Aluminiumwerkstoffe: Die Großen Gewinner im Leichtbauwettkampf

Structocast: Ganzheitliche Entwicklungsdienstleistungen für Fertigungsunternehmen von Strukturguss-Komponenten

24. Januar 2018 | Engineering Service

Das Thema Leichtbau gewinnt in allen Bereichen der Automobilindustrie zunehmend an Bedeutung. Im Karosserierohbau der Zukunft sind Aluminiumwerkstoffe die großen Gewinner im Leichtbauwettkampf. Aktuellen Studien zufolge wird sich der Anteil der Aluminiumwerkstoffe im Karosserierohbau bis 2025 mehr als verdreifachen und fast 20 Prozent des gemittelten Rohbaugewichts abdecken. Bei höherwertigen SUVs und in der Oberklasse werden mehr als 30 Prozent – also rund 100 bis 130kg – des Rohbaus in Aluminium-Bauweisen umgesetzt. Grundsätzlich gilt, je kleiner und kostengünstiger die Fahrzeugklasse, desto geringer ist der Anteil von Aluminium-Bauweisen im Rohbau der Zukunft. Bei sehr günstigen Fahrzeugen wird auch weiterhin Aluminium nur eine geringe Bedeutung haben. Bei Sportfahrzeugen sowie insbesondere bei Elektrofahrzeugen (EV) ist der Aluminiumanteil deutlich höher und deckt häufig bis zu 100 Prozent der Werkstoffwertschöpfung ab.

Einerseits werden zukünftig Klappen (insbesondere Motorhauben und Türen) in Aluminium-Blechschalen-Bauweise umgesetzt, andererseits werden hochintegrative Strukturgusskomponenten sich dort in Großserien-Fahrzeugen etablieren, wo vorher stahlintensive Bauweisen dominiert haben.

Strukturguss auf dem Vormarsch

Bis 2025 ist eine Verdreifachung der Produktion von Strukturguss-Komponenten zu erwarten. Strukturguss wird verstärkt in Federbeindomstützen sowie in allen stark integrativen Knotenbereichen einer Karosserie eingesetzt. Diese Entwicklung stellt die produzierende Gießerei-Branche vor die große Herausforderung, den stark steigenden Bedarf an „crash-tauglichen“, hochkomplexen und fügbaren (Schweißen, Stanznieten etc.) Gussstrukturen zu bedienen. Gerade wenn der Antriebsstrang verstärkt elektrifiziert wird, müssen Tier1 die bislang im Bereich von Verbrennungsmotorkomponenten tätig waren, ihr Produktportfolio und ihre Kompetenzen erweitern, um an diesem hohem Wachstumsmarkt teilnehmen zu können. Zudem werden seitens der OEM zunehmend umfangreichere Kompetenzen erwartet, um Schnittstellen in der Entwicklung zu minimieren und neue Entwicklungen aus einer Hand abzudecken. Die Umsetzung einer leistungsstarken, wirtschaftlichen Strukturgusskomponente erfordert ein tiefgehendes Verständnis in der Fahrzeugfunktionsentwicklung, des Werkstoffpotentials, aller Prozessparameter während des Gussprozesses sowie der nachgelagerten Fertigungsschritte. Heute ist das Verständnis der sehr komplexen Abhängigkeiten dieser Disziplinen eine starke Herausforderung.

 

>>GERADE WENN DER ANTRIEBSSTRANG VERSTÄRKT ELEKTRIFIZIERT WIRD, MÜSSEN TIER1 IHR PRODUKTPORTFOLIO UND IHRE KOMPETENZEN IM STRUKTURGUSS ERWEITERN

Structrocast: Kompetentes Entwicklungsportfolio für Tier1 und OEM

Eine Lösung hierfür bietet die kooperative Unternehmung „Structocast“ und liefert ein kompetentes Entwicklungsportfolio sowohl für Tier1 als auch OEM-eigene Gießereiunternehmen an. Bei Bedarf deckt die Unterstützung die gesamte Prozesskette lückenlos von der ersten Konzeptskizze, über die gesamte Bauteilauslegung im Gesamtfahrzeug, Gießprozess-Simulationen, bis hin zur Fertigung testfähiger Prototypen in repräsentativen – d.h. für eine Serienvalidierung übertragbare – Prototypenverfahren im Niederdruckguss ab. Aktuelle und zukünftige Prozesse und Entwicklungen in allen Bereichen werden adäquat abgebildet. Structocast ist ein Zusammenschluss von Firmen mit hoher Expertise in sich ergänzenden Bereichen zum Thema Strukturguss. Teil dieser Unternehmung sind die Firmen Imperia GmbH (Karosseriekonzepte und Strukturauslegung), Magma GmbH (Gießprozess-Simulation), Grunewald GmbH & Co. KG (Prototypen- und Werkzeugfertigung) und das Gießerei-Institut der RWTH Aachen (Metallurgische Untersuchungen und Zukunftstrends). Die gießseitigen Kompetenzen erstrecken sich über alle interessanten Gussverfahren für den Karosserierohbau.

 

Die Structocast-Partner und ihre Aufgaben

Kompetenzen von Imperia

Imperia spielt eine entscheidende Rolle in der Konzeptfindung bis hin zur fertigen, funktionalen Auslegung von Strukturguss-Komponenten. Mit dem Verständnis der Gesamtkarosserieentwicklung im Rücken, sind die Experten in der Lage, die perfekten Einsatzbereiche und Anforderungen für Strukturguss zu identifizieren und mit den genannten Partnern effizient zu einer leistungsfähigen, gussgerechten Leichtbaustruktur zu entwickeln. Eine effiziente Entwicklung beinhaltet immer die frühzeitige Berücksichtigung der prozessbedingten Restriktionen und fertigungsseitigen Einflüsse auf die Herstellbarkeit und Bauteil-Performance. Hierzu gehören beispielsweise die Berücksichtigung der unvermeidbaren Ausbildung von Guss-Inhomogenitäten sowie prozessbedingte Einflüsse auf die Werkstoff-Eigenschaften, die sich auf Bruchdehnung und Festigkeit in der Crash- und Festigkeitssimulation auswirken können.

Die Simulation des Gießprozesses, als auch der Bauteilfunktion, gewinnt aus zwei Gründen an Bedeutung: Zum einen handelt es sich beim Aluminiumguss um einen sehr komplexen Prozess, bei dem die Gefügeeigenschaften durch eine Vielzahl von Faktoren beeinflusst werden. Zum anderen steigen die Anforderungen an die Vorhersagequalität für crash- und festigkeitsrelevante Strukturbereiche einer Karosserie.
Ein weiterer wichtiger Kompetenzbereich ist die Simulation von Serien-Strukturgussteilen, welche im vakuumunterstützen Druckguss hergestellt werden. Um die Effizienz zu steigern, erfolgt eine versuchstechnische Validierung durch kostengünstige, schnell herstellbare Sandguss-Prototypen. All dies muss zukünftig in einer geschlossenen numerischen Prozesskette abgebildet werden, um den stetig kürzer werden Entwicklungszeiten gerecht zu werden.

 

>>DER AUFWAND VERLAGERT SICH VERSTÄRKT IN DIE FRÜHE PHASE DER ENTWICKLUNG. GLEICHZEITIG MÜSSEN ENTWICKLUNGS- UND OPTIMIERUNGSSCHLEIFEN IM SPÄTEREN PROJEKTVERLAUF DEUTLICH REDUZIERT WERDEN

Entscheidende Marktvorteile sichern

rundsätzlich kann festgestellt werden, dass sich der Entwicklungsaufwand verstärkt in die frühe Phase der Entwicklung verlagert. Gleichzeitig müssen Entwicklungs- und Optimierungsschleifen im späteren Projektverlauf deutlich reduziert werden. Nur so lassen sich letztendlich Entwicklungszeit und -kosten nachhaltig reduzieren und es wird sichergestellt, dass überflüssiges Gewicht an den Stellen aus der Struktur entnommen wird, wo es unter den mechanischen Anforderungen nicht benötigt wird.

Ob der Gießerei-Kunde sich im Sinne einer „One-Shop“-Lösung für die gesamte Auslegung einer Strukturgusskomponente oder nur selektiv für Dienstleistungen von einzelnen Structocast-Partnern entscheidet: Er kann in jedem Fall davon ausgehen, dass das Team die komplexen Anforderungen einer Strukturgußfertigung verstanden hat und Leistungen zu seinem entscheidenden Marktvorteil liefert. Für alle Entwicklungen dieser Art stellt Structocast einen perfekten Partner dar, der neben dem aktuellen Projektgeschäft auch bei der Entwicklung neuer Kompetenzen mit hoher und vollumfänglicher Expertise zur Seite steht.

 

Prozesskette von Structocast

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