Blechlösungen für das Auto von morgen

Von Lothar Handge Im konzernübergreifenden Forschungsprojekt InCar hat die ThyssenKrupp AG innovative Technologien für den Automobilbau entwickelt. Das Projekt umfasst neue Lösungen sowohl für die Karosserie als auch für Fahrwerk und Antrieb. Bis zu 100 Ingenieure und Techniker aus zwölf Unternehmen des Konzerns waren am 35 Millionen Euro teuren InCar-Projekt beteiligt.

Nein – fahren kann man mit InCar nicht. Obwohl das Projekt der ThyssenKrupp AG eine Menge Komponenten bietet, die man für ein Automobil benötigt. Aber natürlich will der Stahlkonzern nicht unter die Automobilbauer gehen, sondern Hersteller von Werkstoffen, Blechen und Zuliefererteilen bleiben. Denn die Automobilindustrie ist ein wichtiger Markt für ThyssenKrupp. Der Konzern rangiert laut Dr. Ulrich Jaroni, Mitglied des Vorstands der ThyssenKrupp Steel Europe AG, unter den weltweit größten Zulieferern auf der zwölften Position. Im Geschäftsjahr 2007/2008 betrug der Anteil des Automobilumsatzes etwa 20 Prozent vom Gesamtumsatz des ThyssenKrupp Konzerns in Höhe von rund 53 Milliarden Euro.

Ziel von InCar ist es, den Kunden in die Lage zu versetzen, Ressourcen zu schonen, Kosten zu sparen oder Autos mit verbesserten Funktionen zu bauen. An InCar waren Ingenieure aus den Business Areas Steel Europe und Components Technology beteiligt. Dabei wurde, so Dr. Ulrich Jaroni, „das gesamte Automobil-Know-how des Konzerns zusammengeführt: Konstruktion und Produktionstechnik, Werkstoffentwicklung, Bauteilfertigung sowie Anlagen-, Werkzeug- und Prototypenbau für die Automobilproduktion“. Die ersten InCar-Bauteile werden bereits bei Automobilherstellern für die Serieneinführung erprobt.

Verbesserte CO2-Bilanz als Zielvorgabe

Aktuell wächst der Druck auf die Automobilindustrie, umweltfreundlichere und kostengünstigere Fahrzeuge mit verbesserten Funktionen herzustellen. Dr. Ulrich Jaroni betont: „Die Entwicklungsschwerpunkte sind eng mit unseren Kunden abgestimmt.“ So bietet beispielsweise InCar für den Klimaschutz Innovationen, mit denen sich insgesamt mehr als 17 Gramm CO2 pro gefahrenen Kilometer sparen lassen. Eine Ökobilanz für das InCar-Projekt, die den gesamten Produkt-Lebenszyklus einschließlich Produktion und Nutzungsphase abdeckt, wurde vom deutschen Institut PE International erstellt und vom TÜV Nord zertifiziert. Das Ergebnis: die ökologisch besten InCar-Lösungen sollen zusammen rund 5.500 Kilogramm CO2 pro Fahrzeug im Vergleich zum aktuellen Stand der Technik sparen.

Bei der Entwicklung hat das InCar-Team darauf geachtet, dass Automobilhersteller die neuen Lösungen möglichst reibungslos in die Serienproduktion übernehmen können. Dazu wurden die Kosten sowie die Methoden und Werkzeuge für die Fertigung untersucht, Prototypen auf eigens angefertigten Werkzeugen hergestellt sowie Crash- und eine Vielzahl von Belastungstests durchgeführt. Arbeiten also, die sonst beim Automobilhersteller vor der Integration neuer Lösungen in die Serienfertigung stattfinden. Dr. Ulrich Jaroni weiter: „Wir sehen derzeit keinen Wettbewerber, der etwas Vergleichbares bieten kann“.

InCar-Innovationen einfach übertragbar

Als Vergleichsmaßstab für die Karosserielösungen hat das InCar-Team ganz bewusst mit den gleichen Software-Werkzeugen wie die Automobilhersteller eine eigene, virtuelle Rohkarosserie eines Fahrzeugs der oberen Mittelklasse konstruiert. Der Vergleich der InCar-Lösungen mit einer Hersteller unabhängigen Referenzstruktur macht es laut Dr. Karsten Kroos, Vorsitzender des Bereichsvorstandes Components Technology, „den Kunden leichter, unsere Innovationen zu übernehmen und ihren jeweiligen Marken-, Design- und Produktionsstrategien anzupassen“.

Weil bei vielen Entwicklungen mehrere Lösungsalternativen entwickelt wurden, können sich die Kunden für eine leichtere, kostengünstigere oder auch funktional verbesserte Variante entscheiden.

Neue Wege geht ThyssenKrupp auch bei der Vermarktung, meint Dr. Karsten Kroos: „Wir werden unsere Kunden mit einem TechTruck aufsuchen, in dem wir die Projektergebnisse konzentriert und professionell aufbereitet erlebbar machen“. Mit dem TechTruck könne man schneller und flexibler auf Kundenanforderungen reagieren und die Leistungen vor Ort präsentieren, ohne dass der Kunde dafür größere Vorkehrungen treffen muss. Der TechTruck sei damit ein weiterer kleiner Baustein der Strategie, „Innovationen schnell ins Auto - also In Car - zu bringen“.

Aus 1 mach 2: Advanced-Door-Konzept

Zu den Projekt-Highlights gehört das Advanced-Door-Konzept, dass bei gleich bleibenden Kosten elf Prozent weniger Gewicht und eine verbesserte Crash-Performance bieten soll. Merkmale sind insbesondere ein hoch integriertes Türinnenblech und eine dünne, leichte Außenhaut aus hochfestem Dualphasenstahl. Beim Türinnenblech haben die Entwickler das herkömmliche einteilige Blech von oben nach unten in einen inneren und einen äußeren Teil getrennt. Das äußere Innenblech vereinigt nahezu alle Verstärkungsteile. Dadurch entfallen mehrere Einzelteile und Fügeoperationen und der Fertigungsaufwand im Rohbau verringert sich deutlich.

Herstellen lässt sich das äußere Innenblech aus einem hochfesten Tailored Blank aus warm umformbaren Stählen oder höchstfesten kalt umformbaren Werkstoffen. Verbunden sind das äußere und das innere Türinnenblech durch eine Laser-Schweißverbindung mit Steppnähten. Für die Außenhaut wird ein Blech mit einer Dicke von 0,55 mm aus hochfestem Dualphasenstahl verwendet, der eine Streckgrenze von 300 Megapascal (MPa) aufweist.

Leichtbau-Chassis-Konzept aus höherfestem Stahl

Im Projekt hat wurde zudem eine neue Hinterachse aus höchstfesten Leichtbau-Stählen entwickelt, deren Gewicht nur vier Prozent höher liegt als bei der Referenzlösung aus Aluminium. Dr. Ulrich Jaroni ergänzt: „In der ganzheitlichen Lebenszyklus-Betrachtung der Treibhausgasemissionen schneidet die Stahllösung mit 120 kg weniger CO2-Äquivalent pro Fahrzeug deutlich besser ab als die Referenz“.

Im Vergleich zum Hinterachsträger aus Aluminium fällt das Leichtbau-Chassis-Konzept II außerdem rund 50 Prozent kostengünstiger aus.

LCK II setzt auf den warmgewalzten Complexphasen-Stahl CP-W 800 mit einer Streckgrenze von 680 Megapascal (MPa) – deutlich mehr als die bislang im Fahrwerkbau überwiegend verwendeten Stähle. Eine weitere Besonderheit: Zweischalige Bauteile sind nicht wie üblich über Schweißflansche miteinander verbunden, sondern gewichtsmindernd im I-Stoß gefügt. Verbunden werden die Schalenbauteile mittels Laserhybrid-Schweißen. Die Schweißnähte erreichen dadurch mindestens die doppelte Lebensdauer von MAG-Schweißverbindungen.

Exklusive Lösung: Dachmodul aus Magnesium

Eher für exklusive und leistungsstarke Nischenfahrzeuge gedacht ist das InCar-Magnesium-Dach. Mit nur 8,94 kg ist das Rohbau-Dachmodul 62 Prozent leichter als die Benchmark aus Stahl. Gegenüber vergleichbar leichten Kohlefaserverbundwerkstoffen (CFK) hat das Magnesiumdach deutliche Kostenvorteile. Das Dachmodul aus Magnesium erfüllt die gängigen Crashanforderungen und weist Steifigkeitswerte auf, die die Vorgaben der Referenzstruktur leicht übertreffen. Als Fügetechniken eignen sich sowohl konventionelle Schweißverfahren wie Punktschweißen, MIG- und Laserstrahlschweißen als auch gebräuchliche kalte Fügeverfahren wie Nieten, Schrauben oder Kleben.

Um die unterschiedliche Wärmeausdehnung von Stahl und Magnesium auszugleichen, wird das Dachmodul durch Kleben mit der Rohkarosserie verbunden und im Bereich der B-Säule zusätzlich verschraubt. Die dabei entstehende Metallfuge lässt sich durch eine selbstklebende Schmutzdichtung schützen. Alle Teile des Rohbau-Dachmoduls sind aus Magnesium-Flachprodukten gefertigt, die auf Basis eines innovativen Gießwalzprozesses hergestellt werden.

Leichtgewicht: Dach aus Sandwichwerkstoff

Aus zwei dünnen Stahlblechen und einem Polymerkern besteht eine neue Dach-Außenhaut aus Sandwichwerkstoff, die 38 Prozent (oder 7,29 kg) leichter als das Stahldach der Referenzstruktur ist. Die Gesamtkosten liegen etwa 33 Prozent höher als beim konventionellen Stahldach. Das Leichtblech-Dach entlastet die Umwelt um 200 kg CO2-Äquivalent pro Fahrzeug.

Der steifigkeitsoptimierte Sandwichwerkstoff besteht aus 0,2 und 0,3 mm dicken Außenblechen, die über einen 0,4 mm dicken schubsteifen Polymerkern miteinander verbunden sind. Mit der Karosserie verbinden lässt sich das Sandwich-Dach durch Stanznieten und Laserlöten. Der Sandwichwerkstoff ist auch für andere Außenhautlösungen wie Motorhauben, Türen, Kotflügel, Heckklappen, Hutablagen oder Bodenbleche verwendbar. Je nach Anwendungsfall lassen sich dabei Stahlbleche mit anderen Dicken und Güten sowie unterschiedliche Kunststoff-Zwischenschichten kombinieren.

Tailored Tempering für B-Säulen

Eine neue Methode, um gewichtsoptimierte und gleichzeitig crashsichere Bauteile aus einem einzigen Blech aus Warm­umformstahl zu fertigen, ist Tailored Tempering. Die InCar-Entwickler haben die Technologie für die Prototypenfertigung von B-Säulen angewandt. Für die crashrelevanten Bauteile kam der neu entwickelte Warmumformstahl MBW 1900 zum Einsatz. Mit 1.900 MPa ermöglicht der Werkstoff eine im Vergleich zu bislang verfügbaren Warmumformstählen um 400 MPa höhere Bauteilfestigkeit. Die im Tailored Tempering hergestellte B-Säule ist bei gleicher Crash-Sicherheit 22 Prozent leichter als die Referenz und kostet neun Prozent weniger. Die neue Lösung verringert den Ausstoß an CO2-Äquivalent über die gesamte Lebensdauer um 122 kg pro Fahrzeug.

B-Säulen müssen Crashenergie nicht nur abhalten, sondern auch abbauen. Sie benötigen deshalb nicht nur eine hohe Festigkeit, sondern auch eine ausreichende Bruchdehnung für die Energieaufnahme. Bei Tailored Tempering verwendet man ein Warmumformwerkzeug mit gezielter Temperaturführung. Nur der obere Bereich der B-Säule wird während des Umformens rasch abgekühlt und erhält so seine hohe Festigkeit. Im Bereich des Säulenfußes ist das Werkzeug beheizt, damit sich diese Zone langsamer abkühlt. Entsprechend geringer ist die Steigerung der Festigkeit. Gleichzeitig hat das Bauteil in diesem Bereich eine höhere Bruchdehnung. Ein auf diese Weise hergestellte B-Säule hat im Fußbereich eine Bruchdehnung von 15 Prozent bei einer Zugfestigkeit von 700 MPa. Im oberen Bereich beträgt die Zugfestigkeit 1.900 MPa bei einer Bruchdehnung von etwa fünf Prozent.

Bis zu 27 Prozent Gewichtsvorteil gegenüber der Referenz und bis zu 13 Prozent weniger Kosten bietet das InCar-Konzept für vordere Längsträger, wenn man zusätzlich den neu entwickelten höchstfesten Mehrphasenstahl TPN-W 780 einsetzt und die Blechdicke entsprechend reduziert. Es basiert auf der von ThyssenKrupp entwickelten T3-Technologie für Profil-Bauteile. Die neue Lösung spart bis zu 125 Kilogramm CO2-Äquivalent je Fahrzeug im Vergleich zu einer zweiteiligen Schalenkonstruktion aus höherfestem Dualphasenstahl.

Längsträger als T3-Profil verringert Gewicht und Kosten

Mit der T3-Technologie lassen sich mehrere Einzelteile und Fertigungsschritte zusammenfassen. So ist das geschlossene Hohlprofil nach dem Umformvorgang bereits mit zwei rinnenförmigen Vertiefungen, zwei Positionierlochungen und Schweißflanschen an der Stirnseite ausgestattet. Gefertigt ist der Träger aus Tailored Blank-Formplatinen. Um die Übernahme geschlossener Profile in den automobilen Rohbau zu erleichtern, hat das Entwicklungsteam aufbauend auf dem Längsträger eine 16teilige Baugruppe entwickelt, die unter anderem auch die Federbein-Aufnahme umfasst. Dieses Modul lässt sich per Widerstandspunktschweißen in eine Rohkarosserie einbauen. Auch für den Einbau von Schottblechen in die Hohlprofile wurden seriennahe Lösungen erarbeitet. W

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