Werkstoffe Titan auf dem Weg zur Serienumformung

Alle Welt spricht über die Reduzierung des CO2-Ausstoßes. Das hat auch die diesjährige Internationale Automobilausstellung in Frankfurt wieder deutlich werden lassen. Denn je leichter ein Fahrzeug – desto geringer der Schadstoff-Ausstoß. An diesem Punkt setzt der Abgasspezialist Eberspächer auf so genannte Tailored Strips (maßgeschneiderte Stahlbänder) und auf den leichten Werkstoff Titan. Im Schalldämpferbau lassen sich mit Tailored Strips Gewichts-einsparungen um bis zu 26%, mit Titan sogar um bis zu 40% erzielen.

Anbieter zum Thema

Dörken Coatings GmbH & Co. KG

MaSuB GmbH - Maschinen für die Schweißnahtvorbereitung und Blechbearbeitung

VdLB Verband deutscher Laseranwender - Blechbearbeitung e.V.

Eberspächer Climate Control Systems GmbH & Co. KG

Bei genauerer Betrachtung eines Schalldämpfers hinsichtlich bestimmter Kriterien ist zu erkennen, dass verschiedene Stellen recht unterschiedlich stark belastet werden. Bisher setzten die Abgassystem-Fertiger nur auf eine Lösung: Ein Edelstahl mit konstanter Wanddicke – zugeschnitten auf die höchste mechanische Belastung, die höchste Temperatur und den stärksten Korrosionsangriff, dem das Bauteil ausgesetzt ist – der sollte die Probleme lösen. Dem Leichtbau kam dieser Gedanke aber nicht so recht entgegen.

Mit den von Thyssen-Krupp entwickelten Tailored Strips ist es jetzt möglich, Materialstärke und -eigenschaften exakt auf die unterschiedlichen lokalen Anforderungen und Belastungen eines Bauteils zuzuschneiden. Tailored Strips sind Blech- oder Stahlbänder mit unterschiedlicher Dicke, Güte oder Festigkeit, die speziell für den jeweiligen Bedarf zusammengesetzt und durch Laserschweißen miteinander verbunden werden. Durch die konsequente Verringerung des eingesetzten Materials reduziert sich das Gewicht des Bauteils um mehr als 25%.

FEM-Simulation zur Berechnung verwendet

Der Abgasspezialist Eberspächer ist einer der ersten Hersteller, die ihren Kunden jetzt Abgasanlagen aus Edelstahl-Tailored-Strips anbieten: zum Beispiel Schalldämpfer oder Katalysator-Gehäuse. Um die erforderliche Wanddicke und die Dehnungen im umgeformten Bauteil zu berechnen, verwenden die Ingenieure des Abgasspezialisten FEM-Simulationen (Finite Elemente-Methode). Im Vergleich zu einem herkömmlichen Mittelschalldämpfer, der eine durchgängige Wandstärke von 1,2 mm aufweist, lassen sich auf diese Weise bedarfsgerechte Wandstärken zwischen 0,7 und 1,2 mm realisieren. Für ein Mittelklassefahrzeug, das mit zwei Schalldämpfern ausgestattet ist, bedeutet das letztlich eine Gewichtsersparnis von 2 bis 3 kg.

Die Mehrkosten, die das Laserschweißen verursacht, werden durch die Materialreduzierung mehr als ausgeglichen. Wie hoch der Kostenvorteil im Einzelfall ist, hängt von der Geometrie der jeweiligen Komponente sowie vom verwendeten Werkstoff ab.

Titan: eine Herausforderung für die Produktion

Noch größere Gewichtseinsparungen von bis zu 40% lassen sich mit Titan realisieren. Davon sind die Spezialisten überzeugt. Für diesen besonders leichten, aber auch schwierig zu verarbeitenden Werkstoff entwickelt Eberspächer derzeit geeignete Produktionsverfahren. Die ersten Musterteile aus Titan – diverse Schalldämpfer und Abgasrohre – wurden bereits hergestellt. Eine Serienproduktion von Titan-Bauteilen ist ab 2010 möglich, ist zu hören.

Außer seinem geringen Gewicht weist Titan eine hohe spezifische Festigkeit auf und ist zudem sehr widerstandsfähig gegen Korrosion. Trotz dieser positiven Eigenschaften konnte sich Titan bis heute in der Abgastechnik noch nicht durchsetzen. Das liegt unter anderem an der begrenzten Kaltumformbarkeit, die zu den wichtigen Schlüsseltechnologien in diesem Bereich zählt.

Mit der erfolgreichen Anpassung der Umform-Werkzeuge haben die Techniker von Eberspächer jetzt die Weichen für eine künftige Titan-Produktion gestellt. Wichtig war dabei vor allem, die große Rückfederung des Materials durch ein entsprechendes Überbiegen exakt und wiederholbar auszugleichen. Im nächsten Schritt werden die Schweißverfahren an die Titan-Verarbeitung angepasst beziehungsweise entsprechend weiterentwickelt.

Titan als Werkstoff der Zukunft

Reines Titan ist ein silberweiß glänzendes, gut dehn- und schmiedbares Leichtmetall, das sich durch hervorragende mechanische Festigkeit auszeichnet. Verunreinigtes, technisches Titan ist jedoch sehr spröde und hart, so dass es sich kaum schmieden lässt. Oberhalb von 426 °C nimmt die Festigkeit des Metalls ab, daher ist es als Werkstoff in reiner Form für höhere Temperaturen nicht geeignet. Es nimmt dann auch leicht Sauerstoff, Stickstoff und größere Mengen an Wasserstoff auf, so dass Sprödigkeit und Härte auch mit dem Ansteigen der Temperatur zunehmen. Titan tritt in zwei Modifikationen auf: Beim Erhitzen auf 882 °C geht hexagonales a-Titan in kubisches b-Titan über.

Titan in Zahlen

relative Atommasse: 47,867

rdnungszahl: 22?

hmelzpunkt: 1668 °C?S

depunkt: 3287 °C?Di

te: 4,54 g/cm3

Härte (Mohs): 3 bis 4

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