Schichtverbundwerkstoffe Schichtverbunde als neue Werkstoffe für den Karosseriebau

Autor / Redakteur: Frauke Finus / M.A. Frauke Finus

Neue Schichtverbundwerkstoffe stellen eine Konkurrenz für Aluminium und Stahl im Karosseriebau dar. Auch wenn noch Fragen offen sind und bisher keine Serienreife erreicht ist, zeichnen sich die Vorteile und Möglichkeiten bereits heute ab. Ziel der Forschungen des Instituts für Umformtechnik der Universität Stuttgart ist, das Gewicht von Blech in der Fahrzeugstruktur zu reduzieren.

Firmen zum Thema

Beispiele für textile Maschenware.
Beispiele für textile Maschenware.
(Bild: ITV Denkendorf)

Im Karosseriebau werden traditionell überwiegend Stahlwerkstoffe verarbeitet. Aktuell findet eine Entwicklung hin zu neuen Werkstoffen statt. Im Gespräch mit Blechnet schätzt Prof. Dr. Ing. Mathias Liewald MBA, Leiter des Instituts für Umformtechnik der Universität Stuttgart, den Trend als technologisch attraktiv ein, denn „Stahlhersteller unterstützen den Karosserie-und Fahrwerksleichtbau derzeit entweder mit weiterentwickelten, presshärtbaren Stählen oder mit attraktiven kaltumformbaren Güten. Auch Aluminiumlegierungen für spezielle Einsatzzwecke in der Karosserie oder im Fahrwerk werden weiter entwickelt, um zumindest in Bezug auf den stofflichen Leichtbau einen Beitrag zu leisten.“ Verfahrenstechnologisch in ganz anderer Richtung interessant erscheinen Prof. Liewald derzeit die zahlreichen Initiativen und Projekte rund um Fasermaterialien in der Struktur und Außenhaut von Fahrzeugen. Als Umformtechniker favorisiert Liewald für Fahrzeugkarosserien die Werkstoffgruppen Aluminium und Stahl. „In der heutigen Diskussion um schichtartig aufgebaute, hybride Halbzeuge und um monolithische Faserbauteile sollten Produktionstechniker sich nicht so sehr von der momentanen, marktseitigen Attraktivität für die schwarze Faser leiten oder in der spezifischen Bewertung geeigneter Werkstoffe ablenken lassen! Wir sollten neben dem spezifischen Energieverbrauch zur Herstellung solcher Halbzeuge und Bauteile auch die Langzeitfunktionalität solcher Werkstoffe in der Karosseriestruktur, die Reparaturmöglichkeiten, die Crasheigenschaften, den Einsatz solcher Bauteilstrukturen unter extremen Witterungsbedingungen und natürlich auch den Recyclingaspekt beachten.“ So zeigen zum Beispiel aktuelle Forschungsarbeiten, dass üblicherweise eingesetzte Karosseriestähle und Primäraluminium, entsprechende Altfahrzeugverwertungskonzepte vorausgesetzt, mehrfach recycelt werden können. Das ist mit in Polymermatrix eingebetteten Fasern und dem Matrixwerkstoff derzeit noch nicht möglich. „Aus dieser Sicht kann gefolgert werden, dass metallische Werkstoffe wie Aluminium und höherfeste Stähle auch noch mittelfristig maßgebliche Komponenten moderner Fahrzeugkarosserien bestimmen werden.“

Das Gewicht von Blech als Halbzeug in der Fahrzeugstruktur reduzieren

So befasst sich das Institut für Umformtechnik unter anderem auch mit Schichtverbundwerkstoffen. Hier wird unter den vielen eine Gruppe von Schichtverbundwerkstoffen betrachtet, die aus Kombinationen von relativ dünn gewalzten Blechen aus rostfreien oder auch hochfesten Stählen, geeigneten Aluminiumlegierungen oder leistungsfähigen Kunststoffen mit jeweils dazwischenliegenden Schichten aus Klebstoff, Fasergewirken oder -gelegen bestehen. Liewald und seine Mitarbeiter verfolgen bei ihren Forschungen mit Schichtverbundwerkstoffen das Ziel, das spezifische Gewicht von Blech als Halbzeug, das in der Fahrzeugstruktur sowohl für flächige Strukturbauteile als auch für Außenhautkomponenten eingesetzt wird, zu reduzieren.

Bildergalerie
Bildergalerie mit 7 Bildern

Liewald erklärt: „Bisher haben wir Baukonzepte mit einem relativ dünn gewalzten Blech bis nur 0,3 mm Dicke in Kombination mit Fasern, Klebstoffen und Kunststoff und zahlreiche Konzepte mit zwei relativ dünn gewalzten Deckblechen und einer zwischen liegenden Faser- oder Kunststoffschicht verfolgt.“ Die Ergebnisse der Forschungsarbeiten hätten gezeigt, dass sich mit solchen Baukonzepten von Schichtverbundwerkstoffen langfristig sehr zahlreiche Ausführungsformen realisieren lassen, wobei die Halbzeuge spezifisch auf ihren Einsatzzweck in der Fahrzeugstruktur angepasst werden können. Und zwar mehr Ausführungsformen als es vergleichsweise mit monolithischen Blechwerkstoffen heute bisher möglich sei.

Umformtechnische Bearbeitung der Schichtverbundwerkstoffe

Die Forschungsarbeiten von Liewald und seinen Mitarbeitern drehen sich außerdem um die Möglichkeit der umformtechnischen Bearbeitung. Die Ergebnisse zeigen, dass das Formänderungsvermögen dieser Werkstoffe und vor allem die Neigung solcher Aufbaukonzepte zu Delamination stark von den Schichtdicken und den auftretenden Schubbelastungen durch die Bauteilkrümmung abhängig ist. Liewald sagt dazu: „Es lässt sich sagen, dass sich die Charakterisierung solcher Werkstoffe schwieriger gestaltet als bei Blechwerkstoffen und auch die Umformsimulation aufwändiger wird.“ Die bisherigen Forschungsarbeiten zeigen, dass keine speziellen Pressverfahren und Werkzeuge für umformtechnische Bearbeitungen nötig sind, „wobei natürlich spezielle Ausführungsformen der konventionellen Zieh- und Schneidwerkzeuge beachtet werden müssen“, erklärt Liewald. Doch für endgültige Aussagen seien weitere, anwendungsnahe Entwicklungsarbeiten nötig, um industriell umsetzbare Lösungen anbieten zu können. Bisher zeigen sich Grenzen der Umformung: „In vielen Fällen haben wir die textile Zwischenschicht möglichst drucksteif ausgeführt, was bei kleinen Radien Abdrücke auf dem außen liegenden Deckblech verursacht hat. Andererseits haben wir eher schubweiche, auch oftmals dünnere Zwischenschichten eingeklemmt, was zwar solche Abdrücke verhindert hat, jedoch stärker zum Versagen durch Delamination neigte.“ Diese beiden Versagensformen werden die Forscher der Uni Stuttgart also weiter beschäftigen, sie haben bereits mehrere Kombinationen gefunden, die den wichtigsten Anforderungen von Struktur- und Außenhautbauteilen genügen würden.

Noch kein Serieneinsatz möglich, es ist weitere Forschung nötig

Es stellt sich außerdem natürlich die Frage, ob solche Verbundwerkstoffe genügend Festigkeit für den Einsatz in Karosserien mitbringen. „Das ist eine gute Frage, was ist „genügend“? Die hier beschriebenen Baukonzepte für Schichtverbundwerkstoffe sind derzeit meines Wissens noch nicht industriell verfügbar, wobei ich noch hinzufügen muss, dass derzeit dafür noch keine serientaugliche Anlagentechnik entwickelt wurde. Unsere Forschungsergebnisse in Bezug auf Verarbeitbarkeit solcher Blechwerkstoffe hinsichtlich Tiefziehen, Streckziehen, Beschneiden und der sehr wichtigen Spezifikation der Klebstoffformulierung zeigen jedoch bereits, dass heute ein Einsatz solcher Werkstoffe in flachen Strukturteilen wie Motorhaube innen, Heckklappe innen und in einigen Außenhautbauteilen vorstellbar sind.“ Diese Werkstoffe weisen andersartige Festigkeitskennwerte auf als 5000er- oder 6000er-Aluminiumlegierungen und Stahlblechwerkstoffe auf, doch viel wichtiger erachtet Liewald die Erforschung des Potenzials solcher Werkstoffe in Bezug auf verbesserte Dämpfung und Dämmung, beispielsweise im Zusammenhang mit Geräuschentwicklung von Fahrzeugen.

Darüber hinaus können 35 % Gewicht eingespart werden und es ist zumindest ein bedingt tragfähiges Recyclerkonzept der ein- oder beidseitigen Deckblechlagen realisierbar. Dennoch weist Liewald darauf hin: „Ich halte die Frage nach einem Serieneinsatz der von uns untersuchten Verbundwerkstoffe für verfrüht. Insbesondere sind vorher noch Aufgabenstellungen in Bezug auf das Schweißen, die Oberflächenqualität umgeformter Bauteile, Korrosion, geeignete Klebstoffe und mehr zu lösen, um Automobilisten und Zulieferern konkrete Lösungen für eher wenig stark belastete Baugruppen der Karosserie anbieten zu können.“

(ID:42917738)