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Space-Frame-ähnliche Strukturen als potenzielle Einsatzbereiche

Umformen: Magnesium bietet vielversprechendes Leichtbaupotenzial
Space-Frame-ähnliche Strukturen als potenzielle Einsatzbereiche

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Der klassische Weg zum gewichtsoptimierten Fahrzeug liegt im Einsatz leichter Werkstoffe. Magnesium in Form von Strangpressprofilen oder Schmiedeteilen besitzt in puncto Leichtbau ein vielversprechendes technisches Potenzial.

Dr.-Ing. Anton Stich ist Entwicklungsingenieur in der Abteilung für Werkstoffe, Verfahren, Recycling der Audi AG in Ingolstadt; Prof. Dr.-Ing. Hans Günther Haldenwanger ist Leiter Entwicklung Werkstoffe, Verfahren, Recycling des genannten Unternehmens

Die Verringerung des Kraftstoffverbrauchs und der Schadstoffemissionen ist ein erklärtes Ziel in der Automobilindustrie. Ein großes Potenzial zur Verbrauchsreduktion liegt in einem verminderten Fahrzeuggewicht. Magnesium-Werkstoffe und entsprechende Fertigungsverfahren können einen wichtigen Beitrag auf dem Weg zum gewichtsoptimierten Fahrzeug leisten.
Der Einsatz von Magnesium im Pkw-Bau beschränkt sich heute auf gießtechnisch hergestellte Bauteile mit Schwerpunkt der Anwendungen im Innenraum und im Antriebsstrang. Obwohl das Leichtbaupoten-zial von Magnesium insgesamt vielversprechend ist, ist der Massenanteil im Fahrzeug mit meist deutlich unter 1 % derzeit noch sehr gering. Limitierend wirken vor allem die niedrigen Festigkeiten der verfügbaren Gusslegierungen unter schwingender Beanspruchung und in Wärme, die unzureichende Beständigkeit gegenüber (Kontakt-)Korrosion sowie ökonomische Faktoren.
Für Anwendungen in der Karosserie und im Fahrwerk versprechen Magnesium-Knetwerkstoffe als Blech-, Profil- oder Schmiedeteil technische Verbesserungen. Für Großserienanwendungen müssen jedoch verschiedene technische und wirtschaftliche Rahmenbedingungen verbessert werden.
Das Leichtbaupotenzial von Magnesium-Strangpressprofilen hängt wesentlich von der Beanspruchung der Bauteile ab. Werden entsprechende Teile vorwiegend auf Steifigkeit ausgelegt, wie das bei den geschlossenen Hohlprofilen in der Rohkarosserie überwiegend der Fall ist, so kann mit Magnesium in Substitution zu Stahl und Aluminium umso mehr Gewicht eingespart werden, je höher der Anteil der Biegesteifigkeit im Vergleich zur Zug-, Druck- und Schubsteifigkeit ist.
Geschmiedete Bauteile sind gasdicht und porenfrei
Ein wesentlicher Vorteil beim Einsatz von Magnesium-Profilen gegenüber Gussbauteilen liegt in den deutlich besseren mechanischen Eigenschaften. So wird in Strangpressprofilen der Legierung AZ31 bei einer Streckgrenze von 160 MPa eine Bruchdehnung von 15 % erreicht, während die duktile Druckgusslegierung AM50 nur eine Bruchdehnung von etwa 8 % bei deutlich niedrigeren Festigkeitswerten von etwa 110 MPa besitzt. Noch signifikanter sind die Verbesserungen in der Schwingfestigkeit, da sich beim gegenwärtigen Stand der Gießtechnik festigkeitsmindernde Lunker und Poren in Gussbauteilen nicht vermeiden lassen.
Unter den genannten Rahmenbedingungen ergeben sich Einsatzbereiche für Magnesium-Profilhalbzeuge im Automobilbau insbesondere in Space-Frame-ähnlichen Karosseriestrukturen und im Innenraum für Sitze, Instrumententafelträger oder Türrahmen.
Durch die Kombination von Strangpressprofilen mit komplexen dünnwandigen Gussbauteilen, die mehrere Funktionen in einem Bauteil integrieren, lassen sich bei verschiedenen Anwendungen die Vorteile beider Fertigungsverfahren miteinander verbinden. Eine wesentliche Voraussetzung hierfür ist das Beherrschen geeigneter Fügetechniken für artgleiche Verbindungen sowie für das Einbinden der Magnesium-Profile in Aluminium- oder Stahlstrukturen. Darüber hinaus gilt es, Kontaktkorrosion durch konstruktive oder beschichtungstechnische Maßnahmen zu vermeiden.
Entscheidend für den zukünftigen Einsatz von Magnesium-Profilen wird außerdem sein, inwieweit sich die für Aluminium und Stahl bestehenden Fertigungsstrukturen auf die Magnesium-Profiltechnologie übertragen lassen und wie sich das Energieabsorptionsvermögen entsprechender Profilwerkstoffe darstellt. Auf Grund der hexagonalen Kristallstruktur des Magnesiums ist das Verformungsvermögen bei Raumtemperatur im Vergleich zu Aluminium begrenzt.
Durch den Einsatz des Schmiedens ergeben sich gegenüber dem Gießen eine Reihe interessanter Vorteile: Schmiedebauteile sind gasdicht und porenfrei und weisen ausgezeichnete statische und zyklische Festigkeiten bei gleichzeitig hoher Duktilität auf. Auf Grund ihres guten Plastifizierungsvermögens und dem schadenstoleranten Werkstoffverhalten bei Überlast werden sie gegenwärtig bevorzugt für radführende Bauteile im Fahrwerk eingesetzt – und das, obwohl Gussbauteile den Anforderungen bezüglich Betriebsfestigkeit oftmals vollständig genügen.
Das technische Potenzial geschmiedeter Magnesium-Bauteile ist vielversprechend. Allerdings stellt der Einsatz des Werkstoffs bei Sicherheitsbauteilen im Fahrwerk auf Grund der hohen Anforderungen und dem Mangel an aktuellen Praxiserfahrungen noch eine große Herausforderung dar. Er ist daher erst mittel- bis langfristig zu erwarten.
Geschmiedetes Magnesium ist gegossenem deutlich überlegen
Insbesondere besteht noch erheblicher Wissensbedarf zum zyklischen Werkstoffverhalten bei Einstufen- und Kollektivbeanspruchung unter Korrosion und bei erhöhter Temperatur sowie zum Verhalten bei missbräuchlicher Nutzung des Fahrzeugs.
Im Rahmen einer Machbarkeitsstudie wurde eine werkstoffliche Voruntersuchung durchgeführt, die das Potential des Schmiedens von Magnesium gegenüber dem Gießen, und von Magnesium gegenüber Aluminium aufzeigen sollte. Die im Zugversuch ermittelten Eigenschaften zeigen, dass das geschmiedete Magnesium dem gegossenen deutlich überlegen ist und annähernd die Festigkeiten der im Fahrwerk häufig eingesetzten warm-ausgehärteten Aluminium-Gusslegierung AlSi7Mg erreicht. Bei schwingender einachsiger Beanspruchung in trockener Umgebung sind bei sehr hohen Lastspielzahlen sogar ähnlich hohe Beanspruchungen wie bei der untersuchten Aluminium-Schmiedelegierung möglich.
Der Leichtbau mit Magnesium im Pkw-Bau steht in Konkurrenz zu Stahl, Aluminium und Kunststoffen. Eingesetzt werden diejenigen Werkstoffe und Verfahren, die einen optimalen Kompromiss zwischen Funktionserfüllung, Gewichtsreduzierung, Kosten und Terminen ermöglichen. Magnesium-Strangpressprofile und -Schmiedeteile bieten hierfür ein vielversprechendes technisches Potenzial. Im Automobil-Rennsport sind Schmiedebauteile aus Magnesium bereits im Einsatz. Außerhalb des Rennsport-Bereichs ist allerdings mittelfristig nur ein Einsatz in Nischen- und Premium-Fahrzeugen zu erwarten. Die derzeit noch relativ hohen Kosten und teilweise fehlende Praxiserfahrungen und Detaillösungen sind gewichtige Faktoren, die einem baldigen Einsatz in der Pkw-Großserie entgegenstehen.
Magnesium
Magnesium ist der leichteste metallische Konstruktionswerkstoff in der Automobilindustrie. Mit einer Dichte von 1,8 g/cm³ ist es etwa um den Faktor 1,5 leichter als Aluminium. Es zeichnet sich durch gute spezifische Festigkeiten, ausreichende Duktilität und gute Wiederverwertbarkeit aus. Zudem ist es leicht zu bearbeiten und mit geringen Wandicken zu gießen. Nachteilig ist die im Vergleich zu Aluminium geringere Steifigkeit, Zähigkeit und Schwingfestigkeit. Hinzu kommen Faktoren wie mangelnde Beständigkeit gegenüber Kontakt-Korrosion sowie hohe Materialkosten.
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