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Scalight-Projekt Neue Stahlwerkstoffe und Fertigungstechnik als Basis für den künftigen Automobilbau

| Redakteur: Dietmar Kuhn

Die Zukunft verlangt nach ressourcenschonenden Automobilkonzepten. Diese sind, wie das Ergebnis des nun abgeschlossenen Entwicklungsprojektes Scalight (Scalable Autobody Lightweight Concept) zeigt, mit dem so genannten Stahl-Spaceframe zu realisieren. In diesem Projekt untersuchten und entwickelten die Unternehmen Salzgitter und Wilhelm Karmann gemeinsam mit Technologie-Partnern eine skalierbare Basisstruktur für zeitgemäße Wege im Karosseriebau.

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Innerhalb des Scalight-Projektes wurden nicht nur neue Werkstoffe entwickelt, sondern auch intelligente Halbzeuge im Einklang mit der Fertigungstechnik konzipiert. Bild: Salzgitter AG
Innerhalb des Scalight-Projektes wurden nicht nur neue Werkstoffe entwickelt, sondern auch intelligente Halbzeuge im Einklang mit der Fertigungstechnik konzipiert. Bild: Salzgitter AG
( Archiv: Vogel Business Media )

Seit 2005 untersuchen die Salzgitter AG und die Wilhelm Karmann GmbH innerhalb des Projektes Scalight gemeinsam, wie man Stahl und Leichtbau sowie entsprechende Fertigungs- und Produktionslösungen in einer optimalen Verbindung und unter wirtschaftlichen Bedingungen zusammenbringen kann. Die Vorgaben für leichtere und sparsamere Automobile der Zukunft sind einerseits getrieben von den hohen Kraftstoffpreisen und den sich damit verringernden Ressourcen und andererseits vom hohen Kostendruck, der vor allem auf den Fertigungsunternehmen lastet.

Dabei dürfen Sicherheits- und Komfortaspekte aber keinesfalls vernachlässigt werden. Diese Vorgaben forderten eine Menge Innovationspotenzial aller Partner. Scalight wurde als Weiterentwicklung auf das ebenfalls von den beiden Partnern vorangetriebene Atlas-Projekt aufgesetzt.

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Drei Fahrzeugtypen aus einer skalierbaren Basisarchitektur

Als Ergebnis steht nun eine skalierbare Basisarchitektur für einen Roadster, ein Cabriolet sowie einen SUC (Sports Utility Convertible) (Bild 1), die jeweils mit einem geringen Aufwand modifizierbar ist und somit den wirtschaftlichen Karosserie-Rohbau möglich macht. Die Basiszelle besteht dabei im Wesentlichen aus vereinheitlichten (fast standardisierten) Profilkomponenten. Dadurch ist ein schnelles Umrüsten mit wenigen Teilen und einfachen Verfahren möglich, die sowohl beim Materialeinsatz als auch bei den Fertigungsverfahren einenormes Einsparpotenzial bieten. Entwickelt wurde auch mit dem Ziel, die Ergebnisse für eine innovative Serienfertigung umzusetzen.

Rollprofile und Rohre bilden das Gerüst der Karosserie

Scalight muss man sich wie einen Modulbaukasten vorstellen. Als Basis dafür dienen die vereinheitlichten Profilkomponenten. Diese wurden so konzipiert, dass sie praktisch als Schnittstellenstruktur die Verbindung der Basisarchitektur mit dem dann folgenden markenspezifischen Aufbau darstellen. Zur Basisarchitektur zählen beispielsweise die Längsträger aus Rollprofilen (Bild 2) und die innenhochdruckumgeformte (IHU) A-Säule aus flexibel gewalztem Vormaterial (Bild 3).

Die Interfacestruktur besteht dabei aus der Stirnwand (aus Magnesium), dem Federbeintopf aus einer Patchwork-Platine, dem Boden aus Tailored Blanks, kombiniert mit Patchwork-Platinen (Bild 4), während der markenspezifische Aufbau aus Beplankung und Anbauteilen, also Seitenteilen und Kotflügel- sowie Haubenteilen, die aus Stahl, Magnesium oder Aluminium gefertigt werden, besteht.

Ausgangspunkt für dieses Automobil-Leichtbaukonzept ist der Werkstoff Stahl, der immer noch der klassische Automobilwerkstoff ist und aufgrund seiner Modifikationen und Weiterentwicklungen in Verbindung mit der besonderen Fertigungstechnik auch bleiben wird. Vor allem sind es die höherfesten Feinbleche mit sehr guten Umformeigenschaften, die bei gleichzeitig besseren Crasheigenschaften eine beachtliche Reduzierung der Blechdicke erlauben.

Das Scalight-Projekt ließ neue Werkstoffgüten entstehen

Die derzeit modernsten industriell produzierten Werkstoffe der Salzgitter AG innerhalb des Scalight-Projektes bilden die Basis für sichere und leichte Bauteile im zukünftigen Rohbau. Für das Projekt wurden spezielle Stahlwerkstoffe wie beispielsweise Dualphasen- und Complexphasenstähle neu beziehungsweise weiterentwickelt. Auf den Einsatz von Warmumformstählen wurde aufgrund des kostenaufwändigeren Umformprozesses verzichtet. Alle verwendeten Stahl- und Magnesiumgüten wurden in Form von zugeschnittenen Blechen oder Bändern zur Verfügung gestellt (Bild 5).

Entscheidend für die Leichtigkeit und die trotzdem hohe Sicherheit mit neuen Standards im künftigen Automobilbau sind die so genannten Tailored Blanks und Tailored Tubes. Dabei werden lineare Tailored Blanks beispielsweise durch Laserstrahlschweißen aus mehreren und unterschiedlichen Blechzuschnitten, aus verschiedenen Werkstoffgüten, Dicken und Beschichtungen zusammengefügt. Tailored Produkte sind maßgeschneiderte Bleche oder Rohre, die örtlich, je nach Belastung und den geforderten Festigkeiten verstärkt sind.

Tailored Rolled Blanks haben an den Dickenübergängen einen stetigen Verlauf und keinen abrupten Übergang mit gestörtem Faserverlauf. Infolgedessen ist auch der Spannungsverlauf sehr harmonisch gestaltet. Tailored Rolled Tubes (TRT) sind Rohrprodukte entsprechend den Tailored Rolled Blanks. Für die Herstellung des Halbzeugs der einteiligen A-Säule hat die Muhr und Bender KG in Attendorn, ein Partnerunternehmen der Salzgitter AG, eine Großserienanlage für die diskontinuierliche Fertigung von TRT genutzt.

In diesem Verfahren werden die zuvor flexibel gewalzten Platinen in einem entsprechenden Werkzeug zum Rohr eingeformt (Bild 6) und anschließend wird die Naht innerhalb einer speziell konzipierten Laserschweißanlage gefügt. Der im Rohr, mit unterschiedlich wechselnden Querschnitten, eingewalzte Blechdickenverlauf wurde dabei exakt an den Belastungsfall angepasst und wie übrigens alle Bauteile simuliert.

Der Materialmix macht Autos leichter und stabiler

In diesem Zusammenhang ist mit den Patchwork-Platinen eine weitere Halbzeugentwicklung zu nennen. Diese bestehen beispielsweise aus einer Grundplatine sowie aus verschiedenen lokalen Verstärkungen, den so genannten Patches. Diese werden mit dem Trägerteil in einem Punktschweißverfahren verbunden und kommen dort zum Einsatz, wo örtlich begrenzt höhere Materialanforderungen gestellt werden, auch in Kombination mit Tailored Blanks.

Obwohl die meisten Bauteile innerhalb des Scalight-Projektes in Stahl ausgeführt sind, wird für die Stirnwand auch Magnesiumblech eingesetzt. Als ein metallischer Ultraleichtbauwerkstoff lässt sich Magnesiumfeinblech insbesondere für großflächig dünnwandige, biege- beziehungsweise beulsteife Bauteile des Fahrzeuginnenraums, wie etwa Querträger und Sitze, und der Karosserie, hier für Klappen, Dächer und Türen, anwenden. Ausgehend von einer Magnesium-Legierung (AZ31) zielt die Gütenentwicklung der Salzgitter Magnesium Technologie GmbH auf höher verformbare Blechhalbzeuge mit anforderungsgerechter Oberflächenqualität, um eine Blechumformung mit etablierten Formgebungsverfahren und Prozessabläufen zu gewährleisten. Komplexere Geometrien erfordern allerdings eine temperierte Blechumformung bei Temperaturen zwischen 100 und 300 °C.

Mit der Entwicklung neuer Stahlwerkstoffe, dem Einsatz von Magnesiumwerkstoffen, der entsprechenden Fertigungs- und Montagetechnik hat das Scalight-Team eine völlig neue Konzeption entwickelt, nach der sich in naher Zukunft individuelle Automobile verschiedener Kategorien leicht und kosteneffizient herstellen lassen. Das abgeschlossene Projekt wird während der IAA in Frankfurt der Öffentlichkeit vorgestellt.

Tailored Rolled Blanks: Flexibles Walzen

Das Flexible Walzen ist eine neuartige Fertigungstechnologie, die für den Fahrzeug-Rohbau ein Halbzeug zur Verfügung stellt, das belastungsoptimierte Blechdicken aufweist. Aufgrund dessen bieten Tailor Rolled Blanks (TRB) ein großes Potenzial für den automobilen Leichtbau. Das Verfahren hat seinen Ursprung am Institut für Bildsame Formgebung der RWTH Aachen und wird heute bei der Muhr und Bender KG für eine großserienreife Produktion ausgebaut. Damit steht dieses Verfahren für den optimalen Wissens-Transfer zwischen einer Hochschule und einem mittelständischen Unternehmen aus dem Automobilzulieferbereich.

Die anwendungsorientierte Forschung des Institutes in Kombination mit der Flexibilität eines familiengeführten Unternehmens ermöglicht auch heute noch Innovation in der Fertigungstechnologie. Innerhalb von nur fünf Jahren gemeinsamer Entwicklungsarbeit wurden das Verfahren und seine Anwendungsmöglichkeiten serienreif entwickelt. Heute findet das Verfahren mit seinen Produkten bei verschiedenen Automobilherstellern auch in großvolumigen Fahrzeugreihen seine Anwendung und steht als Beispiel für den kostengünstigen Leichtbau. Das Fertigungsprinzip beruht auf einem veränderlichen Walzspalt.

Durch die kontinuierliche Walzspaltveränderung über weite Wege entstehen kaltgewalzte Bänder mit Blechdickenunterschieden bis zu 50% (Bild 7). Um eine wirtschaftliche Fertigung von Tailor Rolled Blanks zu ermöglichen, ist eine Umsetzung als Bandwalzprozess notwendig. An Stelle der Kaltbandherstellung mit dem üblichen Kaltwalzen, wird das flexible Kaltbandwalzen angewendet. Somit ist kein weiterer Prozessschritt in die Herstellungslinie integriert, sondern ein bestehender substituiert worden.

Nachgefragt: Das Automobil aus dem Baukasten

Mit dem Projekt Scalight wurde eine Lösung entwickelt, wie künftige Automobile leichter und sparsamer produziert werden können. Dr.-Ing. André Kröff, Anwendungstechnik, Leiter Engineering/Simulation Salzgitter Mannesmann Forschung GmbH (Bild 8), erklärt, was es mit Scalight auf sich hat.

MM: Herr Dr. Kröff, was muss man sich unter Scalight vorstellen?

Kröff: Scalight ist ein modulares und skalierbares Karosseriekonzept der Partner Salzgitter AG und Karmann GmbH. Diesem Konzept liegt eine Stahl-Space-frame-Bauweise zugrunde, mit der es möglich ist, unterschiedliche Fahrzeuge im Leichtbau sowie unter wirtschaftlich interessanten Betrachtungen herzustellen.

MM: Was ist denn innerhalb dieses Projektes passiert?

Kröff: Die Wilhelm Karmann GmbH hat dabei maßgeblich die Konstruktion, das gesamte Engineering und die gesamte Produktplanung durchgeführt. Die Aktivitäten der Salzgitter AG fokussierten sich auf die Materialentwicklung sowie die Betrachtung und Untersuchung einer bauteilgerechten Herstellung mit der anwendungstechnischen Untersuchung der Werkstoffe mit den zugehörigen Fügeverfahren.

MM: Wie waren dafür Ihre Zielvorgaben?

Kröff: Ziel war es, zukunftsgerichtete wirtschaftliche Lösungen für die Kunden von Karmann und Salzgitter zu erarbeiten und anzubieten. Auf der Karmann-Seite, für kleine Stückzahlen Fahrzeuge kostengünstig und auf technisch hohem Niveau herzustellen. Für die Salzgitter AG ging es darum, neue Werkstoffe zu entwickeln und aufzuzeigen, wie diese mit modernen Fertigungsverfahren zu Halbzeugen verarbeitet und in der Applikation Fahrzeuge eingesetzt werden können.

MM: Wie wurden denn die Basis-Werkstoffe weiterentwickelt?

Kröff: Beginnend bei der Änderung der Legierungszusammensetzung bis hin zur Modifikation der Prozessparameter bei der Herstellung der Werkstoffe, wurden die Werkstoffe weiterentwickelt, um abschließend am Bauteil die notwendigen Eigenschaften einzustellen. Aus den Werkstoffen, die die Salzgitter-Flachstahl hergestellt hat, haben wir beispielsweise Tiefziehbauteile oder Rollprofilbauteile hergestellt, die uns der Technologiepartner Welser gefertigt, hat oder auch die Hydroformteile, die uns die Salzgitter Hydroforming fertigte. Als Bauteile fanden die Werkstoffe ihren Einsatz in der intelligenten Konstruktion des Stahl-Spaceframes.

MM: Was können Sie zu den fertigungstechnischen Aspekten verraten?

Kröff: Bei der Entwicklung von neuen Werkstoffen ist es natürlich auch besonders wichtig, wie sie sich verarbeiten lassen. Das gilt vor allem für die Tailored-Produkte, die ja unterschiedliche Blechdicken aufweisen. Eine große Herausforderung war die einteilige IHU-A-Säule, die unterschiedliche Querschnitte hat und bei der verschiedene Blechdicken berücksichtigt wurden, um den individuellen Anforderungen, wie Aufnahme von Verstärkungen oder Verhinderung des Eindringens beim Überschlag eines Cabrios, zu entsprechen. Dafür mussten natürlich die Werkzeuge entsprechend angepasst werden. Hier wurden vor allem mit Hilfe der Simulationstechnik die Modifikationen vorgenommen.

MM: Wie bringen Sie Ihren Kunden die von Ihnen erarbeiteten Lösungen nahe?

Kröff: Nun, wir haben da schon hervorragende Resonanzen, da wir seit einiger Zeit so genannte Road-Shows bei unseren Kunden, also den Automobilherstellern, veranstalten. Die Teilnehmer, in der Regel Entscheider und Entwicklungsleiter, signalisierten bereits großes Interesse. Auf der IAA im September in Frankfurt werden wir die Endergebnisse des Projektes erstmals der breiten Öffentlichkeit vorstellen.

Weitere Informationen: Dr.-Ing. André Kröff, Anwendungstechnik, Projektleiter Scalight Salzgitter AG , Tel. (05341) 21-4687, a.kroeff@sz.szmf.de, Dipl.-Ing. Michael Büscher, Technische Entwicklung Entwicklungskonstruktion/Rohbau, Projektleiter Scalight Wilhelm Karmann GmbH, Tel. (0541) 581-8578, mbuescher@karmann.com

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