Laserverfestingen Lokale Verfestigung von Stahlblechen als Leichtbautechnik

Autor / Redakteur: Markus Wagner / Dietmar Kuhn

Leichte und zugleich unfallsichere Autos bauen – das muss sich nicht ausschließen. Mit einer neuen Leichtbautechnik lässt sich dieser Anspruch jetzt erfüllen. Damit kann nicht nur der Kraftstoffverbrauch gesenkt werden, sondern gleichzeitig auch die Herstellungskosten.

Firmen zum Thema

Bild 1: Eigenschaften von Karosseriebauteilen lassen sich durch eine Laserverfestigung verbessern: Im Crashtest wird geprüft, wie stark sich das Beispielbauteil unter einer Biegebelastung deformiert.
Bild 1: Eigenschaften von Karosseriebauteilen lassen sich durch eine Laserverfestigung verbessern: Im Crashtest wird geprüft, wie stark sich das Beispielbauteil unter einer Biegebelastung deformiert.
(Bild: IWS)

Die Automobilbranche muss umdenken: Nachdem jahrelang immer schwerere Autos gebaut wurden, müssen Fahrzeuge künftig leichter werden sowie ihren Verbrauch und CO2-Ausstoß senken. Eine Möglichkeit, den Verbrauch zu senken, ist der Leichtbau. Die Sicherheit der Fahrzeuginsassen darf darunter aber nicht leiden.

Bisher besteht die Fahrzeugkarosserie überwiegend aus einer homogenen Stahlblechkonstruktion mit konstanten Bauteilblechdicken.

Bildergalerie

Die Blechdicke sollte nicht überdimensioniert sein

Besonders lokal beanspruchte Bauteile werden allerdings häufig überdimensioniert, weil die Wandstärke entsprechend der höchsten lokalen Belastung ausgelegt werden muss. Das heißt, in niedrig belasteten Bereichen ist die Blechdicke höher als erforderlich, was ein unnötig hohes Bauteilgewicht zur Folge hat. Zudem setzt die Branche verbreitet preisintensive hochfeste Stahlbleche ein. Derzeit muss also stets ein Kompromiss zwischen Bauteilmasse, Bauteilkosten und Crashsicherheit eingegangen werden.

Forscher am Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS haben jetzt eine Leichtbautechnik entwickelt, mit der sich die Fahrzeugmasse senken und gleichzeitig eine ausreichende Crashsicherheit garantieren lässt (Bild 1). Sicherheit und Leichtbau erweisen sich dabei nicht als Widerspruch. Um die Eigenschaften von Karosseriebauteilen präziser auf die wirkenden Belastungen abzustimmen, verfolgen die Ingenieure einen neuartigen Ansatz: die lokale Laserverfestigung. Dabei setzen die Experten auf kostengünstige, niedrigfeste Stahlbleche mit minimierter Wanddicke. Diese werden lediglich in den stark beanspruchten Bereichen lokal verfestigt. Hierfür führen die Experten einen fokussierten Laserstrahl über die Oberfläche des unbehandelten Blechs.

Lokales Laserverfestigen bringt einen höheren Deformationswiderstand

Die so behandelten Zonen erwärmen sich oder schmelzen sogar auf und erstarren anschließend. Die Wärme wird schnell ins angrenzende kalte Material abgeleitet, wodurch sich die Spur rasch abkühlt. Dadurch entstehen harte Phasen und der Werkstoff wird deutlich verfestigt.

Erreicht wurden dabei Festigkeiten bis zu 1500 MPa. Das entspricht etwa dem Zweifachen des unverfestigten Grundwerkstoffs. Vor allem vordere und hintere Stoßträger am Fahrzeug sowie B-Säulen und diverse Versteifungsprofile können so gewichts- und belastungsoptimiert gestaltet werden.

Crashbelastungen bewirken komplexe Hochgeschwindigkeits-Deformationen im Bauteil. Durch das lokale Laserverfestigen streben die Wissenschaftler einen höheren Deformationswiderstand an.

Computer-Simulationstests bilden die Praxis ab

Zugleich lässt sich das Versagensverhalten beeinflussen, indem die Position der ersten plastischen Deformation vorgegeben wird. Damit dies gelingt, müssen die Forscher die optimale Lage und Geometrie der Verfestigungsspuren ermitteln. Sollen die Spuren spitz, schräg oder längs verlaufen? Wie muss das Material beschaffen sein, um die schwer deformierbare Verfestigungszone zu optimieren? Das können die Forscher in Simulationstests am Computer feststellen. Versuch und Simulation weichen dabei nur um wenige Millimeter voneinander ab.

Mithilfe der numerischen Simulation haben die Wissenschaftler ein crashoptimiertes Spurdesign für eine Biegebelastung entwickelt, wie sie beispielsweise beim Frontalaufprall auf einen Baum oder beim Seitencrash auftreten kann. Unter Einsatz des Lasers wurde das Spurdesign auf reale Bauteile übertragen. Dabei konnten sie die Durchbiegung eines lokal laserverfestigten Rohrprofils (Bild 2) im Vergleich zur Referenz halbieren – und das, obwohl etwa nur 3 % des Bauteilvolumens lokal verfestigt wurden. Die Crashperformance wurde verdoppelt.

Im Kundenauftrag haben die Forscher des IWS das Verfahren bereits auf die verschiedensten Crashprofile und Sitzkomponenten angewendet. Durch die neue, belastungsgerechte Gestaltung können sie die Wandstärke deutlich reduzieren und damit bis zu 20 % Bauteilgewicht einsparen, ohne dabei die Crashsicherheit zu vernachlässigen.

Im nächsten Schritt wollen die Wissenschaftler ihre Technologie durch ein automatisiertes Optimieren der Spurgeometrie perfektionieren.

MM

* Markus Wagner ist wissenschaftlicher Mitarbeiter am Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS in 01277 Dresden

(ID:42310567)