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Leichtbau Massivumformteile bieten viele Leichtbaumöglichkeiten

| Autor / Redakteur: Oliver Züchner / Stéphane Itasse

Unter dem Schlagwort massiver Leichtbau weist die gleichnamige Initiative auf die Möglichkeiten hin, den Rohstoff- und Energieeinsatz massivumgeformter Kfz-Bauteile zu senken. Doch auch bei Schienenfahrzeugen gibt es ungenutzte Leichtbaupotenziale.

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Bild 1: Ob ICE oder Nahverkehrszug – nach den Autoherstellern entdeckt auch die Bahnindustrie die Vorteile von Massivumformkomponenten für den Leichtbau.
Bild 1: Ob ICE oder Nahverkehrszug – nach den Autoherstellern entdeckt auch die Bahnindustrie die Vorteile von Massivumformkomponenten für den Leichtbau.
(Bild: Deutsche Bahn)

Die Leichtbaumöglichkeiten durch Einsatz optimierter massivumgeformter Bauteile untersuchte die Initiative Massiver Leichtbau zunächst an einem Pkw. Dann folgte 2014/15 eine Nfz-Studie, deren Umsetzung auf der Hannover-Messe vorgestellt wird. Referenzfahrzeug der Studie ist ein Transporter mit 3,5 t Gesamtgewicht (Nutzlast inklusive), 120 kW Leistung, 2,1 l Hubraum und Turbodiesel-Direkteinspritzung. Fazit: Von 2394 kg Fahrzeuggewicht entfielen 845 kg auf massivumgeformte Bauteile, die wiederum ein Einsparpotenzial von 99 kg bieten, zumal in Antriebsstrang und Fahrwerk. Die meisten Vorschläge entfielen dabei auf den konstruktiven Leichtbau, den Massivumformer am besten beherrschen, gefolgt von fertigungsbasierten Konzepten und stofflichem Leichtbau.

Die mit werkstofflichen Optimierungen verbundenen Freigabeprozesse sind zeitaufwendig, doch sie können sich lohnen. So ließen sich beim Getriebe durch festeren Stahl (20NiMoCr6-5 statt 20MoCr4) knapp 2,5 kg von 63 kg einsparen – bei einer Kostensteigerung von weniger als 1 Euro je Kilogramm Mindergewicht.

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Höherfester Stahl erlaubt auch Verbesserungen in der Konstruktion

Noch mehr brächte der Einsatz geschmiedeten, allerdings teureren Aluminiums. Beim Vorderachs-Schwenklager etwa könnte durch Verzicht auf gegossenes Eisen das Gewicht um 4,4 kg verringert werden (Bild 2 und 3). Geradezu simpel dagegen ist die Optimierung der 24 Radschrauben des Referenzfahrzeugs durch Einnapfung: 412 g Mindergewicht.

Weitere 2,5 kg Mindergewicht liegen in der Hinterachse. Sie zeigt, dass werkstoffliche, konstruktive und fertigungsbasierte Leichtbauansätze nicht scharf zu trennen sind. So kann mit höherfestem Stahl das Gewicht durch das Material selbst, aber auch konstruktiv verbessert werden, indem die Stärke der Rohrwand in Abhängigkeit von der Belastung modifiziert wird (Bild 4 bis 6). Dafür wiederum ist der Fertigungsablauf zu verändern, hier durch Rundkneten.

Die Einspritzleiste könnte durch höherfesten bainitischen Stahl und die belastungsabhängige Ausführung ihrer Wandstärke um 293 g leichter konstruiert werden (Bild 7 und 8). Für Massivumformer zeigt das Bauteil die Vorteile ihrer Verfahren im Vergleich zur üblicherweise hier verwendeten Zerspanung. Massivumformung bringt mehr Freiheit bei der sehr komplizierten Bauteilgeometrie. Teurer käme das Bauteil aber nicht: Höhere Kosten für Material und Fertigung würden durch verringerten Materialeinsatz und einfachere Prozesse aufgewogen. Denn während beim zerspanten Bauteil die von der Leiste abgehenden Kraftstoffabgänge aufgeschweißt werden, können sie nun zusammen mit der Leiste selbst geschmiedet werden.

Leichtbauveränderungen können hohen Organisationsaufwand bedeuten

Die konstruktiv optimierte Einspritzleiste und weitere 44 Leichtbauideen ermöglichen 23 kg Mindergewicht und wären in zwei, drei Jahren umsetzbar. Das Schwenklager und weitere 79 Ideen würden in drei bis fünf Jahren zu 38 kg Einsparung führen. Allerdings beruhen viele dieser Ideen auf werkstofflichen Verbesserungen, die Komponenten eventuell auch verteuern und damit die Umsetzung erschweren.

Weitere 38 kg Potenzial bieten 204 Ideen, die aber erst in vier bis acht Jahren realisierbar wären, wenn überhaupt. Denn der meist geringen Gewichtsreduktion stehen höhere Produktionskosten sowie Mehraufwand bei Entwicklung und Organisation entgegen. Ein Beispiel ist die Verbindung von der Kardanwelle zum Getriebe, die einige Hundert Gramm Gewicht einbrächte. Da aber zwei Bauteile betroffen sind, müssten mehr Personen und Abteilungen einbezogen werden.

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