwicklungs-

arbeit. Magnesium liegt sehr weit unten auf der elektrochemischen

Spannungsreihe und bildet darüber hinaus im Vergleich zu Alumini-

um keine deckenden Schichten. Chemische oder Plasma-chemische

Korrosionsschutzmaßnahmen, die unter dem Namen Konversions-

behandlung oder Anodisierung bekannt sind, wurden bereits erfolg-

reich angewendet. Weitere innovative Beschichtungsmethoden sind

bereits in der Entwicklung.

Schlussfolgerungen

Die Vorteile bei der Anwendung des Gießwalzens von Magnesium

lassen sich wie folgt zusammenfassen:

1)

geschlossenes Profil

2)

offenes Profil

Bild 9 |Mechanische Eigenschaften eines Pressteiles aus MgF DDQ

Quelle: ThyssenKrupp Umformtechnik



bessere Homogenität,

feinere Mikrostruktur,

Verringerung von Seigerungen,

verbesserte Löslichkeit und

Verfeinerung von Ausscheidungen.

Aus den technischen Vorteilen resultieren:

verbesserte Walzbarkeit,

verbessertes Fertigungsverhalten,

gleichmäßige Eigenschaften und

Ermöglichung von Superplastizität.

Aus wirtschaftlicher Sicht:

Einsparung von Fertigungsschritten,

Reduzierung von Herstellungskosten,

Band-/Coil-Herstellung ist möglich und

Einsparung von Investitionskosten.

Die ersten von ThyssenKrupp Stahl aufgestellten Prognosen deuten

auf eine positive Marktentwicklung für Magnesiumbleche dieser neuen

Generation hin.

Aus technischer Sicht:

verbesserte Eigenschaften durch schnelle Erstarrung,

Bild 11 | Studie einer lasergeschnittenen Heckklappe aus AZ31

Bild 10 | Türinnenverstärkung, Werkstoff: MgF DDQ 31, Blechdicke: 3 mm, Umformtemperatur: 400 °C

530 mm

970 mm

110 mm

Quelle: IfU Stuttgart

22 |

|Pkw-Verbundlenkerachse aus Aluminium

Leichtbauwerkstoffe und Fertigungstechnologien

bei der Entwicklung von Pkw-Achskomponenten

DIPL.-ING. KLAUS RUNTE FuE-Koordination | ThyssenKrupp Umformtechnik GmbH, Bielefeld-Brackwede


Aufbau und Funktion einer Verbundlenkerachse

Als Verbundlenkerachse | Bild 1 | wird eine in den 50er Jahren ent-

wickelte Hinterachse für frontgetriebene Pkw bezeichnet. Da sie aus

zwei starren Längslenkern und einem torsionsweichen Querprofil

besteht, verfügt sie als Halbstarrachse über Eigenschaften früherer

Starrachsen (z.B. mit Blattfedern), hat aber schon durch das Torsions-

element die Komforteigenschaft der Einzelradaufhängung. Im Zuge

permanenter Weiterentwicklung wurde die Verbundlenkerachse zur

maßgeblichen Hinterachse fast aller kleinen Pkw. Erst mit Beginn der

Fahrzeuggenerationen ab 1997 ging der Trend bei den Autos der un-

teren Mittelklasse (Kompaktklasse) hin zu den so genannten Mehr-

lenkerachsen. Diese Konstruktionen verfügen über bessere Radfüh-

rungseigenschaften mit für die gewachsenen Ansprüche gesteigerten

Sicherheitsreserven und einem besseren Fahrkomfort. Trotzdem hat

die Verbundlenkerachse auch heute noch einen hohen Stellenwert.

Ihre hervorzuhebenden Eigenschaften sind der geringe Bauraum, das

günstige Gewicht und die niedrigen Herstellkosten. Im Verbund mit

neuester Dämpfer-, Stabilisator- und Bremstechnologie halten sie

dem Wettbewerb mit einer Basis-Mehrlenkerachse im normalen Fahr-

alltag stand.

Die Konstruktion von Verbundlenkerachsen verlangt ein hohes Maß

an Verständnis für die abstrakten Modellbildungen, die zur Berech-

nung der geforderten Belastungseigenschaften erforderlich sind. Gleich-

zeitig müssen die elastokinematischen Forderungen für die unter-

schiedlichen Betriebssituationen und das Komfortverhalten berück-

sichtigt werden. Das Torsionsprofil bildet das Kernelement einer

Verbundlenkerachse. Unter Belastung verhält sich das Torsionsprofil

wie ein Biegebalken. Anforderungen an Spur- und Sturzsteifigkeit

sowie die sichere Anbindung an die Längslenker können nur mit

einem speziell berechneten Querschnitt sichergestellt werden. Somit

stellt jedes Torsionsprofil eine individuelle Lösung dar, die sogar bei

einem Pkw in verschiedener Auslegung berücksichtigt werden muss.

Der Trend zu höheren Belastungen der Hinterachsen erfordert daher

Verbundlenkerachsen mit steiferen Auslegungen. Somit müssen die

Abmessungen und Querschnitte angepasst und vergrößert werden.

Rollprofilierte Torsionsprofile

Die Forderungen nach geringem Gewicht bei begrenztem Bauraum

können durch verschiedene Lösungen abgedeckt werden. Die Lösung

von ThyssenKrupp Umformtechnik bietet darüber hinaus die Chance,

Leichtbauwerkstoffe und Fertigungstechnologien bei der Entwicklung von Pkw-Achskomponenten | 23


Bild 1 |Prinzip einer Verbundlenkerachse (links), einbaufertige Verbundlenkerachse (rechts)

24 | Leichtbauwerkstoffe und Fertigungstechnologien bei der Entwicklung von Pkw-Achskomponenten

bei gleichen Querschnittsabmessungen auch variabel auf die Roll-

steifigkeit eingehen zu können. Die Rollsteifigkeit ist eine wichtige Kenn-

größe für die Funktion des Torsionsprofiles und damit ausschlaggebend

für den Fahrkomfort des Fahrzeuges. Während herkömmliche Torsions-

profile | Bild 2 | einen massiven U-Querschnitt mit einer Blechdicke von

ca. 6 mm haben müssen, bildet das Leichtbauprofil | Bild 3 | bei einer

Dicke von ca. 2 x 1,5 mm einen längsgewalzten Querschnitt mit einem

Hohlraum. Durch Verändern des Walzprofiles ist es möglich, den Hohl-

raum variabel zu gestalten und damit die Rollsteifigkeit zu beeinflussen.

Gerollte Torsionsprofile – Verfahren

Beim Walzprofilieren werden Metallbänder durch hintereinander lie-

gende Walzenpaare zu offenen oder geschlossenen Profilen umge-

formt | Bild 4 |. Dabei ändert sich die Form des Spaltes zwischen Ober-

und Unterwalze von Walzenpaar zu Walzenpaar vom Querschnitt des

Bandes bis zu dem des fertigen Profiles. Mit diesem Verfahren ist es

ThyssenKrupp Umformtechnik gelungen, ca. 20 % des Gewichtes einer

herkömmlichen Verbundlenkerachse einzusparen.

Versuche an Prototypen | Bild 5 | zeigten bei Belastung ein Ver-

wölben der aneinanderliegenden Torsionsprofilwandungen. Um dies

zu vermeiden, ist eine geeignete Fügetechnologie anzuwenden. Hier

bieten sich sowohl das Punkt- und Rollnahtschweißen als auch das

Stanznieten an. Auch ein Verkleben der Wandungen führt zu besseren

Resultaten.

Als Werkstoffe eignen sich alle schweißbaren Stähle bis hin zu

hochfesten Güten wie dem Dualphasen-Stahl DP-W und dem Com-

plexphasen-Stahl CP-W, bei Wanddicken zwischen 1,5 und 2,0 mm.

Aus Korrosionsschutzgründen sollten die Innenseiten des Profiles ein-

seitig bandverzinkt sein.

Auch für die übrigen Einzelteile der Verbundlenkerachsen können

diese Materialgüten eingesetzt werden. Fahrwerkskomponenten aus

z.B. DP-W 600 oder CP-W 800 befinden sich bereits im Serieneinsatz.

Aluminium als Leichtbauwerkstoff für Verbundlenkerachsen

Aluminium wird als Werkstoff für Fahrwerkskomponenten eher bei

hochwertigen Pkw und Sportwagen eingesetzt. Wichtige Ziele sind in


Bild 2 |Querschnitt eines konventionellen Torsionsprofiles Bild 3 |

Querschnitt eines profilierten Torsionsprofiles

6 mm dick

1,5 mm dick

Zielgerichtete Entwicklungen bei Mehrlenker-Achskomponenten

| Bild 8 | zeigt Entwicklungen von Mehrlenker-Hinterachskomponenten,

die auf Basis entsprechender Lastenhefte und Bauraumanforderungen

entwickelt wurden. Jedes Bauteil durchläuft während seiner theore-

tischen und prozessorientierten Entwicklung Schritte, die mit dem

Kunden teamorientiert festgelegt werden. Eckpunkte sind:

die Prototyp-Fertigungsfreigabe nach Abschluss der theoretischen

Entwicklung,

die Bauteil-Serienfreigabe nach Abschluss aller Tests und

die Serienfreigabe nach Abstimmung des Herstellungsprozesses.

Vorteile beim Einsatz hochfester Stähle

Die Entwicklung vieler Fahrwerkskomponenten wird seit einiger Zeit

bewusst auf kleinere Bauräume und gegenüber der Vorgängerbau-

reihe reduzierten Gewichts- und Kostenzielen fokussiert. Nur durch

Einsatz höherfester Werkstoffe ist es möglich, die z.T. erhöhten Anfor-

diesem Zusammenhang die Gewichtseinsparung sowie die Schwin-

gungsdämpfung. Dies war auch der Anspruch an das Entwicklungs-

vorhaben einer Verbundlenkerachse aus umgeformten und geschweiß-

ten Aluminium-Strangpressprofilen | Bilder 6 und 7 | mit gepressten

Aluminium-Blechteilen. Basierend auf den Lastanforderungen eines

Kompakt-Pkw wurde das Torsionsprofil als Basisteil einer Verbund-

lenkerachse in seinem Profilquerschnitt für den besonderen Einsatz in

einem Pkw mit geringem Kraftstoffverbrauch ausgelegt.

Mit Unterstützung eines Partners aus der Aluminium-Verarbeitung

ist es gelungen, eine Achse zu entwickeln, die unter Nutzung neuer

Werkstoffgenerationen und dem Know-how des Strangpressens ein

um ca. 40 % reduziertes Gewicht aufwies. Diese Achse wurde über

mehrere Generationen von Prototypen unter Berücksichtigung der

geforderten Serienansprüche entwickelt. Das ungünstige Verhältnis

von Kosten gegenüber Gewichtsvorteilen ließ bis heute einen Serien-

einsatz noch offen.



Bild 4 |Prinzip des Walzprofilierens


26 | Leichtbauwerkstoffe und Fertigungstechnologien bei der Entwicklung von Pkw-Achskomponenten

derungen der OEMs (Original Equipment Manufacturers) zu erfüllen.

Dies gelingt durch die Verfügbarkeit der entsprechenden Entwicklungs-

programme – CAD (Computer Aided Design) bzw. FEM (Finite-Elemente-

Methode – die Erfahrungen in der Prozesskette hinsichtlich der Press-

werkzeug-Konstruktion und Herstellung sowie die Erfahrung in den

verwendbaren Fügeverfahren. Bedeutsam sind dabei die Herstellpro-

zesse mit größtmöglicher Automatisierung und der Ausrichtung zum

Null-Fehler-Programm. Vor der Verwendung neuer Werkstoffe stehen

gemeinsame Entwicklungsprogramme zwischen den Entwicklungs-

abteilungen der Stahlerzeuger und -verarbeiter.

Fazit

Auch bei der Entwicklung von Fahrwerkskomponenten ist ein direkter

Wettbewerb zwischen den Werkstoffen Stahl und Aluminium zu ver-

zeichnen. Das Design der Komponenten muss die speziellen Eigen-

schaften und Verarbeitungsprinzipien bestmöglich berücksichtigen,

anderenfalls schlägt ein Austausch von Werkstoffen fehl. Durch die

Möglichkeit des Einsatzes höherfester Werkstoffe ist momentan eine

Tendenz hin zu Stahlwerkstoffen zu beobachten. Das Potenzial ist

jedoch nur dann nutzbar, wenn die besten Herstellprozesse genutzt

werden und diese einer gezielten Optimierung unterzogen werden.

Bild 5 |Halbe Verbundlenkerachse mit Torsionsprofil, Ansicht von oben (links) und unten (rechts)

Bild 6 |Halbe Verbundlenkerachse aus Aluminium, Ansicht von oben (links) und unten (rechts)



Bild 7 |Querschnitt des Aluminium-Torsionsprofiles

Bild 8 |Mehrlenker-Hinterachskomponenten: Federlenker (links oben), Querlenker (Mitte unten), Schwertlenker (rechts oben)


28 |

Gewichtsreduzierung durch

hochbeanspruchte Rohrstabilisatoren

DR. RER. NAT. LUTZ MANKE Leiter Vorentwicklung | ThyssenKrupp Federn, Hagen

DIPL.-ING. HANS DZIEMBALLA Leiter Forschung & Entwicklung | ThyssenKrupp Federn, Hagen

|Hochbeanspruchter Rohrstabilisator mit inkonstantem Querschnitt


Einleitung

Stabilisatoren in Kraftfahrzeugen haben die Aufgabe, die Seitenneigung

bei Kurvenfahrten zu verringern. Die Seitenneigung beeinflusst durch

die auftretende Radlastverlagerung und die Änderung des Sturzwinkels

entscheidend das Lenkverhalten, das durch die Auslegung der Stabi-

lisierung gezielt in Richtung Unter- bzw. Übersteuern eingestellt werden

kann. Stabilisatoren erhöhen somit den Fahrkomfort und in erheblichem

Maße die Fahrsicherheit.

Stabilisatoren für Fahrwerke von Kraftfahrzeugen sind im Allge-

meinen U-förmig gebogene Stäbe aus Federstahl mit Kreis- bzw.

Kreisringquerschnitt und stellen damit einen Bügel mit Rücken und

Schenkeln dar. In der Regel liegen die Stabilisatoren nicht in einer

Ebene, sondern sind – zum Zweck der Umgehung anderer Fahrwerks-

teile – räumlich auf zum Teil abenteuerliche Weise gebogen, abge-

winkelt und verkröpft angeordnet | Bild 1 |.

Wirkungsweise von Stabilisatoren

Als federnde Bestandteile des Fahrwerkes sind Stabilisatoren Binde-

glieder zwischen Achse und Aufbau sowie zwischen den Rädern einer

Achse. Die Lage der Stabilisatoren wird so gewählt, dass die Rollfede-

rung sich verhärtet – die Drehung des Aufbaus um die Fahrzeuglängs-

achse wird erschwert – ohne gleichzeitig die Hubfederung, d.h. die

Bewegung des Aufbaus in Richtung der Hochachse, zu behindern. Zu

diesem Zweck wird der Stabilisator in der Achse so angeordnet, dass

der Rücken etwa in der Höhe der Radmitten quer zur Fahrtrichtung zu

liegen kommt.

Die Rückenlager des Stabilisators stützen sich am Aufbau ab, wäh-

rend die Schenkel direkt am Federbein oder an den Querlenkern an-

gelenkt werden. Damit tragen Stabilisatoren nicht zur statischen

Abstützung des Aufbaugewichtes gegen die Achse bei und bleiben bei

gleichseitiger Ein- bzw. Ausfederung unbelastet. Wenn der Aufbau

sich durch Fliehkräfte, die in Fahrzeugquerrichtung wirksam werden,

neigt, kommt es zur so genannten wechselseitigen Federung. Das

bedeutet, dass das kurvenäußere Rad einfedert und das kurveninnere

Rad ausfedert. Hierdurch werden die Stabilisatorenschenkel gegen-

sinnig ausgelenkt und der Rücken wird verdrillt.

Die Aufbauneigung bei Kurvenfahrten könnte auch durch die Wahl

einer härteren Hubfederung verringert werden, die sich aber negativ

auf den Fahrkomfort auswirken würde. Somit tragen Stabilisatoren

erheblich zur Komfortverbesserung von Kraftfahrzeugen bei. Die Ab-

stimmung zwischen Hub- und Rollfederung auf der einen sowie der

Stabilisierung von Vorder- und Hinterachse auf der anderen Seite hängt

von der jeweiligen Philosophie des Fahrzeugherstellers ab.

Dimensionierung

Das Pkw-Leergewicht hat im Laufe der Jahre durch gestiegene Anfor-

derungen bzgl. Sicherheits- und Komfortausstattung kontinuierlich

zugenommen | Bild 2 |. Um diesem Trend entgegenzuwirken, wurden

Bauteile mit erheblichem Gewichtseinsparungspotenzial identifiziert.

Die Betrachtung der Beanspruchung von Stabilisatoren zeigt, dass die

max. Beanspruchung an den Außenrändern der Durchmesser vorliegt.

Nach innen nimmt die Beanspruchung bis zur neutralen Phase auf

eine Mittelspannung von σvm

= 0 ab. Theoretisch könnte der Massiv-

stabilisator ausgehöhlt werden, ohne die Funktion zu beeinträchtigen.

In der Praxis stößt man auf Restriktionen, die nachfolgend näher be-

trachtet werden.

Gewichtsreduzierung durch hochbeanspruchte Rohrstabilisatoren | 29

Stabilisator

Stabilisator

Bild 1 |Vorderachse (links) und Hinterachse (rechts) mit Stabilisatoren


30 | Gewichtsreduzierung durch hochbeanspruchte Rohrstabilisatoren

Die erforderliche Wankstabilisierung ergibt sich aus der maximal

zulässigen Aufbauneigung, der Kontur des Stabilisators und dessen

Anlenkungspunkten. Weder die Kontur noch die Anlenkungspunkte

eines Stabilisators können verändert werden, somit lässt sich das

Bauteilgewicht lediglich über den Werkstoff (Gleitmodul G) oder hohle

Halbzeuge, wie z.B. Rohre, manipulieren. Da die spezifizierte Lebens-

dauer ebenfalls einzuhalten ist, müssen die Beanspruchungsgrenzen

beachtet werden.

Theoretisch treten die höchsten Beanspruchungen in den Rücken-

lagern von Stabilisatoren auf. Bei massiven Stabilisatoren stimmen

Theorie und Praxis überein. Rohre neigen beim Ausbiegen durch

Streckung der Außenfasern und Stauchung der Innenfasern zur Aus-

bildung von ovalen Querschnitten. Diese ovalen Querschnitte führen

im Bereich der Biegeradien zu einer Erhöhung der Beanspruchung.

Um eine plastische Verformung des Stabilisators durch die auftretende

Beanspruchung und eine daraus folgende Neigung des Fahrzeuges

zu verhindern, muss die maximale Vergleichsspannung σv

max

unter-

halb der Dehngrenze R

p0,2

des verwendeten Werkstoffes liegen. Die

Dehngrenze hängt von der jeweiligen Zugfestigkeit R

m

ab.

Bei der Auslegung von Rohrstabilisatoren muss darauf geachtet

werden, dass eine Gewichtsreduzierung nicht auf Kosten der Bauteil-

steifigkeit erfolgt, die sich überschlägig nach der Gleichung

R = G

mod

x J x

1

η (R = Steifigkeit, G

mod

= Gleitmodul, J = Flächen-

trägheitsmoment, η = Geometriematrix)

Bild 3 |FEM-Berechnung eines RohrstabilisatorsBild 2 |

Entwicklung der Fahrzeuggewichte

125

120

115

110

105

100

1978

Leergewicht

[

%

]

1980 1985 1990 1995

2002

700

640

580

520

460

400

340

280

220

160

10

40

[MPa]

Fahrzeuggewichte

berechnen lässt. Weiterhin ist wichtig, dass die angestrebte Gewichts-

reduzierung nicht größer als 40 bis 45 % des Gewichtes eines vergleich-

baren Massivstabilisators beträgt. Darüber hinausgehende Gewichts-

einsparungen führen zu nicht mehr akzeptablen Wandstärken und somit

zu zusätzlichen Beanspruchungen, die durch Verwölbungen des Rohres

hervorgerufen werden. Diese Wölbspannungen wirken sich äußerst

negativ auf die Bauteillebensdauer aus. Die Außen- und Innendurch-

messer lassen sich nach den folgenden Gleichungen berechnen:

d

i,Rohr

= d

massiv

x √

1-k

2

2k

und d

a,Rohr

= d

massiv

x √

1+k

2

2k

(d

i,a,Rohr

= Innen- bzw. Außendurchmesser des Rohres, d

massiv

= Durch-

messer des Massivstabilisators; k = Gewichtsanteil des Rohres z.B.

k = 0,6). Zusätzlich ist beim Einsatz von Rohren zu berücksichtigen,

dass die innere Oberfläche nur bedingt bearbeitet und gegen Korrosion

geschützt werden kann.

Ergibt die FEM(Finite-Elemente-Methode)-Berechnung | Bild 3 |

eine Überschreitung der zulässigen Beanspruchung, so muss der

kritische Bereich ohne Änderung der Steifigkeit (Rate) des Stabilisators

entlastet werden. Aufgrund der Abnahme der Biegespannungen im

Rückenbereich zwischen den Lagerstellen bietet sich an, Steifigkeit

aus dem Rücken in den spannungsmäßig kritischen Bereich zu ver-

lagern. Die Reduzierung des Querschnittes zwischen den Rückenlagern

kann durch mechanische Bearbeitung oder durch gezielte Material-

verdrängung, wie z.B. durch einen Hämmerprozess, erfolgen. Hierbei

ist zu beachten, dass sowohl der Durchmesser als auch die Wandstärke

reduziert werden.



Bild 4 |Anlasskurven des Werkstoffs 34MnB5; aufgekohlt/nicht aufgekohlt

Bild 5 |Eigenspannungsprofile nach dem Kugelstrahlen

0,10,05

Eigenspannungsprofil Außenstrahlen

0,150

Eigenspannung [MPa ]

Tiefe [mm]

0,10,05 0,150

Eigenspannung [MPa ]

Eigenspannungsprofil Innenstrahlen

aufgekohlt

nicht aufgekohlt

Anlasstemperatur [ °C ]

Festigkeit [MPa]

0

-100

-200

-300

-400

-500

-600

-700

-800

-900

-1.000

0

-100

-200

-300

-400

-500

-600

-700

-800

-900

-1.000

1.900

1.800

1.700

1.600

1.500

1.400

1.300

180 220 260 300 340 380

Tiefe [mm]

Außenbogen

Außenbogen

Innenbogen

Werkstoff 34MnB5

Innenbogen

Außenbogen

Außenbogen


32 | Gewichtsreduzierung durch hochbeanspruchte Rohrstabilisatoren

Bild 7 |Prozess hochbeanspruchte Rohrstabilisatoren

2. Kneten und Prüfen 3. Biegen 4. Härten und Anlassen

5. Innenstrahlen6. Plätten und Lochen7. Außenstrahlen8. Lackieren

Transportwege

1. Aufkohlen

Wareneingang

und -ausgang

Bild 6 |Prozess konventionelle Stabilisatoren

1. Endbearbeitung2. Erwärmen 3. Biegen

Transportwege

2. Erwärmen 3. Biegen 4. Härten und Anlassen

5. Innenstrahlen7. Aussenstrahlen7. Lackieren

Transportwege

1. Endbearbeitung

Wareneingang

und -ausgang

6. Strahlen 5. Richten

Werkstoffauswahl

Massivstabilisatoren werden aus Vergütungsstählen entsprechend

DIN 17200 und 17221 hergestellt. Für Rohrstabilisatoren verwendet

man vorwiegend mikrolegierte Stähle wie z.B. 26MnB5 und 34MnB5,

die sowohl warm als auch kalt verarbeitet werden können.

Die maximal zulässige Festigkeit und somit die Beanspruchung

wird in erster Näherung durch den Kohlenstoffgehalt bestimmt. Bei

geschweißten Rohren wird der maximale Kohlenstoffgehalt durch den

Schweißprozess limitiert. Ist der Kohlenstoffgehalt einer Legierung

nicht ausreichend um eine gewünschte Festigkeit einstellen zu können,

muss der Stabilisatorfertigung ein Aufkohlprozess des Rohrhalbzeuges

vorgeschaltet werden | Bild 4 |.

Oberflächenbehandlung und dynamische Beanspruchung

Im Fahrbetrieb sind Stabilisatoren einer Wechselbeanspruchung, d.h.

einer dynamischen Beanspruchung mit der Mittelspannung σvm

= 0

ausgesetzt. Deshalb werden Stabilisatoren zur Lebensdauersteigerung

nicht in Arbeitsrichtung vorgesetzt. Die Lebensdauer von Massivstabili-

satoren lässt sich durch spanende Bearbeitung und durch Kugelstrahlen

steigern, wohingegen sich die Lebensdauer von Rohrstabilisatoren nur

durch das Kugelstrahlen der Außenoberfläche verbessern lässt. Bei

vorzeitigen Ausfällen und Bruchausgängen von der Innenoberfläche

des Stabilisators, können die kritischen Bereiche von innen gestrahlt

werden. Durch das Kugelstrahlen werden in der oberflächennahen

Außenrandschicht des Stabes Druckeigenspannungen in der Größen-

ordnung von 800 bis 900 MPa erzeugt | Bild 5 |, die bei Belastung des

Stabilisators im Fahrbetrieb erst überschritten werden müssen, bevor

Zugspannungen, die zu Dauerbruchanrissen führen können, wirksam

werden. Es muss daher besonders darauf geachtet werden, dass

der Kugelstrahleffekt an den Stellen am größten ist, an denen die Ver-

gleichsspannung ihr Maximum erreicht, also auf der Ober- und Unter-

seite des Stabilisators im Bereich der Krümmung zwischen Rücken

und Schenkeln sowie an den Lagerstellen. Die durch das Innenstrahlen

induzierten Druckeigenspannungen sind verfahrensbedingt wesent-

lich geringer. Sie liegen in einem Bereich von 400 bis 500 MPa.

Herstellung

Bei Massivstäben erfolgt im 1. Schritt das Ausformen der Enden. An-

schließend werden die Stäbe in geeigneten Gasöfen oder durch

konduktives Erwärmen austenitisiert. Das Ausbiegen erfolgt im aus-

tenitisierten Zustand in Biegemaschinen mit direkter Härtung in Öl und

einem Anlassen auf die vorgeschriebene Festigkeit. Nach der Wärme-

behandlung erfolgt ggf. ein Richtvorgang, dem sich das Kugelstrahlen

anschließt. Falls erforderlich, werden anschließend Fixierringe aufge-



spritzt oder aufgesteckt. Danach erfolgt die Lackierung | Bild 6 |. Wenn

Massivstabilisatoren alternativ aus vorvergütetem Material hergestellt

werden, findet das Ausbiegen auf CNC-Biegeautomaten statt.

Hochbeanspruchte Rohrstabilisatoren werden grundsätzlich auf CNC-

Biegeautomaten ausgebogen. Falls erforderlich, wird das Halbzeug

vor dem Ausbiegen aufgekohlt. Das Härten und Vergüten erfolgt unter

Schutzgasatmosphäre. Anschließend werden die Enden geformt. Sollte

ein Innenstrahlen spezifiziert sein, findet dieses vor dem Endenformen

statt. Bei der Herstellung von Rohrstabilisatoren sollte auf das Richten

verzichtet werden. Dem Formen der Enden schließt sich das Außen-

strahlen mit abschließender Lackierung an. Falls erforderlich, werden

Fixierringe aufgespritzt oder aufgesteckt | Bild 7 |.

Lebensdauerprüfung

Die Überprüfung der Lebensdauer von Stabilisatoren erfolgt üblicher-

weise durch Einstufenschwingversuche, wobei beachtet werden muss,

dass die Prüfstände | Bild 8 | mit einer Kraftüberprüfung ausgestattet

sind. Rohrstabilisatoren versagen „gutmütig“. Dies bedeutet, dass die

Rohre aufspleißen und somit an Steifigkeit und Kraft verlieren. Bei

einer reinen Wegsteuerung würde diese Erscheinung nicht festgestellt.

Während der Entwicklung der hochbeanspruchten Rohrstabilisatoren

mussten einige Entwicklungsschleifen | Bild 9 | durchlaufen werden,

da die Technologien, wie das Aufkohlen, das Innenstrahlen und die

Schutzgasvergütung, für dieses Produkt erarbeitet werden mussten.

Zusammenfassung und Ausblick

Durch die Entwicklung hochbeanspruchter Rohrstabilisatoren wird das

Bauteilgewicht um ca. 45 % reduziert. Da Fahrzeuge durch höhere

Sicherheits- und Komfortausstattungen immer schwerer werden, wird

sich der Trend hin zu Stabilisatoren auf Rohrbasis fortsetzen. Im Ge-

schäftsjahr 2003/2004 betrug der Anteil an Rohrstabilisatoren bezogen

auf die Gesamtfertigung ca. 11 %. Im Geschäftsjahr 2004/2005 wird

der Anteil bereits auf 21 % prognostiziert.

Bild 8 |Lebensdauerprüfstand Bild 9 |

Bauteillebensdauer während der Entwicklungsschleifen

13

12

11

10

9

8

7

6

5

4

3

2

1

0

30.000

Entwicklungsschritte

60.000

90.000 120.000

150.0000

Lebensdauer

(

Lastwechsel

)

180.000

Bauteillebensdauer

Ziel


34 |

|Aktiver Stoßdämpfer DampTronic

®

in Leichtbauweise

DIPL.-ING. RALF KUSCHE Teamleiter Serienentwicklung | ThyssenKrupp Bilstein GmbH, Ennepetal

Leichtbau-Stoßdämpfer aus Aluminium


Leichtbau-Stoßdämpfer aus Aluminium | 35

Einleitung

Im Jahre 1934, in der Ära der Silberpfeile von Daimler Benz, hielt der

Werkstoff Aluminium erstmalig Einzug in die Automobilindustrie. In der

Großserienfertigung findet er derzeit u.a. im Audi A2 Verwendung.

Neben der Karosserie und dem Motor kommen vermehrt andere

Bereiche des Kraftfahrzeuges in den Fokus der Gewichtsreduzierung.

Ein Schritt in diese Richtung ist der Einsatz von Aluminium als Leicht-

metall mit geringerer Dichte im Bereich des Fahrwerkes. Der Alumi-

niumeinsatz trägt zusätzlich dazu bei, den Komfort für die Insassen

zu erhöhen und die Fahrdynamik durch die Reduzierung der ungefeder-

ten Massen zu optimieren.

1-Rohr-Stoßdämpfer in Aluminiumbauweise

Bereits seit mehreren Jahren setzt ThyssenKrupp Bilstein Aluminium

als Leichtbaumaterial für Stoßdämpfer in Exklusivfahrzeugen ein. Für

den Stoßdämpferbau wurden standardmäßig kaltfließgepresste Alu-

miniumrohre | Bild 1 | verwendet. Nachteil dieser Konstruktion ist

die eingeschränkte Variabilität der unteren Anbindung, die mit diesem

Verfahren nur als Aufnahme für Gelenklager oder Buchsen ausge-

führt werden kann. Kundenanforderungen für andere Aufnahmen, wie

z.B. Gabelbefestigungen, wurden bislang in Stahlbauweise realisiert.

Speziell für einen Großserienhersteller wurde bei ThyssenKrupp

Bilstein erstmals eine Aluminium-Rohrkörperbaugruppe für einen

1-Rohr-Stoßdämpfer entwickelt, die die Anforderungen des Stahl-

dämpferrohres erfüllt, eine entsprechende Gabelanbindung vorsieht

und gleichzeitig das Gewicht der Rohrkörperbaugruppe um mindestens

40 % reduziert. Gleichzeitig sollten die Mehrkosten, die eine Substitu-

tion von Stahl durch Aluminium mit sich bringt, möglichst gering

gehalten werden.

Folgende Anforderungen werden an die Rohrkörperbaugruppe

gestellt:

Gasdichtheit des Rohrkörpers bis 100 bar Innendruck,

hohe Oberflächengüte und Verschleißfestigkeit im Innenraum zum

Zwecke der Dichtigkeit im Trennbereich der beiden Arbeitsräume

durch den Arbeitskolben sowie der Trennung des Gas- und Ölrau

mes durch einen Kolben,

Abstützen der aus dem Fahrwerk eingeleiteten Kräfte und

dauerhaltbare Verbindung zwischen Rohr und Befestigungselement.

Im Hinblick auf Konstruktion, aber auch insbesondere im Hinblick auf

den zu verwendenden Fertigungsprozess ist eine 1:1-Substitution der

Stahlkonstruktion durch den Aluminiumwerkstoff nicht zielführend.

Schon aufgrund der unterschiedlichen Materialkennwerte von Stahl-

und Aluminiumlegierungen ergeben sich zwangsläufig konstruktions-

bedingte Änderungen. Daher ist es unerlässlich, schon während der

Konzeptphase die Konstruktion optimal dem Werkstoff Aluminium

anzupassen. Ein wesentliches Werkzeug zur Zielerreichung hinsichtlich

optimalem Gewicht und Dauerhaltbarkeit ist die Anwendung von

CAE(Computer Aided Engineering)-Systemen. Insbesondere durch

den Einsatz der Finite-Elemente-Methode (FEM) konnte das Design

bereits in einem frühen Entwicklungsstadium vor der Herstellung erster

Prototypenwerkzeuge optimiert werden. Dieses trug maßgeblich zur

Senkung der Entwicklungskosten bei.

Bild 1 |Aus Vollmaterial kaltfließgepresstes Aluminiumrohr


36 | Leichtbau-Stoßdämpfer aus Aluminium

| Bild 2 | zeigt die Anfangskonstruktion mit einer stranggepressten

Gabel und ein im Warmumformverfahren hergestelltes Aluminium-

behälterrohr, welches mittels Schweißnaht im Bereich des Rohrboden-

zapfens miteinander verschweißt wird. Zum Einsatz kommt, wie auch

schon bei den früheren Anwendungen, der Werkstoff AlMgSi1. Im

Bereich der Kontaktstellen ergeben sich bei dem gerechneten Belas-

tungsfall Spannungen bis ca. σ = 140 MPa, welche nahe der kritischen

Streckgrenze von Aluminium (R

p0,2

= 180-200 Mpa) liegen. Diese

resultieren aus der Einleitung hoher Biegemomente im Bereich des

Rohr-Zapfenansatzes.

Ein erster Iterationsschritt zur Verbesserung der Bauteilstruktur

bestand in dem Einbringen einer zusätzlichen Schweißnaht im Außen-

bereich zwischen Gabel und Rohr. Die maximale Spannung im Bereich

des Rohrzapfens konnte deutlich verringert werden, jedoch wurde

durch die zusätzliche Schweißnaht der kritische Bereich in den Über-

gang Rohrboden/Rohrwand verlegt. Im nächsten Iterationsschritt

wurde das Gabeldesign soweit umkonstruiert, dass ein möglichst

geradliniger Kraftübergang von der Gabel zum Rohr ermöglicht wurde

| Bild 3 |. Die Spannungen im Bauteil wurden um ca. 70 % reduziert

und liegen bei diesem Belastungsfall bei ca. σ = 45 MPa. Die im

Schmiedeverfahren hergestellte Gabelkonstruktion bedingte jedoch

auch die Umkonstruktion des Rohres und die Wahl eines anderen

Schweißverfahrens. Bei dieser favorisierten Lösung wird die Gabel

derart ausgebildet, dass mittels Reibschweißverfahren ein abgelängtes

Aluminiumrohr stumpf auf die Gabel geschweißt wird. Das Reib-

schweißverfahren gilt in der Automobilindustrie als freigegebenes

Verfahren für sicherheitsrelevante Bauteile und wird bei Aluminium-

rädern angewandt.

In Absprache mit den Schweißfachingenieuren wurden die Kontakt-

flächen zwischen Gabel und Rohr sowie die Gabelaußenkontur zur

Werkstückaufnahme in den Schweißanlagen optimiert. Auf Basis der

Ergebnisse aus den FEM-Berechungen wurden erstmalig Bauteile aus

Prototypenwerkzeugen für die Erprobung hergestellt. | Bild 4 | zeigt

die Ausbildung der Schweißnaht. Eine Entfernung der Schweißwülste

ist nicht zwingend notwendig, wenn diese im Inneren des Rohres nicht

in dem Bereich der Gleitbahn des Trennkolbens liegen.

Um die geforderte Verschleißfestigkeit des Aluminiumrohres im

Innenbereich, d.h. die Lauffläche von Arbeitskolben und Trennkolben,

sowie einen Schutz gegen Korrosion zu gewährleisten, werden die

Bild 2 |Al-Schweißkonstruktion Gabel/warmumgeformtes Rohr Bild 3 |

Optimiertes Gabeldesign

131,853

118,913

105,974

93,034

80,094

67,154

54,214

41,275

28,335

15,395

2,455

z

x

Spannung [MPa]

131.853

118.913

105.974

93.034

80.094

67.154

54.214

41.275

28.335

15.395

2.455

Spannung [MPa]

Gabel

Al-Behälterrohr

Gabel

Al-Behälterrohr

41,993

37,983

33,973

29,964

25,954

21,945

17,935

13,925

9,916

5,906

1,897

∆

∆

z

x

∆

∆


Aluminiumrohre hartanodisiert. Dieses Verfahren wird insbesondere

für technisch stark beanspruchte Teile verwendet. Beim Hartanodi-

sieren findet eine chemische Umwandlung der ursprünglichen Alumi-

niumoberfläche statt. Dies geschieht durch Aufnahme von atomarem

Sauerstoff, der an der Anode gebildet wird, mit dem Aluminium

reagiert und sich zu Aluminiumoxid (Al

2

O

3

) auf der Metalloberfläche

verankert. Hartanodisieren bildet Schichten mit deutlich geringeren

Porendurchmessern im Gegensatz zu herkömmlichen Eloxierschichten,

die Porengrößen von bis zu 0,02 µm aufweisen. Darüber hinaus lässt

sich eine größere Härte in das Material einbringen. Bei der Auslegung

des Rohrrohteils ist darauf zu achten, dass bei dem Hartanodisieren

die Hartoxidschicht bei Ihrer Entstehung um ca. 50 % in die ursprüng-

liche Metalloberfläche hinein- und um ca. 50 % über die ursprüngliche

Metalloberfläche hinauswächst. Die üblicherweise aufgebrachten

Schichtstärken betragen etwa 30-35 µm, um den Dauerhaltbarkeits-

anforderungen der Automobilindustrie gerecht zu werden.

Zur bauteilspezifischen Erprobung zählte neben statischen und

dynamischen Belastungsuntersuchungen auf dem Prüfstand auch

die Erprobung im Fahrzeug unter extremen Bedingungen. Alle diese

Prüfungen wurden im ersten Entwicklungsschritt positiv abgeschlossen.

Somit stand einer Serienbeauftragung mit diesem Design nichts im

Wege | Bild 5 |. Im Gegensatz zu einer entsprechenden Stahlkonstruk-

tion konnte eine Gewichtsreduzierung von ca. 48 % realisiert werden.

Fazit

Durch den Einsatz von Leichtmetallen im Stoßdämpferbau können

entscheidende Gewichtsreduzierungen realisiert werden. Neben

einzelnen Bauteilen in Leichtbauweise trägt eine Rohrkörperbau-

gruppe in Leichtbauweise zur größten Gewichtsreduzierung bei. Bei

ThyssenKrupp Bilstein wurde erstmalig eine komplette Aluminium-

baugruppe bestehend aus Gabel und abgelängtem Rohr mittels Reib-

schweißverfahren gasdicht verschweißt.

Neben dem Einsatz im konventionellen Stoßdämpfersektor kommt

diese Leichtbauweise auch bei den elektronischen Verstelldämpfern

zum Einsatz. Damit steht den Automobilherstellern ein exklusives

Produkt zur Verfügung, welches ein agiles und sportliches, aber auch

komfortables Fahrverhalten mit reichlich Bodenhaftung ermöglicht.


Bild 4 |Ausbildung der Schweißnaht Bild 5 |

Seriendesign Rohrkörperbaugruppe

Produkt- und Prozess-Engineering im Fokus

des Leichtbaus

38 |

|Lamborghini Gallardo in Aluminium-Space-Frame-Bauweise


DIPL.-ING. ULRICH HOCHER Geschäftsführer | ThyssenKrupp Drauz, Heilbronn

DIPL.-ING. MICHAEL HAGE Leiter Entwicklung u. Konstruktion | ThyssenKrupp Drauz, Heilbronn

DIPL.-ING. (FH) THOMAS KELLER Projektplanung | ThyssenKrupp Drauz, Heilbronn

Einleitung

Die Entwicklungsvorgaben an moderne Karosseriestrukturen sind

geprägt von Designansprüchen sowie dem Zielkonflikt zwischen

Gewichts- und Festigkeitsoptimierung. Im Mittelpunkt der Entwicklung

einer Karosseriestruktur steht neben der Umsetzung des Designs die

Aufgabe, die Balance zwischen einem minimalen Einsatzgewicht der

Bauteile und den zu erzielenden Festigkeiten zu finden. Ist die optimale

Balance erreicht, gelten die Ziele des Leichtbaus als erfüllt.

Karosseriebauweisen

Im Karosseriebau werden drei Strukturkonzepte unterschieden:

Schalenbauweise,

Space-Frame-Bauweise und

Hybridbauweise.

¡Schalenbauweise

Hierbei handelt es sich um die Umformung von Stahlblechplatinen zu

Strukturelementen, die mit einem weiteren Strukturelement zu einem

geschlossenen Querschnitt zusammengefügt werden. Diese geschlos-

senen Querschnitte stellen im Wesentlichen die tragende Struktur der

Karosserie dar. Idealerweise können in einigen Bereichen Rohre ein-

gesetzt werden, nachdem diese umformtechnisch der Karosserie-

struktur angepasst wurden. Ihr Anteil beträgt 5 %, wohingegen umge-

formte Bleche zu 95 % eingesetzt werden. Konzeptstudien zeigen,

dass hier zukünftig ein weitaus größerer Anteil an Rohren realisierbar

sein wird. Gewichtspotenziale lassen sich durch den Einsatz innovativer

Materialien wie hoch- und höchstfeste Stähle, Tailored Blanks und

Tailored Tubes sowie Sandwich-Materialien erzielen, um nur einige

zu nennen.

¡Space-Frame-Bauweise

In modernen Karosseriestrukturen finden darüber hinaus Aluminium-

Werkstoffe, die eine grundsätzlich veränderte Konzeption ermöglichen,

Verwendung. Eine Aluminiumstruktur besteht zu 10-15 % aus Guss-

bauteilen, zu 20-30 % aus Strangpressprofilen und zu 60-70 % aus

Umformblechen. Da eine Aluminium-Leichtbaukonstruktion im Ver-

gleich zur Schalenbauweise den Einsatz anderer Halbzeuge ermöglicht,

unterliegt sie auch anderen Gesetzmäßigkeiten.

¡Hybrid-Bauweise

Bei der Hybrid-Bauweise werden Schalen- und Space-Frame-Bauweise

gleichzeitig innerhalb einer Karosseriestruktur angewandt, indem

Guss-, Strang- oder Blechbauteile als Baugruppen oder Einzelkom-

ponenten in die Karosseriestruktur integriert werden.

Tendenzen der Leichtbaugestaltung

¡Gussbauteile

Gussbauteile können so gestaltet werden, dass eine den Kraft- und

Momentenverläufen angepasste Bauteilgeometrie entsteht, wodurch

Spannungskonzentrationen vermieden werden. Durch eine gezielt aus-

gelegte Bauteilgeometrie werden bei einem multifunktionalen Gussteil

| Bild 1 | mehrere Befestigungsfunktionen angebundener Montageteile

integriert, sodass zusätzliche Adapterbleche entfallen können.

¡Strangpressprofile

Strangpressprofile sind gerade oder gebogen einsetzbar und können

in beinahe jeder beliebigen Querschnittsform hergestellt werden, da-

durch liefern Sie bereits einen festigkeitsoptimierten geschlossenen

Querschnitt als Einzelteil. Darüber hinaus kann der Querschnitt durch

moderne Innenhochdruck-Umformverfahren (IHU) | Bild 2 | den unter-

schiedlichen Belastungssituationen an verschiedenen Stellen optimal

angepasst werden.

¡Aluminiumbleche

Bei Aluminiumblechen erfordern die werkstoffspezifischen Eigen-

schaften, speziell die geringere Dichte und der geringere Elastizitäts-

modul (E-Modul

Aluminium

= 1/3 x E-Modul

Stahl

), eine Erhöhung der

Materialstärke, um die gleichen Festigkeitswerte wie ein entsprechen-

Produkt- und Prozess-Engineering im Fokus des Leichtbaus | 39


40 | Produkt- und Prozess-Engineering im Fokus des Leichtbaus

Bild 2 |Dachrahmen in Strangprofilbauweise mit Querschnittsänderungen


C - C

Bild 1 |Space-Frame des Lamborghini Gallardo, Detail: Längsträger Radhaus

Rippen in Kraftrichtung

Integration Zusatzfunktion

Umformbleche

Strangpressprofile

Gussprofile

A - A

B - B


¡Stanznieten

Inzwischen hat die Niettechnik im modernen Karosserie-Leichtbau den

Stellenwert des Punktschweißens im traditionellen Stahlkarosserie-

bau erreicht. Das Stanznieten mittels Bügelzangen ist heutzutage

Stand der Technik. Es lässt prozesssichere Verbindungen im Karosserie-

bau zu. Eingeschränkt wird diese Technologie vor allem durch den

Kräfteverlauf und den dadurch erforderlichen stabilen C-Bügel, der

diese Kräfte aufnehmen muss. Die großen und schweren Niet-Zangen

begrenzen die Zugänglichkeit der Verbindungsstellen erheblich. Ins-

besondere bei geometrisch weit ausladenden Verbindungsaufgaben

sind voluminöse Zangen notwendig, die beim Handling die Standard-

roboter an ihre kinematischen Grenzen führen. Die maximal mögliche

C-Bügel-Ausladung liegt bei ca. 600 mm. Nur statisch angebrachte

Zangen können mit ca. 800 mm bis max. 1000 mm Ausladung noch

in der erforderlichen Steifigkeit gebaut werden.

Diese Einschränkungen haben bei ThyssenKrupp Drauz zur Entwick-

lung des neuen Impulsstanznietkopfes „ImpulsDRAUZ“ | Bild 4 | geführt,

der die zuvor beschriebenen Grenzen für robotergeführte Nieteinrich-

tungen aufhebt. Es wurde ein Gerät entwickelt, das den Fügeprozess


Bild 3 |Schiebetür, links: Stahlbauweise, rechts: Aluminiumbauweise

des Stahlbauteil zu erzielen. Um oben aufgeführte Einzelkomponenten,

wie Blech-, Strang- und Gussbauteile, kraft- und/oder formschlüssig

zu einer Karosseriekomponente zusammenzufügen, sind Weiterent-

wicklungen der Fügetechniken notwendig. Bei der Konstruktion einer

Schiebetür | Bild 3 | mit Hilfe unterschiedlicher Fügetechniken sowie

des Einsatzes von Aluminiumbauteilen konnte eine Gewichtsreduzie-

rung von 30 % erzielt werden. Dies bedeutete für den Kunden eine

spürbare Komforterhöhung beim Öffnen und Schließen der Tür.

Fügetechniken

Der Einsatz unterschiedlichster Halbzeugkombinationen in der Space-

Frame-Konzeption erforderte zwingend die Weiter- und Neuentwicklung

von Fügetechniken. Bei den oben aufgeführten solitären Werkstoff-

konzepten finden vor allem konventionelle thermische, kraft- und form-

schlüssige mechanische Fügeverfahren sowie das Kleben in klassi-

scher als auch in abgewandelter Form Anwendung. Hybride Werk-

stoffkonzepte erfordern allerdings bedingt durch die angesprochenen

Leichtbau-Maximen, d.h. aufgrund der nicht schweißbaren Mischver-

bindungen, verstärkt nicht-thermische Fügeverfahren.

Gewichtspotenzial: 30 %

Umformbleche

Strangpressprofile

Gussprofile

Bild 5 |NietverbindungBild 4 |

Impulsnietsystem „ImpulsDRAUZ”


42 | Produkt- und Prozess-Engineering im Fokus des Leichtbaus

nicht wie bisher üblich in einem quasi statischen Vorgang mit hydrau-

lischer oder elektromechanischer Krafterzeugung „langsam“ ablaufen

lässt. Es treibt den Niet im Millisekundenbereich in die Verbindungs-

stelle | Bild 5 |, wobei die Vorrichtung die auftretenden Reaktionskräfte

dosiert abfängt. Der Roboter verfährt bei diesem Prozess lediglich

ein Impulsnietgerät inklusive Nietzuführung mit einem Eigengewicht

von 12-15 kg. Die erforderlichen Matrizen für die zu setzenden Nieten

befinden sich fest und steif angeordnet in der Vorrichtung, d.h. jeder

Nietpunkt hat eine Gegenlage. Die automatische Zuführung des Nietes

erfolgt mittels üblicher Sortierung und Vereinzelung. Mit der Einfüh-

rung des Nietsystems „ImpulsDRAUZ” findet die Stanzniettechnik im

modernen Karosseriebau ein erweitertes Anwendungsgebiet.

¡Kleben

Im Fahrzeug-Leichtbau wird das Kleben außer zur Anbindung von

Kunststoffteilen häufig mit dem Verfahren des Stanznietens kombiniert.

Dies dient im Wesentlichen der Steifigkeitserhöhung, aber auch der

Unterbindung der elektrochemischen Korrosion. Ein abgewandeltes

Verfahren stellt das so genannte Klebstoff-Finish dar. Hier werden

durch das Design vorgegebene, sichtbare und im Außenhautbereich

liegende Fügestellen derart egalisiert, dass bespielsweise ein aus

mehreren Bauteilen zusammengefügtes Aluminium-Bauteil einteilig

und somit anmutender erscheint. Grundsätzlich unterscheidet man:

Festigkeitskleber,

Stützkleber,

Klebstoff-Finish,

Abdichtungskleber und

Scheibenkleber.

Das Kleben ist jedoch in der Serienfertigung der Karosserie nur be-

grenzt einsetzbar, da verfahrensspezifische Größen wie das Aufbringen,

die Offenhaltezeit und die Aushärtezeit des Klebstoffes berücksichtigt

werden müssen. Die damit verbundenen Eigenschaften verhindern

vor allem den solitären Einsatz an Verbindungsstellen, die während

des Gesamtprozesses der Montage beeinflusst werden könnten (z.B.

Anlagendynamik, fehlende Stabilität in der weiteren Fügefolge).


Laserschweißen

Mit dem Einsatz des Laserschweißens besteht die Möglichkeit, weitere

Gewichtspotenziale durch Reduzierung der Flanschbreite der zu ver-

bindenden Bauteile zu erschließen. Da ein von ThyssenKrupp Drauz

entwickelter Laserschweißkopf verglichen mit dem Widerstandspunkt-

schweißen und dem Stanznieten einen wesentlich geringeren Füge-

stellenbauraum benötigt, ist eine Verringerung der Flanschgeometrie

bis zu 40 % möglich. Zur Erzielung qualitativ hochwertiger Schweiß-

nähte ist es dabei unerlässlich, dass zwischen den zu fügenden be-

schichteten Blechen ein definierter Entgasungsspalt vorhanden ist.

Der neu entwickelte Laserschweißkopf bietet die Möglichkeit, das

exakte örtliche Spannen der Bauteile an der Fügestelle, aber auch

die definierte prozessparallele Entgasung zu sichern. Damit können

an beschichteten Blechen Schweißnähte ohne Porenbildung und

Schmelzauswurf realisiert werden. Der von ThyssenKrupp Drauz ent-

wickelte Laserschweißkopf ist sowohl bei Stahl als auch bei Alumi-

nium einsatzfähig.


Bild 6 |Aluminium-Vorderbau des BMW E60, grau: Aluminium, blau: Stahl

Trends im Fokus des Leichtbaus

Aus Sicht technischer und wirtschaftlicher Erwägungen wird künftig

die reine Schalen- bzw. Space-Frame-Bauweise zunehmend durch

eine Mischbauweise (Hybrid-Bauweise) ersetzt. Die Weiterentwicklung

moderner Fügeverfahren sowie Klebemöglichkeiten zur Korrosions-

unterbindung unterstützen das Verbinden verschiedener Materialien

in immer umfangreicherem Maße.

Vor diesem Hintergrund wurde beispielsweise für die Rohkarosserie

des BMW E60 | Bild 6 | ein hybrides Werkstoffleichtbaukonzept in

Serie umgesetzt. Um der Balance aus Gewicht, Festigkeit und Kosten

zu genügen, wurde hier ausschließlich der Vorderwagen in Aluminium-

bauweise gefertigt.

Um den Vorteilen des Leichtbaus besser gerecht werden zu kön-

nen, müssen für die Produkt- und Prozessgestaltung zukünftig noch

differenziertere Randbedingungen gesetzt werden. Wichtig für ein

optimales Ergebnis mit dem Fokus Leichtbau ist, dass sich der Ent-

wickler hinsichtlich der Funktions-, Kosten- und Gewichtsanforde-

rungen optimal positioniert.

Vorderansicht Rückansicht


44 |

Verbundplattenbauweise für

Leichtbau-Fahrzeugkonstruktionen

BRUCE N. GREVE (MENG) Manager, Product Technology | ThyssenKrupp Budd Technology and Innovation Center, Auburn Hills/USA

|Zielanwendungen für Verbundplatten im Autokarosseriebau


Einführung

Die Herstellung leichterer Automobile bietet die Möglichkeit eines

verringerten Energie- und Materialverbrauches. Die Herausforderung

der Automobilkonstrukteure besteht darin, sicherzustellen, dass die

Anforderungen an Funktion und Leistung bei der Suche nach einer

Leichtbauweise nicht unwissentlich beeinträchtigt werden. Es gibt

prinzipiell zwei Methoden für eine Senkung des Fahrzeuggewichtes:

Änderung der Bauweise und Ersatz von Materialien. In diesem Artikel

werden die potenziellen Vorteile eines Einsatzes von Verbundstoffen

als Ersatz für herkömmlichen Einschichtstahl oder Aluminium in Auto-

karosseriekomponenten geprüft. Beanspruchte Außenflächenverbund-

platten stellen eine der rationellsten Bauweisen hinsichtlich der Steifig-

keit pro Gewichtseinheit dar. Bei Autokarosserien hängt die Auslegung

zumeist eher von Steifigkeitsforderungen als von der Festigkeit ab.

Neben natürlichem Geräuschdämpfungsvermögen und Wärmedäm-

mungseigenschaften bieten Verbundplatten erhebliche Verbesserun-

gen bei der Verringerung des Fahrzeuggewichtes und der Anzahl von

Bauteilen sowie der Rationalisierung des Karosseriemontageverfahrens.

Verbundplatten

Eine konstruktive Verbundplatte ist eine Baugruppe aus einem leichten

Kern zwischen zwei relativ dünnen, starken Stahlblechen | Bild 1 |. Ein

solcher Zusammenbau bietet hohe Festigkeit und Dämmqualitäten

bei geringem Gewicht.

Die Verbundbauweise ist bei richtigem Einsatz ein äußerst wirksames

Verfahren, steife, leichte und wirtschaftliche Strukturen zu erzeugen.

Bei rein seitlicher Belastung oder bei Axialkräften können sie mit be-

währten Formeln entworfen werden. Allerdings wird die Analyse weitaus

komplexer, wenn Biegebelastungen auftreten. Axiale Kräfte werden in

einer strukturellen Verbundplatte durch Verdichtung in den Stahlblechen

aufgefangen, das Kernmaterial stabilisiert dabei gegen ein Abknicken.

Widerstand gegen Biegemomente erfolgt durch ein Kräftepaar in den

Stahlblechen, Scherkräfte leitet der Kern ab. Die gesamte Baugruppe

bildet eine Einheit von überraschender Festigkeit und Steifigkeit bei

äußerst niedrigem Gewicht. Die Wirkung ist in | Bild 2 | ersichtlich. Mit

zunehmender Dicke des Kernmaterials erhöhen sich die Biegefestig-

keit und insbesondere die Steifigkeit. Eine Verdoppelung der Dicke

(bei gleichem Gewicht wie ein Monoschichtmaterial) ergibt eine 6-fache

Erhöhung der Festigkeit und eine 12-fache Erhöhung der Steifigkeit.

Eine erneute Verdoppelung der Dicke bei immer noch gleichem Gewicht

bewirkt eine Festigkeitssteigerung gegenüber der Monoschicht um das

12-fache und die Steifigkeit erhöht sich um das 48-fache der Steifigkeit

eines Nicht-Verbundmaterials.

Konstruktionsingenieure wissen schon lange, dass eine Dicken-

vergrößerung große Zunahmen an Festigkeit und Steifigkeit bewirkt.

Dies ist das Prinzip, das sich Doppel-T-Träger zu Nutze machen. Wie in

| Bild 3 | gezeigt, entsprechen die Außenbleche des Doppel-T-Trägers

den oberen und unteren Decklagen. Zu erkennen ist, dass der Steg

Verbundplattenbauweise für Leichtbau-Fahrzeugkonstruktionen | 45

Bild 1 | Basisverbundplatte Bild 2 | Vergleich der Biegefestigkeit für unterschiedliche Kerndicken

StahlblecheKern

Einfaches Stahlblech (1 t) Verbundplatte (2 t) Verbundplatte (4 t)

1 1 1 1

6

12

1

12

48

Gewicht Festigkeit Biegesteifigkeit


46 | Verbundplattenbauweise für Leichtbau-Fahrzeugkonstruktionen

des Doppel-T-Trägers relativ dünn und somit auch leicht ist. Ebenso

sind die Kernmaterialien im Allgemeinen viel leichter als die Außen-

blechmaterialien. Die Zunahme der Steifigkeit bei Doppel-T-Trägern

und Verbundstoffen ist prinzipiell eine Funktion der Distanz zwischen

den Außenblechen und nicht der Beschaffenheit des Steges, voraus-

gesetzt, gewisse umfassende Parameter bleiben erhalten.

Es gibt einen wichtigen Unterschied zwischen Doppel-T-Trägern

und Verbundstoffen. Wirkt auf den Verbundstoff eine Kraft in z-Richtung,

so wirkt diese Kraft über die Gesamtoberfläche des Kernes und ver-

ringert somit die Belastung an einem einzelnen Ort. Doppel-T-Träger

sind weitaus weniger in der Lage, Kräfte abzuleiten. Weil sich zudem

die Kraft verteilt, muss das Kernmaterial nicht derart starr oder fest

sein, wie es in einem Doppel-T-Träger notwendig ist. Mit anderen

Worten: Die Mischung aus Deckschichten und Kernmaterial verfügt

bei richtiger Zusammenfügung über eine viel größere Steifigkeit und

Festigkeit als die Materialien für sich. Es handelt sich somit in der Tat

um eine synergistische Hybridstruktur.

Die Konstruktionsfrage ist somit: Welche Materialien sollen für

die Außenbleche zum Einsatz kommen und wie sind Typ und Größe

des Kerns zu gestalten? Angenommen, dass eine Gesamtdicke in

z-Richtung vorgegeben ist, dann verringert eine stärkere Dicke des

Kernmaterials das Gewicht. Im Allgemeinen senkt ein erhöhter Einsatz

von Kernmaterial an Stelle von Deckblech die Kosten, da Kerne üb-

licherweise kostengünstiger als Außenbleche sind, wenn man die

Dicke als Maßstab nimmt. Allerdings führt bei konstanter Gesamtdicke

eine Erhöhung der Kerndicke und Verringerung der Dicke der Außen-

bleche zu geringerer Festigkeit und Steifigkeit in x-y-Richtung. Die

Optimierung dieser Komponentendicken ist eindeutig ein Kompromiss,

der für jede Anwendung erneut zu entscheiden ist.

Stahl-Verbundmaterial

Bisher wurden Verbundstrukturen allgemein und weniger spezifische

Kern- oder Deckschichtmaterialien betrachtet. Einige Kerneigenschaften

sind für das Verhalten der Gesamtverbundstruktur entscheidend, an-

dere Kerneigenschaften sind weniger wichtig, könnten aber Vorteile

bei der Materialauswahl für gewisse Anwendungsfälle bringen. Die

verbreitetsten Kernmaterialien können in vier allgemeine Typen ein-

geteilt werden: Balsaholz, Schaum, Wabenbauweise und stitchge-

schweißte bzw. zusammengepresste Materialien. Innerhalb jeder dieser

Kategorien gibt es bestimmte Typen, die unterschiedliche Eigenschaf-

ten besitzen. Jeder Typ zeichnet sich durch bestimmte Vor- und Nach-

teile aus.

Die Beschaffenheit des Kernes ist wichtig für die Bestimmung der

Bruchfestigkeit der Verbundstruktur. Sicherlich muss das Kernmate-

rial der in z-Richtung wirkenden Kraft standhalten können. Daher ist

es wichtig, dass die Kernmaterialien in z-Richtung fest und steif sind.

Die üblichen Kernmaterialien sind in Steifigkeit und Festigkeit im

Allgemeinen annehmbar, aber ein vernünftiger Konstrukteur würde

Verbundstrukturen für eine Prüfung zusammenstellen und auf die

voraussichtlich größtmögliche Belastung in z-Richtung hin auslegen.

Eine andere wichtige strukturelle Eigenschaft ist die Fähigkeit des

Kernmaterials, Lasten in x- und y-Richtung zu widerstehen. Da die

gesamte Verbundstruktur verklebt ist, bewirken Kräfte aus x- und y-

Richtung im Kern potenzielle Scherkräfte und Ausbeulen. Dies ver-

schlechtert sich mit zunehmender Dicke des Kernmaterials.

Das Kernmaterial muss offensichtlich viele Funktionen erfüllen.

Es gibt strukturelle Anforderungen und eine Vielzahl anderer Eigen-

schaften, die durch die jeweiligen Einsatzbedingungen vorgegeben

sind. Neben den erwähnten Eigenschaften müssen bei der Auswahl

des Kernmaterials die folgenden Umgebungsbedingungen berück-

sichtigt werden:

Wasseraufnahme: Einige Kernmaterialien haben die Neigung,

Wasser zu absorbieren. Ein diesbezügliches Problem ist Wasser-

einschluss, sogar wenn das Kernmaterial selbst kein Wasser ab-

sorbiert. Das Wasser kann das Verhalten durch Gewichtserhöhung

und verminderte Festigkeit ungünstig beeinflussen.

Temperatur: Wärmebedingter zeitlicher Abbau des Kerns ist möglich

und muss bei bei hohen Temperaturen berücksichtigt werden.

Wärmefestigkeit und Zähigkeit sind gleichzeitig schwer zu errei-

chen. Vorteil der meisten Kernmaterialien sind deren Fähigkeit

hinsichtlich der Wärmedämmung. Folglich kommen Verbundstruk-

turen immer dann zum Einsatz, wenn eine thermische Isolierung

erforderlich ist.

Entflammbarkeit: Einige Automobilanwendungen stellen hohe Anfor-

derungen an die Entflammbarkeit. Dazu kommen oft Forderungen

bezüglich Rauchentwicklung und Giftigkeit. Einige Kernmaterialien

sind besonders geeignet, wenn es um Feuerfestigkeit und geringe

Rauchentwicklung geht.

Stahl

Schaumkern

Stahl


Geräusch- und Schwingungsdämpfung: Die meisten Kernmate-

rialien sind ausgezeichnete Schalldämpfer. Innerhalb der Auto-

mobilwelt sind Lärm und Schwingungen die Hauptprobleme für

Kunden. Verbraucherumfragen ergaben, dass unerwünschter

Motoren- und Straßenlärm die häufigsten Kunden beanstandungen

sind. Da die Leistung eines Motors und die Kundenzufriedenheit

mit der Kraftübertragung einen Großteil der Gesamtzufriedenheit

mit dem Fahrzeug darstellen, sollten Verbesserungen auf diesem

Gebiet Vorrang haben. Die Eigenschwingung des Kernes ist ein

Schlüsselbestandteil bei der Dämpfung von Schwingungen, aber

auch die gesamte Struktur hat Eigenschwingungen die bestimmt

werden müssen. Im Regelfall ist die gesamte Struktur zu testen.

Im Gegensatz zum Kern sind die Auslegungsanforderungen für die

Außenbleche um einiges einfacher. Außer der Korrosionsbeständigkeit

müssen die Bleche über eine hohe Festigkeit verfügen, um die Zug-

und Drucklasten zu bewältigen, die auf sie übertragen werden.

Herstellung von Verbundstrukturen

Die vielen wünschenswerten Eigenschaften von Verbundstrukturen

haben deren allgemeine Verbreitung in Wasser- und Luftfahrtanwen-

dungen gefördert. Allerdings werden die herkömmlichen Herstellungs-

verfahren üblicherweise in Kleinserien angewandt und sind kosten-

intensiv in Bezug auf Lohn und Material. In den meisten Verfahren

erfolgt die Fertigung der Außenbleche und des Kerns getrennt, um


sie anschließend zusammen zu kleben. Dies erfolgt mit einem Klebe-

film, der zwischen den Außenblechen und dem Kern aufgebracht

wird. Der Klebstoff muss stark genug sein, um die Last von Seiten-

kräften auf die Deckbleche zu übertragen und einer Ablösung der

Oberfläche vom Kern entgegen zu wirken. Erfahrungen haben gezeigt,

dass zähe Klebstoffe am besten arbeiten, da sie sich geringfügig aus-

dehnen können, um kleinere Verschiebungen aufzunehmen, ohne zu

brechen. Der Klebefilm muss dick genug aufgebarcht werden, um

über die gesamte Oberfläche eine gute Verbindung herzustellen, aber

nicht so dick, dass dort eine Sollbruchstelle entsteht. Ein einwand-

freier gleichmäßiger Klebefilm ist die wichtigste Voraussetzung bei der

Fertigung einer herkömmlichen Verbundstruktur. Eine schlechte Klebe-

verbindung kann zu einer herabgesetzten Festigkeit der Struktur oder

noch gravierender zu einem Versagen führen. Im Allgemeinen sind

die herkömmlichen Methoden zur Herstellung einer Verbundstruktur

für Automobile zu kostspielig, langsam oder unpraktisch, es sei denn,

es handelt sich um völlig exotische Anwendungen.

Im ThyssenKrupp Budd Technology and Innovation Center wurden

Methoden untersucht, die den Einsatz leichter Verbundmaterialien in

Großserien-Automobilanwendungen ermöglichen. Üblicherweise

sind Kosten in dieser Branche die wichtigste Antriebskraft, daher

müssen die Materialien günstig und die Verfahren effizient, unempfind-

lich und leicht zu automatisieren sein. | Bild 4 | zeigt eine Verbund-

platte, bestehend aus einem leichten Kern mit dünnen Stahlaußen-

Bild 3 |Doppel-T-Träger im Vergleich mit Verbundkonstruktionen Bild 4 |

Stahl-/Schaumkern-Verbundkonstruktion mit einer Biegefestigkeit vergleichbar mit der

von Aluminiumblechen

KernSteg Aluminium –typische Blechdicke

Gewichtsverhältnis

0,94 mm 0,5 mm1,1 mm

0,3 mm

Außenbleche

Außenbleche

0,3 mm Stahl

1,00 0,87

Z

X

ä

ä


48 | Verbundplattenbauweise für Leichtbau-Fahrzeugkonstruktionen

blechen, welche die gleiche Biegefestigkeit wie ein festes Aluminium-

blech hat, jedoch eine Gewichtsersparnis von 13 % gegenüber Alu-

miniumblechen bringt. Mit der richtigen Dichte des Kernmaterials und

der richtigen Dicke von Stahldeck blechen ist es möglich, eine Stahl-

Verbundplatte zu spezifizieren, die mindestens so leicht wie Aluminium-

blech bei größerer Steifigkeit ist. Somit bieten Verbundmaterialien die

Möglichkeit der Konstruktion von Komponenten mit dem geringen

Gewicht von Aluminium, aber mit größerer Steifigkeit. Potenzielle

Anwendungen für Automobile sind:

vordere und hintere Bodengruppen,

Verkleidungen für Lüftungssysteme,

Stirnwände,

Radkästen,

Kofferraum und Ersatzreifenmulden,

Dachbleche sowie

Tür- und Motorhaubeninnenbleche.

Weitere Vorteile von Verbundkonstruktionen

Verbundplatten können wie jeder andere Stahl geschweißt und

lackiert werden. Daher sind sie die erste Wahl für leichte Karosserie-

außenbleche. Der Außenlärm dringt somit nicht ins Fahrzeuginnere.

Für resonanzanfällige Anwendungen können Verbundmaterialien

Motorgeräuschqualitäten schaffen, die zum Charakter des Fahr-

zeuges passen und das Qualitätsgefühl weiter steigern.

Die natürlichen Dämm- und Wärmeisolierungseigenschaften von

Verbundplatten beseitigen die Mühe und das Gewicht kostspieliger

Geräuschdämpfungsmaßnahmen und bieten die Möglichkeit zur

Reduzierung der Unterbodenbauteile durch Reduzierung der notwen-

digen Auspuff- und Motorwärmeabschirmungen. Die Vorteile sind

Gewichtssenkung, Verringerung der Systemkosten und Verkürzung

der Montagezeit.

Der große offene Bereich von Kofferräumen und Ladeflächen bei

Vans und SUVs (Sport Utility Vehicles) kann zu geräuschvollem

Dröhnen führen und niedrige Frequenzen können durch Mitschwin-

gen von großen Karosserieblechen verursacht werden. Verbund-

platten können bedeutende Verbesserungen in diesen Bereichen

herbeiführen.

Verfahrensentwicklung

Der Schlüssel zur Fertigung der oben genannten Komponenten ist

das Formverfahren. Von den herkömmlichen Verbundfertigungsver-

fahren abweichend hat das ThyssenKrupp Budd Technology and

Innovation Center empfohlen, eine verbesserte Wirtschaftlichkeit da-

durch zu erzielen, dass das Formen der Außenflächen und das Ver-

kleben des Kerns gleichzeitig und mit demselben Werkzeug stattfindet.

Um diese Aufgabe durchzuführen, wurde ein Verfahren entwickelt, das

auf dem Doppelblech-Innenhochdruck-Umformprinzip beruht. Die

wesentliche Vorgehensweise bei diesem Verfahren ist wie folgt:

Bild 5 |1. Schritt: Zwei 0,3-mm-dicke Stahlbleche werden in der Form positioniert. Bild 6 |

2. Schritt: Das verflüssigte Kernmaterial wird in den Raum zwischen

den Stahlblechen eingespritzt.

Zwei 0,3 mm Stahlbleche

MikrosphärischerGlasfaserverbundwerkstoff

Erwärmte Form


Zwei dünne Stahlbleche werden in der Form positioniert. Die Form

wird geschlossen, eine standardmäßige hydraulische Presse um-

klammert die dünnen Stahlbleche und formt sie teilweise vor | Bild 5|.

Das verflüssigte Kernmaterial wird in den Raum zwischen den Stahl-

blechen mittels konventionellem Spritzgießen oder RRIM(Rein-

forced Reaction Injection Moulding)-Anlage eingespritzt. Der durch

das Einspritzen des Kernmaterials verursachte Druck veranlasst die

Stahlflächen den Umrissen des Formwerkzeuges zu folgen. In vor-

bestimmten Bereichen werden die zwei Stahlflächen mithilfe von

Schlitten im Werkzeug zusammengepresst. Diese Bereiche werden

später beim Punktschweißen verwendet | Bild 6 |.

Die beheizte Form beschleunigt eine chemische Reaktion, die das

Kernmaterial erstarren lässt. Nach dem Aushärten wird die Form

geöffnet, die gebildete Verbundplatte herausgenommen und in

einer konventionellen Schneidanlage zugeschnitten | Bild 7 |.

Ein Beispiel für das Doppelblechformverfahren in kleinem Maßstab ist

in | Bild 8 | gezeigt. Dieses Teil ist ungefähr 300 mm x 450 mm x 3 mm

groß. Es wurde durch Spritzgießen von syntaktischem Schaum mit einer

Dichte von 0,5 kg/m

3

zwischen 0,3-mm-dicke Stahlaußenbleche in

einer Probeform geformt, die im ThyssenKrupp Budd Technology and

Innovation Center hergestellt wurde. Dieses Probeteil beweist die Durch-

führbarkeit des Konzeptes und die Fähigkeit zur Fertigung geformter

Details auf einer gestalteten Oberfläche.

Ergebnis

Verbundkonstruktionen bieten eine hohe Steifigkeit und ein niedriges

Gewicht und sind ein inhärenter Geräusch- und Wärmedämmstoff.

Die Verbindung dieser Vorteile mit einem einstufigen Formverfahren

macht dies zu einem idealen System für bestimmte hochwertige Auto-

mobilkomponenten. Die künftige Arbeit konzentriert sich auf die Ent-

wicklung des syntaktischen Schaumkernmaterials und darauf, die

physischen und mechanischen Eigenschaften sowie die Lebensdauer

von Stahl-Verbundplatten zu ermitteln.


Bild 7 |3. Schritt: Nach dem Aushärten des Kernmaterials wird die gebildete Verbund-

platte herausgenommen und auf die endgültige Größe geschnitten.

Bild 8 |Probeplatte und Querschnittsansicht


50 |

|Die gebaute ThyssenKrupp Presta Nockenwelle

Leichtbauweise im Motorenbau am Beispiel

der Nockenwelle

DR. TECHN. PETER MEUSBURGER Entwicklungsleiter | ThyssenKrupp Presta AG, Eschen/Liechtenstein


Einleitung

Leichtbauweise ist eine seit langem bestehende Forderung an Fahr-

zeug- und Motorenentwickler. Ihre Bedeutung hat in den letzten

Jahren immer mehr zugenommen. Sie steht in jedem Lastenheft an

vorderer Stelle und gehört zusammen mit dem Kraftstoffverbrauch

und den Schadstoffemissionen zu den beherrschenden Themen bei

der Entwicklung von Antriebssystemen. Automobilhersteller haben

an Pkw nachgewiesen, dass eine Reduktion der Fahrzeugmasse von

100 kg je nach Fahrzeugtyp zu einer spürbaren Kraftstoffeinsparung

von mehreren Zehntellitern auf 100 km führt. Dabei hat der Ort im

Fahrzeug, an dem Masse reduziert wird, einen wesentlichen Einfluss.

Bei rotierenden Massen und hohen Drehzahlen fällt der Effekt der

Leichtbauweise deutlicher aus als bei unbewegten Teilen.

Die konsequente Umsetzung der Leichtbauweise in der Automobil-

industrie hat die Einführung und die Marktdurchdringung der gebauten

Nockenwelle von ThyssenKrupp Presta nachhaltig unterstützt. Bei der

gebauten Ausführung werden die Nocken auf das Trägerrohr mittels

eines von ThyssenKrupp Presta patentierten Fügeverfahrens montiert.

Bei optimaler Gestaltung sind Gewichtseinsparungen von mehr als

30 % gegenüber herkömmlich gegossenen oder geschmiedeten

Nockenwellen möglich. Bei der Markteinführung vor 10 Jahren konnte

am damals bestehenden Serienmotor (Ford Duratec, 6 Zylinder) mit

vier oben liegenden Nockenwellen die Gesamtmasse um 3,2 kg ge-

senkt werden.

Aufgrund der höheren Fertigungspräzision der gebauten Nocken-

welle ergibt sich der Gewichtsvorteil nicht nur allein aus der hohlen

Basiswelle. Auch die Breite der Nockenlaufflächen kann exakter auf

das geforderte Mindestmaß ausgelegt werden, sodass bei der Nocken-

dicke kein zusätzliches Material vorgehalten werden muss. In gleicher

Weise sind alle anderen Nockenwellenkomponenten wie Sensorring,

Endzapfen, Kettenrad etc. zu betrachten.

Leichtbauweise im Motorenbau am Beispiel der Nockenwelle | 51

Neben der reinen Gewichtsreduktion sind durch die Herabsetzung

der bewegten Massen noch weitere Vorteile zu nennen. Wegen der

geringeren Reibungsverluste und der niedrigeren Massenträgheit

benötigt die gebaute Nockenwelle ein kleineres Antriebsmoment, was

zur Senkung des Kraftstoffverbrauches beiträgt. Zudem bedeutet

weniger Reibung auch weniger Verschleiß und damit eine längere

Lebensdauer. Der geringere Materialeinsatz führt überdies im Ver-

gleich zur Massivbauweise zu Kostenvorteilen, die bei den derzeitigen

Stahlpreisen nicht unerheblich sind.

Leichtbaumaßnahmen an der gebauten Nockenwelle

Obwohl sich die gebaute Nockenwelle gegenüber der gegossenen

oder geschmiedeten Variante bereits durch einen deutlichen Gewichts-

vorteil auszeichnet, können auch hier noch Optimierungen vorge-

nommen werden. Folgende Überlegungsansätze zum Leichtbau sind

zu unterscheiden:

Gestalt- und Formgebungsleichtbau,

Miniaturisierung,

Verwendung von alternativen Werkstoffen mit niedriger Dichte und

Vereinfachung/Elimination von Bauteilen.

Optimierungspotenziale lassen sich in erster Linie bei der Gestalt-

und Formgebung finden. Hier sind die bei einer Nockenwelle immer

wiederkehrenden Komponenten Wellenrohr und Nocke zu betrachten.

Optimierung der Wandstärke des Wellenrohres

Die Reduktion der Rohrwandstärke ist nicht so trivial wie es zunächst

den Anschein hat. Die Wanddicke des Trägerrohres hat entscheiden-

den Einfluss auf die Gesamtsteifigkeit und das dynamische Verhalten

der Nockenwelle. Sie kann daher nicht beliebig reduziert werden.

Vielmehr sind vorab Detailüberlegungen durchzuführen. Genaue

Kenntnisse des Montage- und Fertigungsprozesses sowie der Betriebs-

belastungen im Motor sind unverzichtbar.

52 | Leichtbauweise im Motorenbau am Beispiel der Nockenwelle

und damit einen geometrischen Verzug sowie einen ungünstigen

Eigenspannungszustand der Nockenwelle zu verhindern, muss die

Wärmeenergie so rasch wie möglich abgeführt werden. Da Stahl eine

wesentlich höhere Wärmeaufnahme- und -leitfähigkeit als Luft auf-

weist, muss ausreichend Material für diesen Vorgang vorhanden sein.

Ansonsten müssten die Schleifabträge verringert werden, wodurch

Taktzeitverluste und Zusatzkosten entstehen würden. Maßnahmen

zum Leichtbau müssen aber in der Großserienfertigung mindestens

kostenneutral, noch besser aber kostensenkend sein.

Neben den Belastungen, die beim Herstellprozess der Nockenwelle

mit dünnwandigem Trägerrohr zu beachten sind, muss das erzeugte

Endprodukt auch den Betriebsbedingungen im Motor standhalten

können. Hier gilt es, nicht nur den reinen Festigkeitsnachweis am

Einzelbauteil zu erbringen. Ebenso ist eine Funktionsanalyse der

Nockenwelle im Zusammenwirken mit dem gesamten Ventiltrieb durch-

zuführen. Es gilt unter anderem, das Eigenfrequenzverhalten zu ermitteln


Bild 1 | Simulation des Fügevorganges

Schnittkanten der Welle und Nabe mit rotationssymetrischer Randbedingung

Verschieben der Nocke

Stirnfläche der Welle in y-Richtung gelagert

Rohrsegment

Nockensegment

Zunächst sind die fertigungstechnischen Grenzen bei der Verringe-

rung der Rohrwandstärke zu untersuchen. So erfährt das Rohr beim

Fügen der Nocken und anderer Komponenten eine Axialkraft, wodurch

die Welle auf Knickung belastet wird. Aufpresskräfte von über 30 kN

müssen über die Rohrwandstärke mit ausreichender Sicherheit aufge-

nommen werden können.

Bei der Nockenmontage – dem Rollieren des Rohres und Setzen

der Nocken – entsteht in der Fügezone eine kraft- und formschlüssige

Verbindung. Der Presssitzanteil basiert auf der Fugenpressung zwischen

Rohr und Nocke. Diese Radialspannungen können vom Rohr nur bei

ausreichender Steifigkeit aufgenommen werden. Die radiale Einschnü-

rung des Rohres entlang der Fügezone darf daher beim Montagevorgang

einen zulässigen Grenzwert nicht überschreiten | Bild 1 |.

Nach der Montage wird die Nockenwelle an den Lagern und Nocken

geschliffen. Beim Abtragen des Schleifaufmaßes entsteht Wärme,

die zum Teil in das Werkstück abgegeben wird. Um einen Wärmestau

Z

Y

X

ModellabgleichPraxis Theorie



Bild 3 |Prinzipielles Ablaufschema der Festigkeits- und FunktionsanalyseBild 2 |

Versuchs-/Messaufbau: Zylinderkopf mit gewichtsoptimierter

Nockenwelle

Messung der relevanten Eingangsgrößenam Zylinderkopfprüfstand

Finite-Elemente-Modell NockenwelleFestigkeitsbetrachtung

Mehrkörper-VentiltriebsmodellFunktionsanalyse

Dauererprobung

sowie die Auswirkungen von Verformungen und Schwingungen an

der Nockenwelle auf benachbarte Bauteile zu analysieren und zu

bewerten | Bild 2 |. In | Bild 3 | ist das Ablaufschema dieser Vorge-

hensweise – der Kombination von theoretischen Berechnungen und

empirischen Versuchen sowie der Rückkopplung von Messergebnis-

sen in das Simulationsmodell – dargestellt. Das mit großem Versuchs-

und Berechnungsaufwand erstellte Simulationsmodell kann auf ande-

re Ventiltriebssysteme angepasst werden. Somit lässt sich der zeitli-

che und finanzielle Rahmen für empirische Versuche und Tests an

anderen Nockenwellen stark reduzieren.

Modifikation der Nockengestalt

Bisher werden die Nocken bei ThyssenKrupp Presta in massiver Bau-

weise durch Warmfließpressen hergestellt. Die Sinternocke stellt bei

Tassenstößelabgriff (Gleitreibung) und Hertz´schen Pressungen bis

ca. 900 MPa eine Alternative dazu dar.

Bei der Gestaltgebung sind zum einen die Anforderungen an das

Bauteil sowie die wirtschaftliche und prozesssichere Herstellbarkeit zu

berücksichtigen. Die Nocke erfährt ihre höchste Belastung im so ge-

nannten Erhebungsbereich, d.h. dort, wo das Ventil geöffnet und

wieder geschlossen wird. Die Kraft wird vom Abgriffelement (Rolle

oder Tasse) in der Regel zentral in der Mitte der Nockenlauffläche

eingeleitet. Im Bereich des Grundkreises gegenüber der Nockenspitze,

wo das Ventil nicht bewegt wird, sind die Belastungen wesentlich

geringer, d.h. nahezu null.

| Bild 4 | zeigt, wie durch Verjüngung des Nockensteges Material

und Gewicht eingespart werden können. Der Kraftfluss durch die einge-

leitete Kontaktkraft F verläuft bei dieser Ausformung unproblematisch.

Durch den schmaleren Nockensteg verkleinert sich zwar die Füge-

fläche zwischen Nockenbohrung und Trägerrohr, die dynamische Ver-

drehsicherheit der Nocke unter Betriebslast ist aber immer noch mehr

als ausreichend.

Bei Sinternocken sind aufgrund des Herstellverfahrens noch „abge-

specktere“ Bauformen (Stufe 2) möglich | Bild 5 |. Die Nockenlauffläche

bleibt im Erhebungsbereich zunächst konstant und läuft dann zum

Grundkreis hin keilförmig zusammen. Am Grundkreis, wo die mecha-

nischen Belastungen am niedrigsten sind, ist die Laufbreite bzw. die

Verschleißfläche am kleinsten.

Bau von Grenzmusterprototypen

Test VentiltriebsdynamikFestigkeits- und Funktionsnachweis

ä ä

der Trend neben Leichtbau verstärkt auch in Richtung „Platz sparen“.

Bauraum ist ein wichtiges Bewertungskriterium für die Motorenkon-

struktion. Bei der Verringerung des Lagerdurchmessers ist allerdings

zu beachten, dass Torsions- und Biegesteifigkeit des Wellenrohres mit

der 4. Potenz des Durchmessers steigen bzw. fallen. Insofern sind die

Optimierungspotenziale hinsichtlich Leichtbauweise sehr schnell aus-

geschöpft.

Verwendung leichterer Werkstoffe

Aluminium und Magnesium werden in der Automobilindustrie vermehrt

als metallische Konkurrenzwerkstoffe zu Stahl eingesetzt. Ihr größter

Vorteil besteht in der geringeren Dichte. Es können aber auch eine

Reihe von Nachteilen aufgezählt werden. Hinsichtlich ihrer mecha-

nischen Eigenschaften, wie E-Modul und Zugfestigkeit, sind sie dem

Werkstoff Stahl unterlegen. An Lager- und Nockenlaufflächen werden

hohe Anforderungen bezüglich Härte und Verschleißfestigkeit gestellt,

die mit diesen beiden Werkstoffen nur schwer oder gar nicht abbildbar

sind. Der sinnvolle Einsatz von Aluminium und Magnesium beschränkt


54 | Leichtbauweise im Motorenbau am Beispiel der Nockenwelle

Bild 4 |Materialeinsparung durch beidseitige Verjüngung

(2 x t) des Nockensteges

Bild 5 |Leichtbaunocke – Stufe 2

Nockensteg

F

t t

Noch höhere Materialeinsparungen werden erreicht, wenn die

Nockendicke einen kontinuierlichen, keilförmigen Zulauf von der

Nockenspitze zum Grundkreis hin aufweist. Im Vergleich zur Stufe 2

könnte nochmals je nach Nockentyp 8 bis 12 % Materialvolumen

eingespart werden. Diese Variante ist allerdings wegen der bereits in

der hochbelasteten Nockenflanke stattfindenden Verjüngung der

Nockenlauffläche als problematisch anzusehen.

Neue Nockenwerkstoffe und –bauformen werden bei ThyssenKrupp

Presta unter ‘Worst Case’-Bedingungen auf so genannten Einzel-

nockenprüfständen | Bild 6 | getestet . Es ist sicherzustellen, dass das

Serienprodukt trotz Leichtbauweise auf einem robusten, zuverlässigen

Design aufbaut und selbst unter den extremsten Betriebsbedingungen

kein Schadensfall auftritt.

Miniaturisierung

Durch die Verkleinerung des Lagerdurchmessers der Nockenwelle

sowie des Nockengrundkreises kann neben dem Gewicht auch die

Motorbauhöhe reduziert werden. Bei modernen Motoren geht heute

Z

Y

X

Z

Y

X

Z

Y

X

Z

Y

X


sich daher auf Bauteile, die weniger oder auf eine andere Weise belas-

tet werden. Ferner ist zu erwähnen, dass bei der Primärerzeugung von

Aluminium sehr hohe Energiemengen benötigt werden. Dies ist – wirt-

schaftlich und ökologisch betrachtet – ein weiterer Pluspunkt für Stahl.

Die Entwicklung von Kunststoffen wurde in jüngster Zeit sehr stark

vorangetrieben. An Faserverbundwerkstoffe wird gedacht, wenn im

Automobilbau Stahl durch leichtere Materialien substituiert werden

soll. Die Bedingungen für den Einsatz von Kunststoffen im Motorraum

sind jedoch unvorteilhaft. Ein Faserverbundwerkstoff, der sich als

ebenso robust wie Stahl erweist, muss obendrein bezahlbar bleiben.

Bei Kunststoffen ist außerdem die Alterungsbeständigkeit und die

Konstanz der physikalischen und chemischen Eigenschaften über die

gesamte Lebensdauer gesehen eine entscheidende Frage, die es zu

beantworten gilt.

Fazit

Effizienter und kostengünstiger Leichtbau ist in der Nockenwellenferti-

gung auch ohne Verwendung von Leichtmetall oder Kunststoff mög-

lich. Durch optimale Gestaltung lässt sich Material einsparen, ohne auf

Stahl als Grundwerkstoff verzichten zu müssen. Für eine bestehende


Nockenwelle wird in | Bild 7 | beispielhaft das Leichtbaupotenzial auf-

gezeigt. Stahl ist nach wie vor der bedeutendste Werkstoff, der unter

ökologischen und wirtschaftlichen Gesichtspunkten in jeder Hinsicht

gegnüber alternativen Werkstoffen wie Kunststoff oder Keramik, wett-

bewerbsfähig ist.

Literatur:

ThyssenKrupp techforum, Ausgabe Dez. 2003

Das ThyssenKrupp Presta Fügeverfahren, Grundlage der gebauten

Nockenwelle; Prof. Dr. R. Geiger, H. Weissenhorn, Dr. P. Meusburger

VDI-Fachtagung Fellbach bei Stuttgart - Ventiltrieb und Zylinderkopf,

Sep. 2004

Innovation in der Großserie – Die gebaute Nockenwelle von

ThyssenKrupp Presta; C. Nasner, S. Hannig, Dr. P. Meusburger

Versuchsbericht gewichtsoptimierte Nockenwelle IAV Chemnitz;

Dr. M. Berg, R. Großmann

Bild 6 | Prinzipaufbau Einzelnockenprüfstand

Nockenwellen-Ausführung Masse [kg]

herkömmlich gegossene Variante 2,71

gebaute Nockenwelle 1,96

gebaute, gewichtsoptimierte Nockenwelle 1,48

Bild 7 | Leichtbaupotenzial an Nockenwelle (Länge 455 mm, Lagerdurchmesser 24 mm)

Abgriffelement (Tasse/Rolle – austauschbar)

Feder(austauschbar)

ϕ

F, x, x, x

.

...


56 |

Leichtbau im Bereich der Lenkwellen –

Rohr-in-Rohr-Lösungen

DR. SC. TECHN. ETH. CHRISTOPH KLUKOWSKI Leiter Entwicklung Lenkungen | ThyssenKrupp Presta AG, Eschen/Liechtenstein

DIPL.-ING. ETH. RONY MEIER Stv. Leiter Entwicklung Lenkungen | ThyssenKrupp Presta AG, Eschen /Liechtenstein

DIPL.-ING. (FH) JOSEF BOERSMA Leiter Entwicklung Lenkwellen | ThyssenKrupp Presta AG, Eschen /Liechtenstein

DIPL.-ING. CARSTEN MANNECK Leiter Numerische Simulation | ThyssenKrupp Presta AG, Eschen /Liechtenstein

|Neue Leichtbaugeneration: Lenkstrang (oben) und Lenkwelle (unten) von ThyssenKrupp Presta


Einleitung

Innovative Lösungen, Optimierung und Weiterentwicklung sind die

Triebfedern im Fahrzeugbau. Sie bilden das Fundament für Wettbe-

werbsfähigkeit und Markterfolg. Die Geschwindigkeit, mit der die auto-

mobile Entwicklung vorangetrieben wird, nimmt immer mehr zu. Der

Anspruch an außergewöhnliche, maßgeschneiderte Lösungen und

an ein erstklassiges Qualitätsniveau wächst zunehmend – bei optimaler

Kostenentwicklung.

Um die Verringerung des Energieverbrauches fortzuführen, müssen

die zukünftigen Fahrzeuge ein wesentlich geringeres Gesamtgewicht

aufweisen. Eine effiziente Gewichtseinsparung kann jedoch nur dann

realisiert werden, wenn nahezu jedes Bauteil entsprechend im Gewicht

reduziert wird. Als Ziel strebte ThyssenKrupp Presta eine 5 bis 15%ige

Gewichtseinsparung im Lenkungsstrang bei möglichst neutraler Kosten-

entwicklung an. Diese Anforderungen konnten bei gleichzeitig er-

höhten Lastenheftanforderungen bzgl. Verdreh- und Biegesteifigkeit

realisiert werden.

Die neu entwickelte Lenkwelle basiert auf einer so genannten Rohr-

in-Rohr-Lösung. Sie findet zum Beispiel Einsatz in EPS(Electric Power

Steering)-Lenksystemen. Bei solchen Lenksystemen müssen viel

größere mechanische Beanspruchungen der einzelnen Komponenten

berücksichtigt werden. Nach der Regel des schwächsten Gliedes ist

ein besonderes Augenmerk auf die Verbindungstechnik der einzelnen

Komponenten zu richten: Fixe, sichere Gabel-Rohr-Verbindungen sowie

steife, aber leichtgängige Schiebeverbindungen stellen Entwickler im

Hinblick auf Materialien und Fertigungsverfahren immer wieder vor

große Herausforderungen.

Leichtbau im Bereich der Lenkwellen – Rohr-in-Rohr-Lösungen | 57

Bild 1 | Konventioneller Lenkstrang mit gehämmerter Aluminium-Spindel

Leichtbaumaßnahmen an einem Lenkstrang bzw. einer Lenkwelle

Der Lenkstrang einer Lenksäule dient zur Lenkwinkel- und Drehmoment-

übertragung der Fahrersignale vom Lenkrad auf das Lenkgetriebe. Er

besteht im Allgemeinen aus zwei Hauptkomponenten: oberer und un-

terer Lenkstrang (untere Lenkwelle). Bei einer konventionellen Serien-

lösung | Bild 1 | besteht der obere Lenkstrang aus einer gehämmerten

Spindelwelle, einer fließgepressten Profilwelle mit aufgesetzter Gabel

und einer Profil-Kunststoffhülse, die als so genannte Schiebeverbin-

dung dient. Der untere Lenkstrang wird aus einer fließgepressten

Profilwelle inklusive Gabel, einem gesickten Außenrohr mit verstemmter

Gabel und einer Profil-Kunststoffhülse als Schiebeverbindungseinheit

gebildet.

Große Anstrengungen zur Gewichtsreduzierung unternahm das

Unternehmen bereits durch die sehr erfolgreiche Entwicklung der Lenk-

spindeln auf Aluminium-Basis. Dennoch waren weitere Maßnahmen

erforderlich, um den Anforderungen einer erneuten Gewichtsein-

sparung von 20 bis 30 % im Lenkstrang Rechnung zu tragen. Aufgrund

diverser Kundenforderungen wurde der Fokus in der ersten Phase

auf eine neue Leichtbaugeneration des unteren Lenkstranges gelegt.

Die angestrebten Ziele konnten durch den Einsatz von

optimierten Auslegungskriterien,

computergestützter Simulation und

neuen Verbindungstechniken realisiert werden.

Zur Festlegung der Gewichtszielvorgaben diente der aktuelle Lenkwellen-

Entwicklungsstand der produzierten Komponenten. Verschiedenste

Wellen, Außenrohre, Gabeln und Profilhülsen wurden analysiert und

miteinander verglichen. Zudem wurden Benchmarks durchgeführt


58 | Leichtbau im Bereich der Lenkwellen – Rohr-in-Rohr-Lösungen

und die aktuellen Entwicklungsstände den derzeitig in den Fahrzeugen

eingesetzten Lenkwellen gegenübergestellt. Ziel war es, einen Gesamt-

überblick zu erhalten und eine optimale Lenkwelle für die Weiterent-

wicklung zu konstruieren. Für die konstruktive Umgestaltung und den

gezielten Einsatz der Werkstoffe war es erforderlich, die genauen An-

forderungen und Belastungen der einzelnen Bauteile festzulegen. Die

Konstruktion, Berechnung und Erstellung der Prototypen wurde bzgl.

folgender Bauteile durchgeführt:

Innen-Profilrohr,

Außenrohr,

Profilhülse und

Gabel und Gabelanschlüsse.

Innen-Profilrohr der Lenkwelle

Die serienmäßig eingesetzten fließgepressten Profilwellen beeinflussen

neben den Gabeln das Gewicht der Lenkwelle in entscheidendem Maße.

Diese fließgepressten Profilwellen finden als so genannte Schiebewellen

Verwendung. Demzufolge wurde der Schwerpunkt der Entwicklungs-

arbeit auf die Gewichtsreduktion der Welle gelegt. Die Vollwelle mit

einem Kerndurchmesser von 13,4 mm wurde durch ein stranggezo-

genes Profilrohr mit einem Kerndurchmesser von 17,0 mm bei 2 mm

Wandstärke ersetzt | Bild 2 |. Das Gewicht konnte dadurch bei gleich-

zeitig erhöhter Verdrehsteifigkeit auf markante Weise reduziert werden.

Außenrohr der Lenkwelle

Die konventionellen Außenrohre mit einem Außendurchmesser von

25 mm und einer Wandstärke von 2 mm wurden durch Rohre mit

einem Außendurchmesser von 30 mm bei gleicher Wandstärke ersetzt

| Bild 3 |. Es ergab sich eine kleine Gewichtszunahme bei erhöhter

Verdrehsteifigkeit. Das Herstellverfahren des Außenrohres wurde bei-

behalten. Die Sickenwerkzeuge wurden an das neue Profilmaß ange-

passt. Die Außenrohre sowie die stranggezogenen Profilrohre wurden

aus zwei verschiedenen Stahlsorten hergestellt. Bei der Auswahl der

geeigneten Stahl-Legierungen stand nicht die Gewichtsreduktion im

Vordergrund, sondern es galt, den Möglichkeiten der Gabelanbindung

hinsichtlich Festigkeit und Umformgrad Rechnung zu tragen.

Schiebeverbindungs-Profilhülse der Lenkwelle

Die Profilhülse bildet das Verbindungselement zwischen Außen- und

Innen-Profilrohr. Sie muss deren Spielausgleich gewährleisten, das

Drehmoment übertragen und bei geringer Schiebekraft die Längsver-

stellung der Lenksäule ermöglichen. Gerade die EPS-Systeme stellen

sehr hohe Anforderungen an die Kennlinie der Verdrehsteifigkeit.

Diese Anforderungen stehen wiederum im direkten Widerspruch zur

gewünschten leichtgängigen Längsverstellung. Um Entwicklungszeit

und -kosten zu minimieren, wurde die neue Profilhülse unter Verwen-

dung modernster CAE(Computer Aided Engineering)-Tools entwickelt.

Mit Hilfe der numerischen Simulation konnten Toleranzeinflüsse auf-

gezeigt und reduziert werden | Bild 4 |. Bei der neuen Schiebehülse

konnte die Wandstärke um 0,2 mm reduziert werden. Neben dem

herkömmlichen Hülsenmaterial Delrin

®wurde diese neue Hülse auch

für den Hochtemperaturbereich ausgelegt. In diesem Temperatur-

bereich kommt der Werkstoff PEEK (Polyetheretherketon) zum Einsatz.

Gabel und Gabelanschlüsse der Lenkwelle

Für die neue Rohr-in-Rohr-Leichtbaulenkwelle mussten einerseits

wegen der vergrößerten Rohrdimensionen und anderseits wegen

Änderungen der Geometrie der Innenwelle neue Gabeln hergestellt

werden. Für die Verbindung zwischen dem Innen-Profilrohr und der

entsprechend angepassten Gabel wurden neue Werkzeuge konzipiert.

Bild 3 |Konventionelles Außenrohr (oben) und versteifte Variante (unten) Bild 2 | Fließgepresste Profilwelle (oben) und stranggezogenes Profilrohr (unten)

Die Rohr/Gabel-Verbindung konnte mit der bei ThyssenKrupp Presta

erprobten Verbindungstechnik realisiert werden. Für die Verbindung

des Außenrohres mit der Gabel im Falle eines Crashes ergaben sich

zwei Varianten:

ohne Durchgängigkeit des Innenrohres durch die Rohr/Gabel-

Verbindung

eine garantierte Durchgängigkeit bis zum Kreuz des Kardan-

gelenkes, um einen maximalen Crashweg zu gewährleisten.

Die erste Anforderung konnte mit einer bestehenden, leicht abgeän-

derten Gabel realisiert werden. Für die komplette Durchgängigkeit der

inneren Welle galt es jedoch, eine neue Gabel mit passender Verbin-

dungstechnik zu konzipieren. Prototypen wurden hergestellt und

erfolgreich erprobt. In allen beschriebenen Fällen wurde eine leichte

Gewichtszunahme festgestellt.

Komplette Leichtbau-Lenkwelle

Die zusammengesetzte komplette Lenkwelle wurde je nach Ausführung

um 5 bis 15 % leichter bei ca. 30 % erhöhter Verdrehsteifigkeit der

Schiebeverbindung. Die rechnerisch ermittelten Voraussagen konnten

umgesetzt werden.

Des Weiteren sind mehrere Tests an verschiedenen Lenkwellen

durchgeführt worden. Als besonders kritisch sind die Lebensdauertests

der Rohr/Gabel-Verbindungen sowie der Schiebeverbindungen anzu-

sehen. Alle Tests sind erfolgreich abgeschlossen worden. Die in | Bild 5 |

dargestellten Ergebnisse zeigen deutliche Verbesserungen der mecha-

nischen Eigenschaften der neuen Leichtbau-Lenkwelle im Vergleich

zur konventionellen Serienlösung.

Zusammenfassung und Ausblick

Das gesetzte Ziel einer 5 bis15 % leichteren Lenkwelle mit verbesser-

ten mechanischen Eigenschaften wurde erreicht. Aus der Substitution

der fließgepressten Vollwelle durch das stranggezogene Profilrohr

resultiert eine Gewichtsreduktion von 35 %/mm. Außerdem konnte

die Verdrehsteifigkeit der Schiebeverbindung um 30 % verbessert

werden. Diese Verbesserungsmaßnahmen können zukünftig auf den

oberen Lenkstrang übertragen werden.

Für die Anbindung des Innenrohres an die leicht modifizierte Serien-

gabel wurde die bestehende Verbindungstechnik verwendet. Die

Verbindung zwischen dem Außenrohr und der neu zu entwickelnden

Rohrgabel ist Gegenstand der aktuellen Entwicklungsarbeit. Optimie-

rungspotenziale, welche sich durch den Einsatz neuer Materialien,

Bauweisen oder Fügetechniken ergeben, eröffnen neue Perspektiven

für die Zukunft. Die neu entwickelte Rohr-in-Rohr-Leichtbaulenkwelle

von ThyssenKrupp Presta stellt sich den Herausforderungen der

Zukunft: leichtere Bauweise bei höherer Steifigkeit und höheren

Temperaturen bis 200 °C.



Verdrehwinkel [ Grad]

Dre

hmom

ent

[ Nm

]

Rohr-in-Rohr-SW-VerbindungStandard-SW-Verbindung

Bild 5 |Messung der Verdrehsteifigkeit – Standard-SW(Schiebewellen)-

Verbindung im Vergleich zur neuen Rohr-in-Rohr-Lösung

Bild 4 |Druckverteilung und Spannungsbild bei einer Drehmomentbelastung der Hülse

0 4,373 8,746 13,119 17,492 21,865 26,238 30,611 34,984 39,357

0,004484 3,802

7,6 11,398

15,195

18,993

22,791

26,588 34,184

0

4,579

9,158

13,736

18,315

22,894

27,473

32,052

36,63

41,209

Drehmoment10 Nm

30

20

10

-10

-20

-30

0-0,8 -0,6 -0,4 -0,2 0,2 0,4 0,6 0,8

-40

40

0,0

Spannung [MPa]

Spannung [MPa]

30,386

Druck [MPa]

60 |

DIPL.-ING. (FH) GERHARD THUMM Leiter Forschungszentrum | ThyssenKrupp Aufzüge GmbH, Stuttgart-Vaihingen


Einsatz von textilverstärkten Kunststoffen

in Leichtbaufahrkörben

|Transparenz und neue Leichtbauwerkstoffe gewinnen im Aufzugsbau zunehmend an Bedeutung

Einleitung

Moderne Aufzüge sollen heute vielfältigen Anforderungen genügen.

Sie sollen eine hohe Förderleistung gewährleisten, komfortabel und

geräuscharm sein, hohen ästhetischen Anforderungen genügen und

möglichst wenig Energie verbrauchen. Um diese hochgesteckten Ziele

zu erreichen, wird auch bei der Entwicklung neuer Aufzugssysteme

insbesondere hinsichtlich der Konstruktion von Fahrkörben über den

Einsatz neuer Werkstoffe nachgedacht. Bei der Verwendung neuer

Werkstoffe im Anlagengeschäft Aufzüge sind neben den konstruktiven

Auswirkungen auch weitere Rahmenbedingungen zu beachten, wie

z.B. erschwerte Montagebedingungen bei extremen Temperaturen,

die für Aufzüge geforderte Betriebsdauer von mindestens 20 Jahren

bis hin zu Fragen des Recyclings.

Für die Auslegung des Antriebes eines Aufzuges und somit auch für

alle energetischen Betrachtungen ist es ein unstrittiger Vorteil, wenn

möglichst geringe Massen in einem Aufzugsschacht bewegt werden

müssen. Auch die Montage des Aufzuges ist vorteilhafter, wenn leichte

Baugruppen im Schacht unterzubringen sind. Andererseits sind schwere

Fahrkörbe, stabile Türen und massive Konstruktionen in der Regel ein

Garant für geringe Geräusche und die vor allem im Hochleistungs-

bereich und somit bei hohen Geschwindigkeiten gewünschte Laufruhe.

Darüber hinaus spielen die Gewichtsverhältnisse einer seilgetriebenen

Aufzugsanlage eine entscheidende Rolle bei der Betrachtung der Kraft-

übertragung zwischen Triebwerk und Seilen (Treibfähigkeit).

Ausgangssituation

Das Grundprinzip eines so genannten Treibscheibenaufzuges, der aus-

schließlich im Bereich mittlerer und höherer Fahrgeschwindigkeiten

(> 1 m/s) eingesetzt wird, besteht darin, dass das Gewicht des Fahr-

korbes und ca. 50 % der Nutzlast durch das Gegengewicht kompen-

siert werden. Am Beispiel des schnellsten Aufzuges Europas in einem

Bürogebäude (DEBIS Gebäude am Potsdamer Platz, Geschwindigkeit

8,5 m/s) der von ThyssenKrupp Aufzüge im Jahr 2000 in Betrieb

genommen wurde, sollen diese Gewichtsverhältnisse näher darge-

stellt werden. Dieser Aufzug ist für eine Tragkraft von 1.000 kg (F),

entsprechend einer Tragkapazität von 13 Personen ausgelegt. Das

Gewicht des Fahrkorbes und des Fangrahmens (G) beträgt ca. 3.600 kg.

Somit wurde das Gegengewicht mit

M = G+F/2 = 4.100 kg

ausgelegt. Die Tragseile, die den Fahrkorb und das Gegengewicht

verbinden, tragen mit nochmals ca. 700 kg zum Gewicht des Gesamt-

systems bei. Die gesamte zu beschleunigende Masse beträgt mehr

als 9 t. Auf die bei solchen Anlagen notwendige Unterseilspannvor-

Einsatz von textilverstärkten Kunststoffen in Leichtbaufahrkörben | 61


richtung mit zugehörigen Unterseilen, die dieses Seilgewicht kompen-

sieren sollen und zusätzlich zur Gesamtmasse beitragen, soll an dieser

Stelle nicht näher eingegangen werden. Gelingt es, das Gewicht des

Fahrkorbes zu halbieren, reduziert sich somit die gesamte zu beschleu-

nigende Masse dieser beispielhaften Anlage um 3,6 t. Allerdings darf

bei diesen vereinfachten Betrachtungen nicht die eingangs erwähnte

Sicherstellung der Treibfähigkeit außer Acht gelassen werden.

Alternative Leichtbau

Im Rahmen des BMBF Förderprogrammes „Neue Materialien für

Schlüsseltechnologien des 21. Jahrhunderts – MaTech“ wurde von

ThyssenKrupp Aufzüge ein Projekt beantragt und als förderfähig einge-

stuft, das auf eine entscheidende Reduzierung der heutigen Gewichts-

verhältnisse seilgetriebener Aufzüge abzielt. Schwerpunkt des Ver-

bundvorhabens mit den Kooperationspartnern EAST-4D GmbH Light-

weight Structures (E4D) und dem Institut für Leichtbau und Kunststoff-

technik (ILK) der TU Dresden ist die Entwicklung von extrem leichten

Fahrkörben für schnell fahrende Hochleistungsaufzüge. In diesem

Rahmen soll ein Fahrkorb unter Einsatz neuartiger textilverstärkter

Kunststoffe in modularer Hybrid-Leichtbauweise mit beanspruchungs-

gerechtem Eigenschaftsprofil entwickelt und untersucht werden. Dem

ILK obliegen die Arbeitsschwerpunkte Konzeption, Werkstoffcharak-

terisierung, Auslegung, Optimierung und Fertigung von Leichtbau-

Fahrkorbkomponenten in textiler Verbundbauweise. E4D fertigt die

Prototypen und führt die notwendigen Versuchsreihen an den Pre-

Strukturen durch. ThyssenKrupp Aufzüge ist verantwortlich für die

Koordination des Gesamtprojektes und die optimale Integration der

Komponenten in das Gesamtsystem einer Aufzugsanlage. Das Gesamt-

projekt ist in 5 Arbeitspakete (AP) eingeteilt:

AP1: Definition eines Anforderungsprofiles,

AP2: werkstoffmechanische Charakterisierung,

AP3: Vorauslegung und Herstellung von Grundstrukturen,

AP4: Entwurf und Berechnung von Pilotbauteilen sowie

AP5: Herstellung eines Technologie-Demonstrators und experi-

mentelle Untersuchungen.

Im Rahmen dieses Beitrages soll näher auf das derzeit laufende

Arbeitspaket 3, der Vorauslegung und Herstellung von Grundstruk-

turen, eingegangen werden.

Grundstrukturen eines Aufzugsfahrkorbes

Aufbauend auf der rechnerischen Vorauslegung von Grundstrukturen,

wie z.B. Fahrkorbboden, -dach und -wand, wurden erste Kompo-

nenten in unterschiedlichen Bauweisen gefertigt. Insbesondere sind

62 | Einsatz von textilverstärkten Kunststoffen in Leichtbaufahrkörben


Sandwich-Elemente mit Strukturschäumen und Wabenmaterial sowie

strukturiertem Trapezkern vertiefend betrachtet worden. Die gefer-

tigten Grundstrukturen wurden anschließend in statischen 4-Punkt-

Biegebelastungsversuchen mit unterschiedlichen Biegemomenten

hinsichtlich ihres Steifigkeits- und Festigkeitsverhaltens untersucht.

| Bild 1 | zeigt exemplarisch den Versuchsaufbau für die statischen

Belastungstests an grundlegenden Bodenkomponenten.

Parallel zu den experimentellen Untersuchungen wurden die Ver-

suche jeweils mit Hilfe der erarbeiteten Berechnungsmodelle abge-

glichen. Dabei zeigte sich eine gute Übereinstimmung zwischen Versuch

und Experiment, womit die theoretischen Berechnungsmodelle erfolg-

reich verifiziert werden konnten. Ein ausgewählter Vergleich des theore-

tisch und experimentell ermittelten Durchbiegungsverhaltens (W

max

)

in Abhängigkeit des Biegemomentes M

b,max

für ein BD-GFK/PU-

Sandwich ist in | Bild 2 | dargestellt.

Auf Basis der experimentellen und theoretischen Ergebnisse wurde

ein Vergleich der zur Erfüllung der Steifigkeitsanforderungen notwen-

digen Fahrkorbbodenmassen durchgeführt | Bild 3 |. Hier wird das

enorme Potenzial der Sandwich-Bauweisen deutlich. Gegenüber einer

heutigen Stahlvariante mit etwa 130 kg lässt sich das Gewicht durch

den Einsatz von textilverstärkten Sandwich-Elementen um mehr als

50 % verringern, bei gleichzeitig verschärften geometrischen Restrik-

tionen hinsichtlich der zulässigen Bodenstärken.

Ziel der weiteren Untersuchungen ist die Übertragung der in den

bisherigen Simulationen und Versuchen gewonnenen Erkenntnisse auf

Basis der Sub-Komponenten auf den gesamten Fahrkorb. Die durch

die Seilangriffspunkte sowie durch die Fangvorrichtungen möglichen

asymmetrischen Krafteinleitungen in die Struktur des Fahrkorbes stellen

hier eine besondere Herausforderung dar. | Bild 4 | zeigt einen ersten

CAD(Computer Aided Design)-Entwurf eines Fahrkorbes in so ge-

nannter Schlaufenbauweise.

Betrachtung des Gesamtsystems

Wie bereits erwähnt, ist es bei Treibscheibenaufzügen nicht sinnvoll,

nur das Gewicht des Fahrkorbes und in der Folge somit auch des

Gegengewichtes zu verkleinern. Parallel zum Entwicklungsziel einer

deutlichen Reduzierung des Fahrkorbgewichtes muss eine ausreichen-

de Treibfähigkeit sichergestellt werden, um z.B. problemlos einen voll

beladenen Fahrkorb nach oben beschleunigen zu können. Auf diesem

Gebiet hat das Forschungszentrum TRiAD der ThyssenKrupp Elevator,

USA mit Sitz in San Diego bereits weitgehende Ergebnisse erzielt.

Bei dem neu entwickelten Aufzugssystem ISIS (s.a. ThyssenKrupp

techforum, Juli 2003) ersetzen neuartige KEVLAR

®-Seile die bisher

im Aufzugsbau verwendeten Stahlseile. Diese KEVLAR

®-Seile wiegen

nur noch ein Drittel konventioneller Stahlseile bei vergleichbarem

Durchmesser. Durch eine optimale Abstimmung des Seilmantels

Bild 2 | Biegemomentabhängiges Verformungsverhalten (experimentell und rechnerisch)

20

15

10

5

0

4-Punkt-Biege-Versuche mit maximaler DurchbiegungDeckschicht: 2 mm GFK, Kern: 50 mm PUla = 1.050 mm, ls= 500 mm (= Abstand der Krafteinwirkungen F1,2,3,4)

0

Bild 1 | 4-Punkt-Biege-Versuchsaufbau für Grundstrukturtests

an Sandwich-Elementen

200

300

600

Versuchsergebnisse

Berechnungsergebnisse Ausgleichsgerade Versuch

M

b,max

[Nm]

W

max

[mm]

400 500100

la

ls

F3,4F1,2

Leichtbau in der Aufzugstechnik viele Ausprägungen und Ansatz-

punkte bietet. Am Beispiel eines Aufzugsfahrkorbes bieten textilfaser-

verstärkte Leichtbaustrukturen die Möglichkeit einer Gewichtsredu-

zierung um mehr als 50 % bei vergleichbarer Festigkeit. Allerdings

muss das Gesamtsystem eines Seil-Treibscheibenaufzuges bzgl. der

neuen Gewichtsverhältnisse optimiert werden. Die Zielsetzung der

Entwicklungsteams bei ThyssenKrupp Aufzüge ist es allerdings, in

Zukunft möglicherweise auf die Seile und das Gegengewicht zu ver-

zichten und einen Fahrkorb als selbst angetriebenes Fahrzeug zu reali-

sieren. Für diesen Schritt ist die Notwendigkeit einer extremen Leicht-

bauweise des Fahrzeuges nicht nur ein erfreulicher Trend, sondern eine

absolute Voraussetzung, um derart kühne Vorstellungen eines Tages

Wirklichkeit werden zu lassen.



Bild 3 | Vergleich der Fahrkorbbodenkonzepte

140 kg

120 kg

100 kg

80 kg

60 kg

40 kg

20 kg

0 kg

konventionell

4 mm Stahlblech

Duromer

Schaum

6/60/6 GFK/PF 50/50

Nomex-Wabe

PURCycl

Verbundboden

100 % 59 %

54 %

41 %

128 kg

76 kg

69 kg

53 kg

Rollenführung

Faserverstärkte Tragschlaufen

Montagefreundliche Leichtbaukabine

Textilfaserverstärkte Bodengruppe

Bild 4 | Fahrkorb in Schlaufenbauweise

konventionell gekantetes Stahlblech, 4 mm

Duromer Schaum Sandwich bestehend aus 1,5 mm Stahlblech Oberschicht,

2-Komponenten-Duromerschaumsystem, 30 mm und 0,5 mm

Stahlblech-Unterschicht

Nomex-Wabe Sandwich bestehend aus Glasfaserdeckschichten, 6 mm

und einem Nomex

®-Waben-Kern, 60 mm

PURCycl Verbundboden Mit textilen Kurzfasern und Verbundmaterialien verpresster Polyurethan-

Schaumstoff, Oberfläche mit 0,2 mm Aluminiumfolie verstärkt

Gesamtstärke 25-28mm

Zuwachs

[

%

]

mit dem Kunststoffbelag der Treibscheibe wird darüber hinaus eine

wesentlich höhere Treibfähigkeit erreicht. Weitere positive Merkmale

sind der deutlich ruhigere Lauf der Seile über die Treibscheibe und

über die Umlenkrollen sowie ein besseres Verschleißverhalten. Diese

Entwicklung stellt somit eine ideale und notwendige Ergänzung zu

den Überlegungen einer Gewichtsreduzierung des Fahrkorbes dar.

Zusammenfassung

Elektronische Komponenten und Software ersetzen bisher eingesetzte

elektro-mechanische Baugruppen. Serielle Datenübertragung und

Wireless-Technologie verdrängen Kupferleitungen und Kabelbäume.

Textilfasern ersetzen Stahlseile, und hybride Sandwich-Baugruppen

und Tailored Blanks werden anstelle von Stahlprofilen und Standard-

blechen eingesetzt. Diese Trends deuten darauf hin, dass das Thema

Fahrkorbbodenkonzepte

64 |

DIPL.-ING. KARL-HEINZ GERTJEGERDES Leiter Entwicklung/Technologie | Johann A. Krause Maschinenfabrik GmbH, Bremen

DIPL.-ING. (FH) CHRISTIAN PUNDT Gruppenleiter Forschung & Entwicklung | Johann A. Krause Maschinenfabrik GmbH, Bremen

DIPL.-ING. (FH) MICHAEL SCHMIDT Ausführungsverantwortlicher Forschung & Entwicklung | Johann A. Krause Maschinenfabrik GmbH, Bremen

|Prototyp des gewichts- und kostenoptimierten Motoradapters


Gewichts- und kostenoptimierter Motoradapter

für das COMMONALITY-Aggregatemontagesystem


Einleitung

Montageanlagen für die Aggregatemontage in der Automobilindustrie

stellen eine sehr komplexe Technologie dar. Die Forderungen der

Kunden sind geringe Investitionskosten, kurze Lieferzeiten, hohe

Flexibilität sowie standardisierte und modulare Montageanlagen. Die

Johann A. Krause Maschinenfabrik hat aus diesen Anforderungen

heraus das Montagekonzept COMMONALITY für einen namhaften,

global agierenden Automobilhersteller entwickelt und realisiert (siehe

Bericht im ThyssenKrupp techforum, Ausgabe Juli/2003). Es ermög-

licht die Montage unterschiedlicher Motoren vom Reihen-3-Zylinder bis

zum V12-Zylinder auf weltweit flexibel einsetzbaren standardisierten

Montageanlagen. Das COMMONALITY-Werkstückträgerkonzept sieht

vor, dass alle zu montierenden Motoren auf einem Standard-Basis-

werkstückträger transportiert werden | Bild 1 |. Der so genannte Motor-

adapter | Bild 2 | bildet dabei das Bindeglied zwischen Aggregat,

Werkstückträger und Montagemaschine. Seine Aufgabe besteht darin,

unterschiedliche Motortypen mit gleichbleibenden Betriebsmitteln zu

transportieren, zu positionieren oder Werkzeuge zu referenzieren. Zur

Verbesserung des manuellen Handlings wurde der Adapter bezüglich

Gewichtsreduzierung weiterentwickelt. Ziel des Vorhabens war neben

der Entwicklung und Konstruktion eines Leichtbau-Motoradapters die

Realisierung einer durchgängigen Prozesskette zur Herstellung von

Leichtbauprodukten. Dabei wurde der gesamte Produktentstehungs-

prozess hinsichtlich Planung, Konzeption und Realisierung betrachtet.

Durch den Einsatz der FEM (Finite-Elemente-Methode) sowie einer

Strukturoptimierung konnten leichte, steife, haltbare und dennoch

wirtschaftlich herstellbare Produkte realisiert werden.

Anforderungen

Die Aufgaben des Motoradapters bestehen darin, die motortyp-

spezifischen Verbindungen zwischen

Motorblock und Basiswerkstückträger | Bild 1 |,

Motorblock und Spannmodul | Bild 3 | sowie

Motorblock und Montagemodul, z.B. an Handarbeitsplätzen | Bild 4 |,

herzustellen. Die bisher gebauten Adapter sind aufwendig in der Her-

stellung und komplett montiert je nach Motortyp bis zu 34 kg schwer.

Mit diesem Gewicht ist der Adapter aus ergonomischer Sicht für

manuelles Handling von Nachteil. Im kontinuierlichen Verbesserungs-

prozess wurde der Motoradapter daraufhin hinsichtlich Gewicht und

Kosten optimiert.

Gestaltfindung durch Topologieoptimierung

Leichtbauprodukte werden bei den Herstellungskosten oftmals kritisch

bewertet. Aufgrund der hohen Produktkostenverantwortung des Ent-

wicklungsbereiches ist es wichtig, in einem möglichst frühen Stadium

modernste und innovative Werkzeuge einzusetzen, um eine verlässliche

Vorhersage über die mechanischen Eigenschaften und die Produkt-

kosten treffen zu können.

Gewichts- und kostenoptimierter Motoradapter für das COMMONALITY-Aggregatemontagesystem | 65

Bild 1 |Werkstückträger des COMMONALITY-Montagesystems


66 | Gewichts- und kostenoptimierter Motoradapter für das COMMONALITY-Aggregatemontagesystem

Um bei geringstem Materialeinsatz eine Geometrie mit maximaler

Strukturfestigkeit zu erhalten, wurde das Bauteil mit Hilfe der so ge-

nannten Topologieoptimierung überarbeitet. Dieses Berechnungsver-

fahren dient zum Auffinden optimaler Leichtbaustrukturen innerhalb

eines gegebenen Bauraumes. Vorbild ist die Natur mit ihren Wachs-

tumsgesetzen, wo ebenfalls rationell mit verfügbaren Energien und

Rohstoffen umgegangen wird.

¡Geometrische Vorgaben

Basis für die Optimierung war ein 3D-CAD(Computer Aided Design)-

Modell, dessen Geometrie den maximal zur Verfügung stehenden

Bauraum für den Adapter enthielt | Bild 5 |. Dieser ist in zwei verschie-

dene Teilvolumen unterteilt: Bereiche, die im Endprodukt unverändert

erhalten bleiben müssen (z.B. Anschraubflächen) und zu optimierende

Gebiete. Hier wird an gering belasteten Stellen auf Material verzichtet.

Wo hohe Belastungen auftreten, wird Material hinzugefügt. Für die

Einleitung der Kräfte in den Adapter aus acht definierten Lastfällen

wurde ein den Motorblock nachbildender Hilfskörper modelliert und

fest mit den Kontaktflächen des Adapters verbunden | Bild 6 |.

¡Werkstoffauswahl

Die Auswahl des Werkstoffes beeinflusst das Gewicht des Leichtbau-

produktes wesentlich. Für die Berechnung sind genaue Kenntnisse

der physikalischen Materialeigenschaften erforderlich. Um ein optima-

les Ergebnis hinsichtlich der Einsparung von Bauteilgewicht zu erzielen,

wurde bei der Neuentwicklung des Adapters statt des ursprünglich

eingesetzten Werkstoffes Sphäroguss EN-GJS-500-7 die hochfeste

Aluminiumguss-Legierung Alufont 52 (chemisch: AlCu4Ti) ausgewählt.

Dieser Werkstoff ist besonders gut geeignet für hoch beanspruchte

Bauteile im Maschinenbau.

Bild 2 |Herkömmlicher, nicht optimierter Motoradapter aus Gusseisen (orange) mit Spannpunkten aus Stahlguss (dunkelgrau)

Bild 3 |Spannmodul Bild 4 |

Montagemodul

Z

Y

X

ä

ä

äBild 5 |

Adapter (Optimierungsgebiet magenta dargestellt) Bild 6 |Gesamtmodell mit Hilfskörper


¡Topologieoptimierung

Vor der Gestaltoptimierung wurde das Modell der Adapterplatte in-

klusive Motorblock mittels FEM-Berechnung bzgl. Spannungen und

Verformungen auf Plausibilität geprüft. Als Software wurde das Finite-

Elemente-Programm ANSYS eingesetzt. Zu diesem Zweck wurde das

Modell mit Tetraeder-Elementen mit quadratischer Ansatzfunktion

vernetzt. Das feine Netz des Optimierungsgebietes der Adapterplatte

enthält nahezu 100.000 Elemente | Bild 7 |.

Die Topologie des Adapters wurde für acht definierte Lastfälle mit

der Optimierungssoftware TOSCA in einem iterativen Prozess op-

timiert. Dabei handelt es sich um ein modular aufgebautes System,

das auf existierende Finite-Elemente-Programme aufbaut. Es ermög-

licht die Definition von vielfältigen Zielfunktionen und Nebenbedin-

gungen für die parameterfreie Topologie- und Gestaltoptimierung

von Finite-Elemente-Strukturen mit beliebig vielen Lastfällen.

Eine erste Berechnung erfolgte ohne Berücksichtigung jeglicher

Fertigungsrestriktionen. Zur Vermeidung von Hohlstrukturen, die

wirtschaftlich nicht herstellbar wären, wurde eine zweite Optimierung

mit einer Fertigungsrestriktion (Ausheberichtung in z-Richtung) durch-

geführt. Bei beiden Berechnungsdurchgängen wurde die Masse des

Modells, das den maximalen Bauraum beschreibt, in 16 Schritten

iterativ reduziert | Bilder 8, 9 und 10 |. Die volumenreduzierten, hin-

sichtlich des Kraftflusses optimierten Finite-Elemente-Modelle wurden

geglättet und lieferten Hinweise darauf, wo ohne Abstriche bezüglich

der Funktionalität Material eingespart werden konnte.


Bild 7 |FEM-Netz

Z

Y

X

Hilfskörper

Z

Y

X

ä

ä

ä

ä

ä

ä


68 | Gewichts- und kostenoptimierter Motoradapter für das COMMONALITY-Aggregatemontagesystem

¡Entwurfsüberprüfung mittels Finite-Elemente-Methode

Auf Basis der Ergebnisse der Topologieoptimierung wurde unter Be-

rücksichtigung der Fertigungsrestriktionen das Gussteil für einen neuen

Motoradapter konstruiert | Bilder 11 und 12 |. Ziel bei dem Entwurf

war ein homogener Spannungsverlauf über das gesamte Bauteil.

Durch eine iterative Optimierung der Geometrie mittels FEM-Methode

entstand am 3D-Rechner ein Bauteil mit sehr homogenem Span-

nungsverlauf. Die FEM-Berechnungen wurden mit der 3D-CAD-Soft-

ware Unigraphics unter Verwendung des Gleichungslösers Structures-

PE Solver von EDS PLM Solutions durchgeführt.

¡Lösungsansätze für die Spannpunkte

Weiteres Optimierungspotenzial enthielten die am Adapter montierten

und als Verschleißteile ausgeführten Spannpunkte | Bilder 13 und 14 |.

Sie stellen die Kontaktflächen zum Werkstückträger und zu den Spann-

modulen der Montagemaschinen dar und werden beim existierenden

Adapter aus einsatzgehärtetem Stahlguss GS-20MnCr5 gefertigt. Sie

wurden durch kleinere und zugleich kostengünstigere Frästeile aus

einsatzgehärtetem Stahl 16MnCr5 ersetzt. Die Verschraubung der

Spannpunkte mit dem Gussteil wurde nach der VDI-Richtlinie 2230

ausgelegt.

Bild 8 |Adapter in der 1. Iteration

Bild 10 |Gestaltungsvorschlag der Topologieoptimierung.

Bild 9 |Adapter in der 2. Iteration

Z

X

Y

Z

Y

X

Z

Y

X

ä

ä

ä

Z

Y

X

ä

ä

ä

ä

ä

ä ää


Ergebnis

Der mittels Topologieoptimierung und FEM geometrisch optimierte

Motoradapter bringt gegenüber dem existierenden Adapter für den

Kunden folgende Vorteile:

Gewichtsreduzierung um ca. 50 %,

Erhöhung der Steifigkeit um ca. 37 %,

Reduzierung der Bauteilspannungen um ca. 15 % und

Kostenreduzierung um ca. 35 %.


Mit dem gewichts- und kostenoptimierten Motoradapter wurde mit

modernster Technologie ein innovatives Produkt entwickelt. Es ist

gelungen, durch konsequenten Leichtbau das manuelle Handling der

Adapter erheblich zu verbessern. Der erzielte Kostenvorteil kann an

die Kunden weitergegeben werden und stärkt die Position der Johann

A. Krause Maschinenfabrik im Wettbewerb als leistungsstarker und

innovativer Partner für die Aggregatemontage in der internationalen

Automobilindustrie. In zukünftigen COMONALITY-Aufträgen werden

Adapter, die nach dem beschriebenen Prinzip optimiert wurden, zum

Einsatz kommen.

Bild 11|Spannungsanalyse

Bild 13 |Spannpunkte des konventionellen Motoradapters Bild 14 |

Vereinfachte Spannpunkte des optimierten Adapters

Bild 12 |Verformungsuntersuchung

55,53

49,98

45,44

40,89

36,35

31,81

27,26

22,72

18,17

13,63

90,87

45,44

00,00

Maximale

Spannung [MPa]

0,1747

0,1573

0,1430

0,1287

0,1144

0,1001

0,8578

0,7148

0,5719

0,4289

0,2859

0,1430

0,0000

Maximale

Verformung [mm]

Z

Y

X

Z

Y

X

ä

ä

ä

ä

ä

Leichtbau im Schwermaschinenbau

70 |

DR.-ING. JÖRG HARTLEB Produktentwicklung/Marketing | ThyssenKrupp Fördertechnik GmbH, Essen

DIPL.-ING. CHRISTIAN PLISCHKE Produktverantwortlicher Kabelkrane | ThyssenKrupp Fördertechnik GmbH, Rohrbach

DR.-ING. FRANK SCHNEIDER Produktentwicklung/Marketing | ThyssenKrupp Fördertechnik GmbH, Essen

PETER WAGNER (BENG) Geschäftsführer | ThyssenKrupp Engineering (Australia) Pty. Ltd., Belmont/Australien

|Staudammprojekt “Three Gorges” mit zwei parallel angeordneten Kabelkranen von ThyssenKrupp Fördertechnik


Einleitung

Forderungen nach Leichtbauweise begegnen dem Maschinenbauer

auf nahezu allen Gebieten. Sie resultieren aus wirtschaftlichen Betrach-

tungen und technologischen Zwängen, wie z.B. der Einhaltung zu-

lässiger Belastungen für Boden, Fundamente oder Schienen sowie der

Reduzierung von Massenträgheiten.

Gewichtsreduzierungen sind in den häufigsten Fällen unter dem

Aspekt mindestens gleich bleibender Qualität und Stabilität zu betrach-

ten und stellen daher eine der größten Optimierungsaufgaben dar.

Dabei gilt es, verschiedenste Parameter, wie Werkstoff, Formgebung,

d.h. Wahl der Wandstärken, Profile, Volumina, Anzahl von Einzelkompo-

nenten etc. zu variieren. Die in diesem Beitrag vorgestellten Beispiele

verdeutlichen diese Vielseitigkeit, aber auch die Balance, die zwischen

der Optimierung des einen Parameters und der resultierenden Ver-

schlechterung eines anderen zu halten ist.

Im Gerätebau der Umschlag- und Tagebautechnik sind es meist

die ausgeprägten dynamischen Belastungen, die einen konsequenten

Einsatz von Leichtbauweisen verhindern. Dies wird durch die Forde-

rung nach ausreichender Betriebsfestigkeit vorgegeben. Hierfür gelten

vorgegebene Normen. Es muss beachtet werden, dass der erforder-

liche erhöhte Konstruktions- und Fertigungsaufwand beim Leichtbau

für die vielfach maßgeschneiderten, als Einzelstücke hergestellten

Maschinen und Anlagen in wirtschaftlich sinnvollem Verhältnis zum

Nutzen steht.

Bei bestimmten Produkten existieren durch die Funktion vorgegebene

systematische Ansätze zur Anwendung von Leichtbauweisen. Daneben

gibt es auch im klassischen Schwermaschinenbau Aufgabenstellungen,

die nur durch Leichtbau wirtschaftlich zu lösen sind.

Kabelkran “Three Gorges” – China

Der Kabelkran dient dem horizontalen und vertikalen Transport von

Material bis zu 30 t über große Distanzen und Höhen hinweg. Werden

zwei Krane parallel betrieben, können Lasten bis 60 t bewegt werden.

Diese Eigenschaften machen den Kabelkran für bestimmte Einsatz-

gebiete einzigartig und verlangen nach ausgeprägter Leichtbauweise.

Sein Haupteinsatzgebiet besteht im Transport großer Materialmengen

an Zielorte, die mit herkömmlichen Transportgeräten nur unter erheb-

lichem Aufwand schnell und flexibel erreichbar sind, wie z.B. beim

Staudammbau. Dieses für einen Kabelkran typische Einsatzgebiet lässt

alle alternativen Transportverfahren ausscheiden. Der Staudammbau

wird durch eine schwer befahrbare Hanglage und zu überwindendes

Wasser beeinträchtigt, wobei die kontinuierlich wachsende Höhe des

Bauwerkes ein zusätzliches Hindernis darstellt. Rad-, ketten- oder

schienengebundene Transportfahrzeuge und Krane sind daher schnell

überfordert.

Nachdem ThyssenKrupp Fördertechnik die Kabelkrane für den

Staudammbau des heute in Betrieb befindlichen größten Wasserkraft-

werkes Itaipu in Brasilien geliefert hat, wurde 1997 der Auftrag für

Leichtbau im Schwermaschinenbau | 71


Bild 2 |Laufkatze mit Unterflasche an Trag- (oben) und Fahrseil (unten)

Länge [m] Durchmesser [mm] Gewicht [t]

Tragseil (Spannweite) 1.416 102 88

Fahrseil 3.450 32 13

Nackenseil 1 612 110 45

Nackenseil 2 290 110 21

Schwenkseil 8.400 48 72

Hubseil 2.550 28 7

Einzelkran 1.025

Bild 1 |Eigenschaften der wichtigsten Seile

Es existieren zahlreiche Kräfte, die an den Masten angreifen und mit

ihrer Vertikalkomponente die Fundamente mit maximal 800 t belasten.

Die Gewährleistung folgender Eigenschaften verlangt nach ausgepräg-

tem Leichtbau:

hohe Tragfähigkeiten ohne Knickgefahr bei gleichzeitiger

Entlastung der Lager und Fundamente sowie

leichte Montierbarkeit.

Weitere Notwendigkeiten für die Gestaltung in Leichtbauweise gehen

aus der Wettbewerbsfähigkeit hervor: Jede Tonne, die am Eigengewicht

getragener Komponenten eingespart werden kann, erhöht die Tragkraft

des Krans bei gleich bleibenden Lagerlasten und verringerten Kosten.

Schiffsbelader “Finucane Island” – Australien

1998 erhielt ThyssenKrupp Fördertechnik von BHP Billiton den Auftrag,

auf Finucane Island in Westaustralien einen vorhandenen Schiffs-

belader | Bild 4 | mit einer Ladekapazität von 4.000 t Eisenerz pro

Stunde durch einen mit 8000 t/h | Bild 5 | zu ersetzen. Dieses Projekt

wurde von der ThyssenKrupp Fördertechnik Auslandsgesellschaft

ThyssenKrupp Engineering (Australia) in Perth ausgeführt. Eine wesent-

liche Forderung des Auftraggebers bestand darin, dass sich die Belas-

tung der vorhandenen Pier durch das neue Gerät nur geringfügig

erhöhen durfte, damit diese ohne umfangreiche Verstärkungsmaß-

nahmen weiter genutzt werden konnte. Daraus ergab sich zwingend


die Kabelkrane des noch größeren Staudamms “Three Gorges” am

Yangtse-River in China |siehe Titelbild Bericht| erteilt. Für den 185 m

hohen Staudamm werden bis zu seiner Fertigstellung im Jahre 2009

27 Mio Kubikmeter Beton verbaut. Beim Projekt “Three Gorges” han-

delt es sich um ein Kabelkransystem bestehend aus zwei parallel

angeordneten Kranen, die nach dem Seilbahnprinzip, bei dem das

Tragseil zwischen zwei Masten befestigt ist, arbeiten. | Bild 1 | stellt die

Eigenschaften der wichtigsten Seile zusammen. Durch das Schwenken

der Masten kann das Tragseil in beide Richtungen um je 25 m bewegt

werden. Aufgrund der Höhe der Masten sind dazu nur kleine Schwenk-

winkel erforderlich. Da die beiden Krane einen Abstand von lediglich

30 m haben, ergibt sich für das Gesamtsystem eine Arbeitsbreite

von 80 m.

Die Laufkatze mit Unterflasche, an der die Last (hier bis 25 t) oder

der Betonkübel hängt, wird mittels Fahrseil auf dem Tragseil verfahren

| Bild 2 |. Die Winden zum Schwenken der Maste, zum Fahren der Lauf-

katze und zum Heben und Senken der Last befinden sich jeweils am

Mastfuß. Diese Platzierung stellt eine ganz wesentliche Leichtbaumaß-

nahme dar, da das punktuell belastende Windengewicht aus dem Kran-

system eliminiert und durch deutlich leichtere Seile ersetzt wurde.

Zur hinteren Abspannung der 150 m hohen und lediglich 270 t

wiegenden Maste dienen zwei in der Flucht des Tragseiles angebrachte

Nackenseile, die bei Betrieb mit maximal 470 t belastet werden | Bild 3 |.


Bild 3 |Laufkatze mit Unterflasche an Trag- (oben) und Fahrseil (unten) Bild 4 |

Ursprünglicher Schiffsbelader mit 4000 t/h


der Einsatz von Leichtbaumaßnahmen. Andererseits war für die Be-

messung der Anlage die Anwendung der neuen, konservativeren

Norm AS-4324 vorgeschrieben.

Während der Engineering-Phase stellte sich heraus, dass die bis

dahin verfolgten konstruktiven Ansätze allein nicht ausreichten, um

die Pierbeanspruchungen auf ein akzeptables Maß zu begrenzen. Aus

diesem Grund wurde ein ganzes Bündel von Maßnahmen ergriffen,

deren Umsetzung in ihrer Gesamtheit schließlich zum Erfolg führte.

Um eine leichte Konstruktion ermöglichen zu können, wurden in Ab-

sprache mit dem Kunden und dem unabhängigen Sachverständigen

die Betriebsweise des Schiffsbeladers und als Konsequenz daraus

die Berechnungsansätze für die Auslegung des tragenden Stahlbaus

optimiert. Dazu wurden u.a. die von der Norm vorgeschriebenen Last-

annahmen angepasst. Der Einsatz eines höherfesten Stahles sowie

eine innovative Gestaltung der sekundären Tragwerke führten eben-

falls zu einer spürbaren Massenreduktion. Weitere Reserven wurden

durch den massiven Einsatz der Finite-Elemente-Methode bei der Be-

messung des Stahltragwerkes erschlossen. Darüber hinaus wurde die

komplette Ausrüstung des Gerätes im Hinblick auf mögliche Gewichts-

einsparungen überprüft.

Durch den so realisierten Leichtbau war auch eine einfache Mon-

tage und Aufsetzung auf die Pier möglich. Der Schiffsbelader wurde

fertig montiert angeliefert und mit einem Schiffskran in zusammen-

gebautem Zustand auf die Pier gehoben | Bild 6 |.

Semimobiler Absetzer “Freeport” – Indonesien

1997 erhielt ThyssenKrupp Fördertechnik den Auftrag, für die P.T.

Freeport Indonesia Company eine Anlage zur Aufbereitung und zum

Transport von Abraum in einem Kupfer-/Gold-Tagebau zu liefern. Der

Einsatzort befindet sich in einer schwer zugänglichen Hochgebirgsre-

gion in Zentral-Neuguinea – die Mine selbst liegt etwa 4.000 m über

NN. Die geografischen und klimatischen Bedingungen sind dement-

sprechend durch eine hohe Luftfeuchtigkeit, täglichen Regen sowie

durch gelegentlich auftretende außerordentlich große Windgeschwin-

digkeiten und Erdbeben gekennzeichnet.

Die von ThyssenKrupp Fördertechnik gelieferte Anlage umfasst

eine Brechstation, die durch 150 t Muldenkipper mit Abraum beschickt

wird und diesen förderbandgerecht zerkleinert, einen Absetzer | Bilder

7 und 8 | sowie eine Bandanlage, die den Abraum vom Brecher zum

Absetzer transportiert. Alle Anlagenkomponenten sind versetzbar (semi-

mobil), um dem Fortschritt des Abbaus folgen und damit die Wege

für den kostenintensiven diskontinuierlichen Transport des Abraumes

zum Brecher durch Muldenkipper möglichst kurz halten zu können.

Für den Brecher und den Absetzer kommt dabei eine ebenfalls im

Rahmen dieses Auftrages von ThyssenKrupp Fördertechnik gelie-

ferte Transportraupe mit einer Tragfähigkeit von 1.250 t zum Einsatz

| Bild 9 |. Mit dieser Raupe ist es möglich, die genannten Komponen-

ten weitgehend komplett, d.h. ohne zeitaufwendige Montagearbeiten

vor bzw. nach dem Transport, umzusetzen.


Bild 5 |Technische Daten des angeforderten Schiffsbeladers

Schiffsgröße 20.000 – 164.000 dwt*

Fahrweg 201,0 m

Vorschub Schiffsbelader 29,5 m

Masse Schiffsbelader (ohne Bandschleifenwagen) 520 t

max. Durchsatz 8.000 t/h

Materialdichte 2,0 – 3,0 t/m

3

Gurtbreite 1.500 mm

Geschwindigkeit 5,4 m/s

*deadweight tons

Bild 6 |Anlieferung des fertig montierten neuen Schiffsbeladers

Schiffsbelader “Finucane Island”



Aus den oben genannten Bedingungen und zusätzlichen Kunden-

wünschen ergaben sich eine Reihe von Restriktionen für die konstruk-

tive Ausführung des Absetzers sowie insbesondere die Forderung

nach einem möglichst geringen Gesamtgewicht. Deshalb wurde das

Konstruktionsprinzip eines horizontal und vertikal weiträumig durch

Seile abgespannten Auslegers gewählt.

Der durchlaufende Versteifungsträger, der das Abwurfband stützt,

stellt im Wesentlichen eine Rohrfachwerkkonstruktion dar | Bild 10 |.

Es kamen dabei Rundrohre mit Durchmessern von 133 bis 244,5 mm

und Wanddicken von 5 bis 16 mm zum Einsatz. Die einzelnen Schüsse

sind unter Verwendung von Kopfplattenverbindungen miteinander ver-

schraubt. Auch der hintere Mast ist ein Rohrfachwerk, im Gegensatz

zum vorderen Mast, der aus einem einzelnen Rohr mit einem Durch-

messer von 711 mm besteht. Die übrigen Bestandteile des Trag-

werkes (Pontons, Unterbau, Ballastausleger, Zug- und Druckmast)

wurden als konventionelle Blechkonstruktionen ausgeführt.

Die vertikalen Seile (Durchmesser 50 bis 68 mm) stützen im Zu-

sammenwirken mit dem Versteifungsträger und beiden Masten in

erster Linie die Belastung des Auslegers aus Eigengewicht und Förder-

gut. Die Aufgabe des horizontalen Seilsystems (Seildurchmesser 40

bis 68 mm) besteht darin, Querlasten und -momente – insbesondere

aus dem Windeinfluss resultierend – abzutragen. Um sicherzustellen,

dass es unter keinen Umständen zu einer vollständigen Entlastung

eines oder mehrerer Seile und damit zu unerwünschten Lastumla-

gerungen kommt, muss eine kontrollierte Vorspannung aufgebracht

werden. Diese wiederum führt zusammen mit den vertikalen Belas-

tungen und der Vorspannung des Fördergurtes zu einer immensen

Druckbeanspruchung für den Versteifungsträger. Um dessen Stabilität

zu gewährleisten, wurden die Gurtstäbe des Abwurfauslegers aus

hochfestem Stahl (EStE 690) gefertigt.

Bild 7 |Semimobiler Absetzer im Einsatz

Bild 9 |Umsetzen des Absetzers mittels Transportraupe

Allgemeines

Durchsatz 6.250 m

3

/h

Materialdichte 1,8 t/m

3

Auslegerlänge 127 m

Aufnahmeband

Länge 20 m

Gurtbreite 1.600 mm


Höhe der Abwurftrommel über Planum

maximal + 31,5 m

minimal - 19,0 m

Dienstgewicht 1.160 t

davon Ballast 280 t

Abwurfband

Länge 150 m

Gurtbreite 1.400 mm


Bild 8 |Technische Daten des Absetzers

Absetzer “Freeport”


Aus dem Obigen wird deutlich, dass einer korrekten Einstellung

des Vorspannzustandes und dessen Aufrechterhaltung eine entschei-

dende Bedeutung für die Sicherheit des Tragwerkes zukommt. Zu

diesem Zweck wurden spezielle Seilköpfe | Bild 11 | verwendet, an

denen hydraulische Pressen eingesetzt werden können. Mit deren

Hilfe ist es möglich, die kraftübertragende Kontaktfläche im Seilkopf

temporär zu entlasten, durch Ablesen der Drücke die Seilkräfte zu

messen und mit Hilfe von Distanzstücken die effektive Seillänge und

damit die Vorspannkraft zu verändern. Dennoch ist die Einstellung der

Vorspannung keine triviale Aufgabe, denn infolge der statischen Unbe-

stimmtheit des Systems werden durch Veränderung lediglich einer

Seilkraft auch alle anderen beeinflusst.

Im Stahlbau der Tagebaugeräte werden Rohrfachwerke nur selten

eingesetzt. Der Grund liegt darin, dass aufgrund stark und häufig

wechselnder Belastungen meist Betriebsfestigkeitskriterien für die

Bemessung der Tragwerke maßgebend werden. Hohlprofilkonstruk-

tionen sind dabei fertigungsbedingt im Nachteil. Unter solchen Um-

ständen kommen auch die Vorzüge hochfester Stähle gegenüber her-

kömmlichen Baustählen nicht zur Geltung. Dass der Einsatz von Hohl-

profilen und hochfesten Stählen im vorliegenden Fall dennoch zu

einer wirtschaftlichen Lösung führte, ist der Tatsache zu verdanken,

dass die dynamischen Lasten hier vergleichsweise gering sind.

Fazit

Leichtbau im Schwermaschinenbau ist kein Paradoxon. Wie die vor-

gestellten Beispiele aus der Tagebau- und Umschlagtechnik beweisen,

sind die Leichtbauweisen im Schwermaschinenbau nicht nur möglich,

sondern oft auch notwendig, weil damit wirtschaftliche Vorteile erzielt

werden können.

Durch den größeren Aufwand im Engineering sowie höhere Material-

und Fertigungskosten ist der Leichtbau spezifisch teurer. Deshalb

wird er dort verwirklicht, wo er zur wettbewerbsfähigsten Lösung führt.


Bild 10 |Abwurfausleger des Absetzers in Rohrfachwerkkonstruktion Bild 11 |

Seilkopf mit eingesetzten hydraulischen Pressen

76 |


Titanaluminid – eine neue Werkstoffklasse für den

Leichtbau in Flugtriebwerken und Hochleistungsmotoren

DIPL.-ING. PETER JANSCHEK Leiter Technologie-Entwicklung | ThyssenKrupp Turbinenkomponenten GmbH, Remscheid

|Hochdruckverdichterschaufeln im Flugtriebwerk

Titanaluminid – eine neue Werkstoffklasse für den Leichtbau in Flugtriebwerken und Hochleistungsmotoren | 77

Einleitung

Die Entwicklungsprogramme für Antriebe in der Verkehrstechnik zielen

auf eine ständige Steigerung von Leistung und Effizienz ab. Mittel

dazu sind z.B. die Erhöhung des Wirkungsgrades von Verbrennungs-

maschinen durch Anheben der Arbeitstemperatur und die Verringerung

der bewegten Massen. Beiden Forderungen wird ein neuer Werkstoff

gerecht, der hohe Warmfestigkeit mit guten Festigkeitseigenschaften

bei niedrigem spezifischen Gewicht vereint: die zur Klasse der inter-

metallischen Verbindungen gehörende Legierung Titanaluminid. Diese

guten Eigenschaften werden jedoch mit einem Nachteil erkauft: Das

Verhalten dieses Werkstoffes entspricht eher dem von Keramik als von

Metall. Deshalb ist die Formgebung sehr schwierig und lässt sich nur

mit einem speziellen Verfahren bewerkstelligen. Bei ThyssenKrupp

Turbinenkomponenten in Remscheid ist in den vergangenen sechs

Jahren unter Förderung durch das Bundesministerium für Bildung

und Forschung das Isothermschmieden von Titanaluminid entwickelt

worden. Als erste Bauteile wurden Laufschaufeln für den Hochdruck-

verdichter eines Flugtriebwerkes hergestellt. Auch in der Automo-

biltechnik im Rennsport finden bereits Ventile aus Titanaluminid

Verwendung.

Eigenschaften von Titanaluminid

Intermetallische Phasen zeichnen sich aufgrund ihrer starken Atom-

bindung durch hohe Festigkeiten aus, die auch bei hohen Temperaturen

gegeben sind. Speziell bei Titanaluminid werden diese guten mecha-

nischen Eigenschaften bei geringer Dichte erzielt. Beispielhaft seien

die wichtigsten Eigenschaften genannt:

relativ hoher Schmelzpunkt von ca. 1.460 °C,

geringe Dichte von 3,9 bis 4,2 g/cm

3

,

hoher E-Modul von 170 GPa bei 600 °C,

Streckgrenze von 420 MPa bei 600 °C und

gute Korrosionsbeständigkeit.

Der Vorteil von Titanaluminiden gegenüber konventionellen Werkstoffen

wird deutlich, wenn man die auf die Dichte bezogenen spezifischen

Eigenschaften betrachtet. So würde sich theoretisch ein Draht aus

Titanaluminid, der an einem Ende aufgehängt ist, bei 600 °C erst bei

einer Gesamtlänge von 25 km infolge seines Eigengewichtes um 0,2 %

dehnen. Eine Nickellegierung mit gleicher Warmfestigkeit hätte diese

Dehnung unter gleichen Bedingungen schon nach 12 km Gesamt-

länge erreicht.

Einsatz im Hochdruckverdichter von Flugtriebwerken

In Hochdruckverdichtern von Flugtriebwerken werden heute üblicher-

weise Laufschaufeln aus Nickellegierungen eingesetzt | siehe Titelbild

Bericht |. Das Temperaturniveau ist jedoch noch nicht derart hoch, dass

die Warmfestigkeit dieser Werkstoffe voll ausgenutzt wird. Hier könnten

eigentlich herkömmliche Titanlegierungen verwendet werden. Durch das

Anstreifen der Schaufeln an das Gehäuse würde sich jedoch das Titan

entzünden. Da Titanaluminid nicht brennbar ist, können die Nickel-

schaufeln durch Titanaluminid substituiert und damit die Hälfte des

Schaufelgewichtes eingespart werden. Weil die Fliehkraft sich quadra-

tisch mit dem Gewicht erhöht, sind die Kräfte, die die Schaufeln auf

die Turbinenscheiben ausüben, um den Faktor 4 geringer als bei

Verwendung herkömmlicher Schaufeln. Damit können diese Scheiben

entsprechend schwächer dimensioniert werden, wodurch eine weitere,

noch größere Gewichtseinsparung ermöglicht wird. Durch die Verringe-

rung der rotierenden Massen wird wiederum das dynamische Verhalten

des gesamten Triebwerkes günstig beeinflusst. Der Einsatz von Titan-

aluminid-Laufschaufeln wird ein wichtiger Meilenstein auf dem Weg

zur weiteren Effizienzsteigerung von Flugtriebwerken sein.


Bild 1 | Fertigungsstadien einer Verdichterschaufel

78 | Titanaluminid – eine neue Werkstoffklasse für den Leichtbau in Flugtriebwerken und Hochleistungsmotoren

Einsatz in Formel-1-Rennmotoren

Bei Rennmotoren mit einer Drehzahl von ca. 18.000 U/min ist die Ver-

ringerung der bewegten Massen ein wichtiges Kriterium zur Leistungs-

steigerung. Im Vergleich zu den bisher eingesetzten Ventilen aus Nickel-

basislegierungen wird auch hier durch den Einsatz von Titanaluminid

die Halbierung der Masse bei gleicher Warmfestigkeit genutzt. Ein

weiterer Vorteil der intermetallischen Verbindungen gegenüber einer

Titanlegierung ist deren gute Korrosionsbeständigkeit. In Formel-1-

Rennsportmotoren werden daher zunehmend Ein- und Auslassventile

aus Titanaluminid eingesetzt. ThyssenKrupp Turbinenkomponenten

stellt heute schon serienmäßig geschmiedete Titanaluminid-Ventile her.

Eine weitere interessante Möglichkeit zur Leistungssteigerung ist

die Verringerung der bewegten Massen im Kurbeltrieb. Die in Serien-

motoren üblichen Stahlpleuel werden durch Leichtmetalle ersetzt. Die

heute in Formel-1-Motoren eingesetzten Pleuel aus Titanlegierungen

sind jedoch problematisch hinsichtlich ihrer Kriecheigenschaften.

Die Konstrukteure beabsichtigen, sich hier die bessere Kriechfestig-

keit und die höhere Steifigkeit der Titanaluminide zunutze zu machen.

ThyssenKrupp Turbinenkomponenten betreibt derzeit Entwicklungen

in dieser Richtung.

Umformung durch Isothermschmieden

Aufgrund seiner Eigenschaften als intermetallische Verbindung ist

Titanaluminid bei Raumtemperatur verhältnismäßig spröde. Auch bei

hohen Temperaturen muss ein Umformwiderstand überwunden werden,

der mit dem von Nickelbasislegierungen vergleichbar ist. Eine Beson-

derheit ist, dass die Fließspannung stärker als bei anderen Metallen

mit höherer Umformgeschwindigkeit ansteigt. Verbunden damit ist

ein Abfallen des Umformvermögens bei höherer Umformgeschwindig-

keit, d.h. die Rissgefahr nimmt zu. Die Summe dieser Eigenschaften

hat dazu geführt, dass sich Titanaluminid-Legierungen bis vor kurzem

nur durch Gießen in die gewünschte Form bringen ließen. Allerdings

ist das Gussgefüge nicht für den Einsatz in stark dynamisch bean-

spruchten Bauteilen, wie z.B. Turbinenschaufeln, geeignet. Durch

geeignete thermomechanische Behandlung kann das Mikrogefüge

zu der gewünschten feinkörnigen Struktur rekristallisieren. Notwendig

dafür ist die Umformung des Werkstoffes, z.B. durch Schmieden. Erst

durch die Entwicklung eines Verfahrens, mit dem bei konstanter hoher

Temperatur die Werkzeuge mit äußerst geringen Geschwindigkeiten

bewegt werden können, ist es gelungen, Bauteile aus Titanaluminid

durch Schmieden herzustellen. Bei dem so genannten Isotherm-

schmieden haben sowohl das Werkzeug als auch das Schmiede-

stück die gleiche Temperatur, damit während der langen Umformzeiten

die Schmiedestücktemperatur in dem notwendigen engen Fenster

gehalten werden kann. | Bild 1 | zeigt die Fertigungsstadien einer

Verdichterschaufel unter Anwendung des Isothermschmiedens. Aus-

gehend von einem Rundstab, der aus dem gegossenen Titanalu-

minidblock durch Strangpressen hergestellt wurde, wird zunächst

das Fußvolumen isotherm angestaucht. Im Schaufelgesenk wird an-

schließend die Schaufel in zwei Stufen geschmiedet. | Bild 2 | zeigt die

Schaufelvorform im Isothermgesenk vor dem Schmieden. Die fertige

Schaufel nach dem Schmiedevorgang ist in | Bild 3 | zu sehen. In

beiden Fällen betragen sowohl Gesenk- wie auch Schmiedestück-

temperatur 1.150 °C. Zur Vermeidung von Rissen muss die Geschwin-

digkeit des Pressenstößels derart niedrig gewählt werden, dass der

Umformprozess zwischen den Stadien | Bilder 2 und 3 | in einem


Bild 2 | Isothermgesenk mit Schaufelvorform Bild 3 | Isothermgesenk mit geschmiedeter Schaufel

Zeitraum von ca. 5 Minuten durchgeführt wird. Die Gesenke sind aus

der Molybdänlegierung MHC gefertigt, da lediglich dieser Werkstoff

eine hinreichende Warmfestigkeit unter den genannten Bedingungen

aufweist. Zum Schutz der Werkzeuge vor Sauerstoff muss der gesamte

Prozess in einer Schutzgasatmosphäre durchgeführt werden. Die bei

ThyssenKrupp Turbinenkomponenten in Remscheid installierten Iso-

thermpressen mit Presskräften von 4 bzw. 50 MN verfügen beide über

entsprechende Einrichtungen, bei denen der gesamte Pressenraum

einschließlich Erwärmungsofen unter Stickstoff gehalten wird.

An das Schmieden der Schaufeln schließen sich die Wärmebehand-

lung und das Entfernen des Grates an. Wegen der trotz des nunmehr

feinen Gefüges immer noch geringen Duktilität ist das herkömmliche

Abgraten durch ein Schneidewerkzeug nicht möglich. Das überschüs-

sige Material wird daher durch Wasserstrahlschneiden abgetrennt. Durch

elektrochemisches Bearbeiten (ECM – Electro Chemical Machining)

wird die Endkontur des Schaufelblattes hergestellt, während der Schau-

felfuß durch Fräsen und Schleifen seine Endform erhält. | Bild 4 | zeigt

einbaufertige Schaufeln für den Kunden Rolls Royce, die in einem

Versuchsträger zur Vorserienerprobung eingesetzt werden.

Ausblick

Mit dem Isothermschmieden ist ein Verfahren entwickelt worden, das

die Herstellung hoch beanspruchter Bauteile aus Titanaluminid ermög-

licht. Nach Bewährung in Versuchstriebwerken wird dieser Werkstoff

in kurzer Zeit Einzug in Flugtriebwerke für die zivile Luftfahrt halten.

Das Potenzial zur Verringerung der bewegten Massen ist derart groß,

dass zukünftige Entwicklungen den Einsatz von Titanaluminid voraus-

setzen. Im Pkw-Motor könnte die Verwendung von Titanaluminid den

Kurbeltrieb revolutionieren.

Als Hürde erweist sich jedoch heute noch der hohe Preis dieser

Teile durch den aufwendigen Herstellprozess. Wegen der immer noch

zu geringen Warmfestigkeit der heute einsetzbaren Molybdänwerk-

stoffe können die für das Präzisionsschmieden verlangten engen

Maßtoleranzen nicht eingehalten werden. Deshalb ist bisher nur das

Schmieden von Teilen mit Aufmaß möglich, was aufwendige Nach-

bearbeitungen zur Folge hat. Durch den Einsatz neuer höchstwarm-

fester Gesenkwerkstoffe mit besserer Formstabilität, wie Graphit oder

Keramik, wird in Zukunft Präzisionsschmieden auch in dieser Werk-

stoffklasse möglich sein.

Die Erzeugung von schmiedbarem Vormaterial findet heute durch

Strangpressen der Gussblöcke statt. Für die isotherme Prozessführung

ist hierzu eine umständliche und teure Kapseltechnik notwendig. Durch

Fortschritte in der Feingusstechnik für Titanaluminid könnten schmied-

bare gegossene Vorformen zum Isothermschmieden eingesetzt wer-

den, die nicht nur das Strangpressen ersetzen könnten, sondern auch

Vorformoperationen, die ebenfalls isothermes Schmieden erfordern. An

beiden Entwicklungsfeldern wird intensiv bei ThyssenKrupp Turbinen-

komponenten gearbeitet.



Bild 4 | Einbaufertige Titanaluminid-Verdichterschaufeln für den Kunden Rolls Royce


80 |

PETER DIEKMANN Öffentlichkeitsarbeit | ThyssenKrupp Services AG, Düsseldorf

MICHAEL HORLÄNDER Produktmanagement Kunststoffe | ThyssenKrupp Schulte GmbH, Düsseldorf

|Dachkonstruktion eines Busbahnhofes aus transparenten Polycarbonat-Massivplatten

Transparente Sicherheit: Dach-, Wand- und

Maschinenschutzverglasungen aus Polycarbonat


Einleitung

Polycarbonat (PC) ist ein Thermoplast und zählt zu der Gruppe der

technischen Kunststoffe. Zu seinen besonderen Eigenschaften zählen der

hohe Temperaturbereich für den Dauergebrauch von -40 bis +115 °C,

seine glasartige Transparenz und die Tatsache, dass Polycarbonat der

schlagzäheste Kunststoff ist, der weder bricht noch splittert.

Polycarbonat wurde erstmalig im Mai 1953 von H. Schell bei Bayer

hergestellt. Das Verfahren wurde rasch in einer Versuchsanlage ge-

testet und schon 1958 in industriellem Maßstab umgesetzt. Unab-

hängig von Schell entdeckte D.W. Fox zeitgleich bei General Electric

per Zufall das Polycarbonat als zähe Masse in einer Vorratsflasche.

Auch hier führten weitergehende Versuchsreihen bald zur industriellen

Produktion. Heute findet der Kunststoff Verwendung in den verschie-

densten Bereichen, beispielsweise bei der Herstellung von CDs, beim

Einbau von Flugzeugfenstern oder als schusssichere Verglasung für

gepanzerte Fahrzeuge.

ThyssenKrupp Schulte zusammen mit Thyssen Röhm Kunststoffe

gehören europaweit zu den führenden Distributeuren und Dienstleistern

hinsichtlich Kunststoff-Halbzeugen. Polycarbonat wird von ThyssenKrupp

Schulte aufgrund seiner Eigenschaften zum Bau von Dach- und Wand-

verglasungen angeboten. Weitere Schwerpunkte liegen aber auch bei

der Maschinen-, Apparate- und Anlagenverglasung, wo Polycarbonat

als Schutzverglasung Einsatz findet.

Vorteile für neue Bauweisen

Die steigenden gestalterischen Anforderungen von Architekten sowie

der wachsende Kostendruck bei den Verarbeitern erfordern die stän-

dige Entwicklung neuer Produkte. Gefragt sind innovative Lösungen,

die den baurechtlichen Vorschriften entsprechen, der Witterung dauer-

haft trotzen, architektonischen Kriterien gerecht werden und sich leicht,

schnell und kostengünstig verarbeiten lassen. Insbesondere bei Gewer-

behallen oder im Sport- und Freizeitanlagenbau werden lichtdurch-

flutete Räume gefordert. Filigrane und transparente Spielfeld- und

Tribünendächer müssen neben ihrem Eigengewicht auch Wind-, Sog-,

und Schneelasten aufnehmen, bei allen Wettern aber möglichst wenig

verschmutzen und optimalen Schutz bieten. Polycarbonat bietet in

diesem Zusammenhang eine echte Alternative zu herkömmlichen

Werkstoffen | Bild 1 |.

Transparente Polycarbonat-Platten, ob Massiv oder Hohlkammer,

bieten ein natürliches Licht, sind sehr leicht und UV-beständig. Dies

sind wichtige Qualitäten für die Verwendung als Lichtband im Dach-

und Wandbereich von Gewerbehallen. Gerade für Überdachungen

eignen sich so genannte Hohlkammerplatten, deren Kammerstruktur

besonders gute Isolierungseigenschaften besitzt | Bild 2 |. So kann

eine Menge Energie gespart werden. Polycarbonat-Hohlkammerplatten

finden u.a. auch Verwendung für Carports, Pergolen, Balkonüber-

dachungen und Wintergärten. Hohlkammerplatten sind sehr biegesteif

und eignen sich deshalb besonders für großflächige Verglasungen.

Sie wiegen dabei nur einen Bruchteil einer vergleichbaren Glaskonstruk-

tion. Da Polycarbonat weder bricht noch splittert, besteht auch im

Extremfall nicht die Gefahr herabfallender Bruchstücke. Dies ist für

Gewerbehallen genauso von Vorteil wie z.B. für Gewächshäuser. Man

denke dabei an alte Industriehallen und deren Oberlichter mit Drahtglas-

füllungen. Jede dieser Glasscheiben ist mindestens einmal gesprungen,

Transparente Sicherheit: Dach-, Wand- und Maschinenschutzverglasungen aus Polycarbonat | 81

Bild 1 |Witterungsschutz als Stadionwandverglasung aus Polycarbonat-Paneelen



bei Regen bilden sich daher unter den Dachfenstern unzählige Wasser-

pfützen. Mit Polycarbonat gehört dies der Vergangenheit an. Zusätzlich

ist die Wärmeisolierung von Hohlkammerplatten um ein Vielfaches

besser als die von konventionellem Drahtglas | Bild 3 |.

In Ergänzung dazu sind Massivplatten mit attraktiv strukturierter

Oberfläche verfügbar. Hier stehen zusätzlich die sichtschützenden

Eigenschaften bei der Verwendung als Geländerfüllung für Balkone,

Treppen oder Trennwände im Vordergrund. Außerdem lassen sich Hohl-

kammer- wie auch Massivplatten kalt einbiegen, um daraus z.B. optisch

attraktive tonnenförmige Lichtstraßen für den Dachbereich, für Ein-

gangsüberdachungen oder Überdachungen von Bahnhaltestellen

| Bild 4 | herzustellen. ThyssenKrupp Schulte bietet der meist mittel-

ständischen Handwerkerschaft hierbei verschiedene Verlegeprofil-

systeme aus Aluminium an, die entsprechend der Aufgabenstellung

auch eine so genannte thermische Trennung bewirken. Das bedeutet,

dass an der Außenseite der Verlegeprofile keine Metallverbindung zum

unteren Profil besteht und dadurch ein Temperaturaustausch zwischen

beheizten Räumen und der kalten Außenluft deutlich reduziert wird.

Die außerordentliche Bruchsicherheit macht das Material für spezielle

Schutzsysteme interessant: Polycarbonat ist nach DIN EN 12415 als

Material für Sicherheitsverglasungen in Werkzeugmaschinen geprüft

worden | Bild 5 |. Für Außenanwendungen auch im Brandschutz hat

sich der Kunststoff bewährt und ist gemäß Brandklassifizierung bei

Dicken von 1-4 mm für den Innenbereich schwer entflammbar nach

DIN 4102 B1 und bei Dicken über 4 mm normal entflammbar nach

DIN 4102 B2 .

Eigenschaften von Polycarbonat und der verschiedenen Derivate

ThyssenKrupp Schulte bietet zahlreiche Varianten von Polycarbonat an:

„Standard“-Polycarbonat:

ist ein äußerst zäher Kunststoff mit einem breiten thermischen

Einsatzbereich und sehr guten optischen Eigenschaften. Dank guter

Kalt- und Warmverformbarkeit ist er problemlos zu bearbeiten und

wird aufgrund seiner Eigenschaften gerne für transparente Schutz-

verkleidungen im industriellen Umfeld eingesetzt.

UV-geschütztes Polycarbonat (PC-UVP):

ist ein besonders für den Außeneinsatz ausgerüsteter Kunststoff,

der in seinem sonstigen Eigenschaftsprofil mit dem unmodifizierten

Standardprodukt identisch ist. Dieses Material hat eine lange

Lebensdauer bei hoher und dauerhafter Transparenz. PC-UVP

findet überall dort Anwendung, wo eine hohe Schlagzähigkeit

und Festigkeit bei andauernder Bewitterung und Sonneneinstrah-

lung gefordert wird.

Polycarbonat abriebfest:

wird mit einer ein- oder zweiseitigen Beschichtung für extreme

Anforderungen an Abriebfestigkeit und Chemikalienbeständigkeit

versehen. Das Plattenmaterial ist mit einer dünnen, spannungs-

frei aufgebrachten, äußerst widerstandsfähigen und hochtrans-

parenten Schutzschicht veredelt. Platten aus PC abriebfest eignen

sich gut als plane Sicherheitsverglasung im industriellen Umfeld,

wo erhöhte Belastungen auftreten, z.B. durch Metallspäne, Bohröle,

Kühlflüssigkeiten oder Reinigungsmittel.

Bild 2 |Kalt eingebogene Polycarbonat-Hohlkammerplatten


Antistatisches Polycarbonat (PC-AS):

ist mit einer Antistatik-Beschichtung versehenes Plattenmaterial,

das Schutz vor elektrostatischer Aufladung bietet und somit die

Anziehung von Staub und Schmutz verhindert. PC-AS bietet außer-

dem ideale Bedingungen für Reinräume, wie z.B. bei der Elektronik-

und Halbleiterfertigung. Blitzartige elektrostatische Entladungen

(ESD – Electro Static Discharge) können bei der Fertigung von

Elektronikbauteilen und Halbleitern schwere Schäden verursachen

oder die Funktion von Mess- und Regeleinrichtungen stören. Diese

Effekte sind in Reinräumen unerwünscht.

Polycarbonat-Verbunde:

sind eine spezielle Gruppe von Materialkombinationen, z.B. ein

Glas/PC-Verbund, der das geringe spezifische Gewicht, die hohe

mechanische Widerstandsfähigkeit des Kunststoffes und die makel-

lose Oberfläche und die Unbrennbarkeit des Glases vereint. Denk-

bar sind Anwendungen im Schiffsinnenausbau, Ladenbau und

im Fahrzeugbau.

PC/PC-Verbunde:

bestehen aus mehreren Lagen von Polycarbonatplatten, welche

jeweils mit einer hoch transparenten, sehr zähen Zwischenlage

verbunden sind. Je nach Verbundaufbau können durchbruch-

hemmende (Angriff mit einer Axt) bis durchschusshemmende

(großkalibrige Faustfeuerwaffen, Maschinenpistolen bzw. Hand-

granaten) Verbunde hergestellt werden. Anwendungen werden

wegen des geringen Gewichtes auch im Fahrzeugbau, in gefähr-

deten Ladenbereichen bzw. im Vitrinenbau für Museen etc. ge-

sehen. Die Verbunde sind im Gegensatz zu Sicherheitsglas mit

einer handelsüblichen Säge zuzuschneiden und sondern bei einem

Zerstörungsversuch keine Splitter ab.

weitere Ausführungen:

z.B. mit Beschichtungen gegen den Niederschlag von Wasserkon-

densat oder mit der Eigenschaft, Wärmestrahlung einer bestimmten

Wellenlänge zu reflektieren.

Dienstleistung im Vordergrund

Basis für die schnelle Verfügbarkeit aller Kunststoff-Materialien bei

ThyssenKrupp Schulte und Thyssen Röhm Kunststoffe ist ein ausge-

feiltes Lager- und Logistiksystem. Dadurch können die bestellten

Materialien just-in-time überall dort angeliefert werden, wo die Kunden

es wünschen. Jeder Kunde erhält außerdem sein Material nicht nur

zum Wunschtermin, sondern auch genau in den Abmessungen, die

er benötigt: als individuell vorgefertigtes Einzelteil oder als Serienferti-


Bild 3 |Wärmeisolierende, transparente Polycarbonat-

Platten eines Hallenfensters

Bild 4 |Bahnhaltestelle mit kalt eingebogenen transparenten Polycarbonat-Massivplatten



gung. Die klassischen Zuschnitte von Platten werden von ThyssenKrupp

Schulte mit Hilfe computergestützter Optimierungsprogramme durch-

geführt, damit möglichst wenig Verschnitt entsteht. Darüber hinaus

sind aber auch zahlreiche ergänzende Bearbeitungen im Angebot, die

von externen Spezialbetrieben zugeliefert werden.

Der Dienstleistungsaspekt steht bei ThyssenKrupp Schulte generell

im Vordergrund. Aufgrund der vielfältigen Materialausprägungen als

Massivplatte und Hohlkammerplatte mit verschiedenen Kammer-

strukturen in diversen Dicken, Farben, Formaten und Beschichtungen

ergibt sich ein verkaufsaktives Sortiment von mehr als 600 Produkten.

Fast alle Bedarfsfälle lassen sich ohne zeitlichen Verzug aus dem

Lagersortiment von ThyssenKrupp Schulte bedienen. Über computer-

gesteuerte Sägeanlagen wird das vom Kunden gewünschte Endformat

exakt zugeschnitten und ein ausgeklügeltes Logistiksystem bringt die

Ware auf dem schnellsten Weg zum Kunden. Die neue Fahrzeugge-

neration ist GPS(Global Positioning System)-gesteuert und verfügt über

spezielle Einrichtungen zur variablen Ladungssicherung von Kunst-

stoffplatten. Dadurch kann die Ware mit einem minimalen Verpackungs-

aufwand sicher beim Kunden angeliefert werden.

Auch bei der maschinellen Bearbeitung vor Ort stehen ThyssenKrupp

Schulte und Thyssen Röhm Kunststoffe beratend zur Seite. Das

Thermoplast lässt sich bohren, sägen, fräsen, biegen oder thermo-

formen und ist grundsätzlich ein unkompliziertes Material, das mit

den meisten Maschinen, die sich auch für Holz und Metall eignen,

bearbeitet werden kann. Beim Zuschnitt sollten aber unbedingt nur

gut geschärfte Werkzeuge eingesetzt werden, um optimale Schnitt-

kanten zu gewährleisten. Zum Sägen mit hohen Schnittgeschwindig-

keiten und vielschneidigem Fräsen sollte Druckluftkühlung verwendet

werden, kein Wasser oder Kühl-Emulsionen. Lasereinsatz zum Schnei-

den wird aufgrund optischer Rückstände an der Schnittkante nicht

empfohlen. Beim Bohren werden Bohrer mit zwei Spannuten und

einem Spitzenwinkel von 90 bis 120 ° empfohlen. Bei tiefen Bohrungen

hilft häufiges Lüften des Bohrers. Zum Formen sind warm- und kalt-

biegen, ebenso wie warm und kalt abkanten möglich. Das warme

Abkanten sollte bei einer Temperatur von 145 bis max. 160 °C er-

folgen. Beim Thermoformen muss Polycarbonat grundsätzlich vorge-

trocknet werden. Ab einer Plattenstärke von 3 mm ist beidseitige

Erwärmung notwendig.

Bei der Montage ist zu beachten, dass zur Befestigung von Poly-

carbonat-Platten Aluminiumnieten mit großen Nietköpfen oder Edel-

stahlschrauben (keine Senkkopfschrauben) verwendet werden soll-

ten. Falls die Konstruktion mehrfach montiert und demontiert wird,

empfiehlt sich der Einsatz von Metallgewinden. Die Schraublöcher

sollten ausreichend groß dimensioniert sein (1,5 x Schraubendurch-

Bild 5 |Maschinenschutzverglasung aus abgekanteten, transparenten Polycarbonat-Massivplatten

messer), damit sich die Platten bei Temperaturschwankungen aus-

dehnen können. Der Abstand der Befestigungslöcher vom Platten-

rand sollte mindestens das 1,5-fache des Lochdurchmessers betragen.

Idealerweise werden die von ThyssenKrupp Schulte angebotenen

Aluminiumprofilsysteme zur sicheren Verlegung von Kunststoffplatten

verwendet.

Fazit

Polycarbonat ist aus dem heutigen Leben nicht mehr wegzudenken.

Die Architekten im Hochbau und die Konstrukteure im Maschinenbau

schätzen die unschlagbaren Vorteile von Polycarbonat gleichermaßen.

Das gegenüber Glas ca. 50 % geringere Gewicht bei 250-fach höherer

Schlagzähigkeit, die hohe Transparenz und brillante Optik sind an sich

bereits entscheidende Vorteile. Hinzu kommt, dass dieser Werkstoff

praktisch unzerbrechlich ist und nicht splittert. Das Plattenmaterial

lässt sich kalt einbiegen und sogar kalt abkanten. Polycarbonat ist

physiologisch unbedenklich und kann somit z.B. in der Lebensmittel-

fertigung oder in medizinischen Bereichen verwendet werden. In

einem großen Temperaturbereich von -40 bis +115 °C verändert

Polycarbonat seine Leistungswerte nicht. Damit ist es selbst in Tief-

kühlhäusern wie im Dampfbereich von Kraftwerken ideal einsetzbar.

Zahlreiche zur Verfügung stehende Beschichtungen erweitern die

Anwendungsmöglichkeiten von Polycarbonat. So kann die Bestän-

digkeit gegen Chemikalien, wie Lösungsmittel, Säuren und Laugen,

aber auch gegen Abrasion und UV-Strahlung deutlich verbessert

werden.

Polycarbonat ist erst ca. 50 Jahre jung und sieht heute mehr denn

je einer wirtschaftlich interessanten Zukunft entgegen.

Bild 6 |Gewölbte Dachverglasungskombination aus Polycarbonat-Hohlkammer- und Massivplatten




86 | Inhalt Band 6 | 2004

Ausgabe Juli | 2004

Seite

NSB® NewSteelBody – Karosserieleichtbau mit Stahl | 08

DR.-ING. HENRIK ADAM | ThyssenKrupp Stahl

DIPL.-ING. BERNHARD OSBURG | ThyssenKrupp Stahl

DR.-ING. LOTHAR PATBERG | ThyssenKrupp Stahl

DR.-ING. AXEL GRÜNEKLEE | ThyssenKrupp Stahl

DIPL.-ING. THOMAS FLÖTH | ThyssenKrupp Stahl

DIPL.-ING. MARTIN HINZ | ThyssenKrupp Stahl

Abgasrückführung aus NIROSTA® für Dieselfahrzeuge | 14

DR. RER. NAT. PANICOS PAPAIACOVOU | ThyssenKrupp Nirosta

Direktglühen – eine neue Straße im Fertigungsverfahren von ferritischem, rostfreiem Stahl 430 | 18

ING. LAURA ALLEVA | Centro Sviluppo Materiali

ING. ANTONIO BUFALINI | ThyssenKrupp Acciai Speciali Terni

ING. GUSTAVO BRASCUGLI | ThyssenKrupp Acciai Speciali Terni

ING. ROCCO SIANO | ThyssenKrupp Acciai Speciali Terni

Wassertanks aus rostfreiem Edelstahl | 24

GERHARD STICKER | ThyssenKrupp Mexinox

JORGE ABASCAL | ThyssenKrupp Mexinox

Presta DeltaValveControl – mechanisch kontinuierlich variable Ventilsteuerung | 28

DR.-ING. HELMUT SCHÖN | ThyssenKrupp Presta

Einführung der HSC-Technologie für den Werkzeugbau | 34

DIPL.-ING. DIETER KOESLING | ThyssenKrupp Gerlach

Das CPC-Verfahren für Leichtmetall-Fahrwerksteile | 40

DR.-ING. LARS WÜRKER | ThyssenKrupp Fahrzeugguss, Kloth-Senking Metallgießerei

DR.-ING. THOMAS ZEUNER | ThyssenKrupp Fahrzeugguss, Kloth-Senking Metallgießerei

Hängekabelloser Aufzug: Berührungsfreie Informations- und Energieübertragung | 46

DIPL.-ING. GERHARD THUMM | ThyssenKrupp Aufzüge

DIPL.-ING. (FH) MARKUS JETTER | ThyssenKrupp Aufzugswerke

Innovative Entwicklung eines horizontalen Bearbeitungszentrums – BLUESTAR 5 | 52

DIPL.-ING. (FH) HORST SCHMAUDER | Hüller Hille

DIPL.-ING. (FH) JOACHIM KRISCHKE | Hüller Hille


88 | Inhalt Band 6 | 2004

Ausgabe Dezember | 2004

Seite


DIPL.-ING. ERIK HILFRICH | ThyssenKrupp Stahl

DR.-ING. LOTHAR PATBERG | ThyssenKrupp Stahl


DR.-ING. BERNHARD ENGL | MgF Magnesium Flachprodukte


DIPL.-ING. KLAUS RUNTE | ThyssenKrupp Umformtechnik


DR. RER. NAT. LUTZ MANKE | ThyssenKrupp Federn

DIPL.-ING. HANS DZIEMBALLA | ThyssenKrupp Federn


DIPL.-ING. RALF KUSCHE | ThyssenKrupp Bilstein


DIPL.-ING. ULRICH HOCHER | ThyssenKrupp Drauz

DIPL.-ING. MICHAEL HAGE | ThyssenKrupp Drauz

DIPL.-ING. (FH) THOMAS KELLER | ThyssenKrupp Drauz


BRUCE N. GREVE (MENG) | ThyssenKrupp Budd Technology and Innovation Center


DR. TECHN. PETER MEUSBURGER | ThyssenKrupp Presta


DR. SC. TECHN. CHRISTOPH KLUKOWSKI | ThyssenKrupp Presta

DIPL.-ING. RONY MEIER | ThyssenKrupp Presta

DIPL.-ING. (FH) JOSEF BOERSMA | ThyssenKrupp Presta

DIPL.-ING. CARSTEN MANNECK | ThyssenKrupp Presta


DIPL.-ING. (FH) GERHARD THUMM | ThyssenKrupp Aufzüge


DIPL.-ING. KARL-HEINZ GERTJEGERDES | Johann A. Krause Maschinenfabrik

DIPL.-ING. (FH) CHRISTIAN PUNDT | Johann A. Krause Maschinenfabrik

DIPL.-ING. (FH) MICHAEL SCHMIDT | Johann A. Krause Maschinenfabrik

ThyssenKrupp techforum Juli | 2004

Techforum d 12 2004

Documents

Transcript of Techforum d 12 2004