Aluminium-Schmiedeteile mit hochinteressanten Leichtbauoptionen

Bei der Verringerung des Fahrzeuggewichts profiliert sich geschmiedetes Aluminium als Alternative zum Stahlschmiede- oder Aluminiumgussteil. Entscheidende Produktivitätsfortschritte bei der...

Anbieter zum Thema

Schages GmbH & Co.KG

Franke GmbH

item Industrietechnik GmbH

Bei der Verringerung des Fahrzeuggewichts profiliert sich geschmiedetes Aluminium als Alternative zum Stahlschmiede- oder Aluminiumgussteil. Entscheidende Produktivitätsfortschritte bei der Großserienfertigung ermöglichen dem geschmiedeten Aluminiumteil zudem ein sehr wettbewerbsfähiges Preisniveau.Niedriges Gewicht führt zur Reduzierung der ungefederten Massen in Pkw-Fahrwerken und verbessert damit die Fahrsicherheit sowie den Komfort: Das entscheidende Argument für Aluminium-Schmiedeteile, wie beispielsweise den Querlenker (Aufmacherbild) für die Vorderachse des Audi A6 und VW Passat, ist die glatte Halbierung des Bauteilgewichts gegenüber einer Stahlkomponente gleicher Funktion. Ermöglicht wird dies durch die außergewöhnlich guten mechanischen Eigenschaften, die das Aluminium beim Schmieden erzielt.Bei diesem Querlenker erreicht man beispielsweise eine Zugfestigkeit von 440 MPa, eine Streckgrenze von 380 MPa und eine Bruchdehnung von mehr als 10%. Insbesondere bezüglich Streckgrenze und Bruchdehnung liegt man damit weit oberhalb des Niveaus, das mit den wesentlich häufiger eingesetzten Aluminium-Gusslegierungen üblicherweise erreicht wird.Hohe Festigkeit, Zähigkeit und LebensdauerBei der Entwicklung von Aluminiumkomponenten für moderne Pkw-Fahrwerke dominierte aus wirtschaftlichen Gründen das Gießen. In den letzten Jahren wurde eine ganze Reihe von Verfahrensvarianten entwickelt, die es ermöglichen, gute Werkstoffkennwerte im Gussteil zu erzielen. Solche Bauteile genügen durchaus den hohen Sicherheitsansprüchen für lebenswichtige Fahrwerkskomponenten.Das Schmieden hatte demgegenüber lange Zeit den Nachteil, dass die Bauteile teurer waren und die Gestaltungsfreiräume für den Konstrukteur zur Erzielung einer funktionsoptimierten Form oft deutlich eingeschränkter sind. Dass sich im Fahrwerksbereich trotz alledem ein sehr hoher Anteil von geschmiedeten Aluminiumbauteilen findet, erklärt sich nicht nur aus den hohen Sicherheitsansprüchen; zunehmend spielt hierbei auch die Produkthaftungsproblematik eine Rolle.Radführende Fahrwerksbauteile sollten sich nach missbräuchlicher Überlastung - zum Beispiel nach dem Schleudern gegen einen Bordstein oder dem Überfahren einer Verkehrsinsel - sichtbar verformen, aber nicht brechen. Diese Philosophie wird auch als ,,Leck vor Bruch" bezeichnet, nach dem Vorbild der alten Auslegungsregel für Dampfkessel, wonach der Druck Gelegenheit haben musste, durch einen Anriss zu entweichen, bevor der Kessel explodieren konnte.Da Schmiedeteile aus Aluminium neben ihrer hohen Festigkeit vor allem auch hohe Verformbarkeit und Zähigkeit aufweisen, kommen sie dieser Auslegungsphilosophie sehr entgegen. Aus diesem Grunde werden für Achskomponenten wie Querlenker, Schwenklager, Radträger, Spurstangen und Lagerböcke bevorzugt Aluminium-Schmiedeteile verwendet.Speziell für solche Anwendungsbereiche hat Otto Fuchs in Meinerzhagen die Aluminiumlegierung AlMgSiCu (Fuchs AS28) entwickelt, die bei gleicher Korrosionsbeständigkeit etwa 25 % höhere Festigkeitswerte erreicht als die früher verwendete ,,Standardlegierung" AlMgSi1. Ihre Streckgrenze liegt mit 380 MPa ganz erheblich über dem Niveau von 230 MPa der üblicherweise eingesetzten Kokillengusslegierung GK-AlSi7Mg und mit rund 10 % erreicht sie auch eine deutlich bessere Bruchdehnung.Auch bei schwingender Beanspruchung weist sie neben klar überlegener Dauerfestigkeit auch im Kurzzeitfestigkeitsbereich Vorteile auf, weil sie aufgrund ihres guten Verformungsvermögens Überbeanspruchungen abbauen kann. Den praktischen Nutzen verdeutlicht am bes-ten der Vergleich mit realen Beanspruch-ungen: So erreichte der Schmiedewerkstoff bei der Computer-Simulation der Fahrbetriebsbeanspruchungen des Nürburgrings eine um den Faktor 40 (!) höhere Lebensdauer als die Gusslegierung.Zum Erfolg geschmiedeter Aluminiumkomponenten trägt sicherlich auch bei, dass Aluminium-Schmiedeteile heute in Großserie viel rationeller produziert werden können als noch Mitte der 80er Jahre. Die Aluminiumschmieden, deren Kundschaft traditionell aus dem Bereich Luft- und Raumfahrt kommt, verfügten bis vor wenigen Jahren vielfach nur über Einrichtungen, die für kleinere bis mittlere Serienlosgrößen bei gleichzeitig höchsten Ansprüchen an die Qualität ausgelegt waren.Das prägte natürlich die Kostenstrukturen. In den letzten 15 Jahren gab es auf diesem Gebiet eine regelrechte Revolution der Verfahrenstechnik für die Großserienfertigung. Mittlerweile hat die entsprechende Prozesstechnologie einen Stand der Produktivität erreicht, der sich - bei uneingeschränkt hohem Sicherheitsniveau - kaum noch von dem der Stahlschmieden unterscheidet. Die Fertigungsprozesse sind voll verkettet, alle Arbeitsgänge wie Materialvorbereitung, Schmiedeprozess und abschließende Wärmebehandlung aus der Schmiedehitze laufen integriert ab.Im Kfz-Bereich konnten dadurch die Kosten pro Teil geradezu dramatisch reduziert werden, so dass der Automobilindustrie Aluminium-Schmiedeteile zu äußerst wettbewerbsfähigen Preisen zur Verfügung gestellt werden können.Sorgfältige Abstimmung von Werkstoff und VerfahrenDas hohe Festigkeitsniveau der Teile ist das Ergebnis langjähriger konsequenter Entwicklungsarbeit. Hierbei spielt eine wichtige Rolle, dass Otto Fuchs seine Legierungen selbst erschmilzt. Da die Prozesse in der eigenen Gießerei sehr präzise beherrscht werden, können die Werkstoffe mit äußerst engen Toleranzen spezifisch auf das jeweilige Verfahren hin optimiert werden.Je enger die Toleranzen schon bei der Zusammensetzung des Werkstoffs, desto geringer sind die Streuungen im weiteren Verlauf der Prozesskette. Zudem kann die Faserrichtung des Materials bei der Umformung aufgrund der genauen Kenntnis des Materialverhaltens in Richtung der Hauptbeanspruchung gelenkt und dadurch die ausgeprägte ,,Richtwirkung" des Schmiedens auf die Festigkeitseigenschaften optimal genutzt werden.Gerade bei solchen anwendungsbezogenen Entwicklungen, bei denen es um die Feinabstimmung des komplexen Zusammenspiels von Werkstoff und Verfahren geht, verfügt das Unternehmen über sehr viel Erfahrung. Zudem ermöglicht dies auch besonders wirtschaftliche Lösungen, zum Beispiel durch die Wärmebehandlung direkt aus der Schmiedetemperatur heraus.Es hat übrigens wenig Sinn, ein bisheriges Stahlbauteil in der gleichen Form einfach aus Aluminium fertigen zu wollen. Aluminium fließt bei der Verformung anders als Stahl. Optimale Ergebnisse kann man nur erzielen, wenn die Aluminium-Schmiedefachleute gleich zu Beginn der Entwicklung eingeschaltet werden. Nur dann besteht die Möglichkeit, material- und prozessgerecht zu konstruieren und somit das Optimum herauszuholen.Trends bei der konstruktiven AuslegungDer großserienmäßige Einsatz von Aluminium hat bei ganzheitlicher Betrachtung über die Gewichtsreduzierung im Fahrwerk hinaus auch noch positive Auswirkungen auf andere Fahrzeugbereiche. Viele Konstrukteure übersehen, dass bei der Reduzierung der ungefederten Massen an den Achsen auch geringere Reaktionskräfte an den Achsanlenkungspunkten der Karosserie auftreten. Die in vertikaler Richtung in die Karosserie eingeleiteten Kräfte sind den ungefederten Massen und deren Beschleunigungen proportional.Bei kleiner Radmasse beziehungsweise geringer Vorderachsmasse reduzieren sich somit die Schnittkräfte zwischen Achsanlenkung und Karosserie, was natürlich wiederum bei der Auslegung der Karosserie berücksichtigt werden kann. Dadurch sind zusätzliche Gewichtseinsparungen bei den umgebenden Baugruppen möglich.Geometrie und Bauteilgröße gelten als wichtige KriterienMit geschmiedeten Aluminiumbauteilen sind sehr interessante Lösungen darstellbar. Allerdings kommen wie bei jeder anderen Technologie die Vorteile des Aluminiumschmiedens nur innerhalb bestimmter Rahmenbedingungen optimal zur Geltung. Wichtigste Kriterien sind die geometrische Komplexität und die Größe der Teile. Vor allem bei zu komplexen Geometrien und bei zu großen Flächen werden die Grenzen des Machbaren vor allem durch wirtschaftliche Faktoren vorgegeben.Entscheidend für die Kunden in der Kfz-Branche und deren Zulieferindustrie ist natürlich auch, dass die Prozesse auf einem Niveau beherrscht werden, das selbst die strengsten Anforderungen an die Fertigung von Sicherheitsbauteilen erfüllt. Dies umfasst neben der ,,normalen" Qualitätssicherung auch Aspekte wie Korrosionsschutz und Oberflächenbehandlung. Von Vorteil ist natürlich, dass im Unternehmen schon immer ein hohes Qualitätsbewusstsein vorhanden war.Dieses Potential wird durch Implementierung eines kontinuierlichen Verbesserungsprozesses konsequent gefördert. Nach außen wird dies durch Zertifizierungen wie DIN ISO 9001, QS 9000 nach VDA 6.1 und zahlreiche Lieferantenzulassungen für die Luftfahrt dokumentiert. Selbstverständlich gehört zum Qualitätsaspekt auch die Versorgungssicherheit für den Kunden. Dies wird durch ausreichende Redundanz der Anlagen im Fall längerfristiger Störungen und ausgereifte Just-in-time-Logistikkonzepte für das Handling von Großserien mit mehreren 1000 Teilen pro Tag sichergestellt.Zur Verantwortung gegenüber dem Produkt gehört aus Sicht des Hauses Otto Fuchs übrigens untrennbar auch die Verantwortung gegenüber der Umwelt. Als logische Folge wurde bereits vor Jahren ein Umweltmanagementsystem nach DIN EN ISO 14001 eingeführt, das seit 1999 auch zertifiziert ist.