Umformtechnik Rahmen-Leichtbau

Neue Potenziale für den automobilen Leichtbau. Tragende Rahmenstrukturen, die Vorläufer heutiger Spaceframe-Karosseriekonzepte, sind fast so alt wie das Automobil. Bis in die 30er-Jahre hinein...

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Neue Potentiale für den automobilen LeichtbauTragende Rahmenstrukturen, die Vorläufer heutiger Spaceframe-Karosseriekonzepte, sind fast so alt wie das Automobil. Bis in die 30er-Jahre hinein dominierten beplankte oder bespannte Holzrahmen den Karosseriebau. In den vergangenen Jahrzehnten hat sich aber die selbsttragende Stahlkarosserie durchgesetzt, die vielfältige Anforderungen zum Beispiel hinsichtlich Design, Lebensdauer, Sicherheit und natürlich Kosten hervorragend erfüllt. Atlas führt den Spaceframegedanken mit dem Werkstoff Stahl zusammen – und das mit bemerkenswerten Ergebnissen.Die heutigen Spaceframekarosserien folgen dem Grundgedanken der Oldtimer. Die Funktionen der Beplankung und der Tragstruktur werden getrennt. Die Träger werden meist von relativ einfachen Hohlprofilen mit geschlossenen Querschnitten und entsprechend hohen Bauteilsteifigkeiten gebildet. Die Hohlprofile werden direkt oder über Knoten miteinander verbunden. Beispiele solcher Karosserien sind Audi A8, A2, BMW Z8 und der Lotus Elise. Typische Halbzeuge und Fertigungsverfahren dieser Fahrzeuge sind Aluminium-Strangpressprofile und -Gussknoten.Ein kleiner Exkurs in die Grundlagen des Leichtbaus zeigt jedoch, dass der Werkstoff Stahl geradezu prädestiniert ist für die Spaceframebauweise. Besonders bei Trägerstrukturen können seine spezifischen Vorteile des hohen E-Moduls und der hervorragenden Festigkeiten gegenüber anderen metallischen Werkstoffen konstruktiv voll ausgenutzt werden. Die gute Verarbeitbarkeit, zuverlässige Fügeverfahren und natürlich auch die günstigen Kosten sprechen zusätzlich für den Stahl-Spaceframe.Karosseriegewicht sollte um über 30% gesenkt werdenBasis und Referenz der Entwicklung waren zwei moderne Seriencabrios aus dem Hause Karmann. Der Atlas-Spaceframe sollte alle wesentlichen Packageanforderungen dieser Fahrzeuge und den aktuellen Stand der Sicherheits-, Qualitäts- und Steifigkeitsanforderungen erfüllen. Die Zielgrößen lagen jedoch zum Teil deutlich über den heutigen Standards. So sollte das Gewicht der betrachteten Serienkarosseriestruktur um über 30% gesenkt werden, und dies bei gleichzeitiger Steigerung der Karosseriesteifigkeiten und der Anforderungen an die Fahrzeugsicherheit. Hierbei galt es, mit Atlas- Spaceframe als wohl erste Karosserie ohne durchgehende B-Säule strukturelle Potenziale für den Seitencrash nach IIHS aufzuzeigen, der vor kurzer Zeit in Nordamerika beschlossen wurde. Alle diese Ziele hat das hier beschriebene Projekt, zum Teil deutlich, übertroffen.Standortübergreifende Entwicklung in 18 MonatenDie Entwicklung erfolgte in einem echten Simultanous-Engineering- Prozess an verschiedenen Standorten und Tochterunternehmen der Salzgitter AG und der Wilhelm Karmann GmbH in nur 18 Monaten. Ausgehend von einer Potenzialanalyse von Spaceframestrukturen wurden virtuelle Prototypen konstruiert. Die Bauteil- und Karosserieeigenschaften wurden beginnend mit dem Fertigungsprozess bis hin zu den Gesamtkarosserieeigenschaften zunächst vollständig virtuell untersucht (Bild 1).Die Entwicklung erfolgte jedoch nicht nur virtuell. Von der Atlas- Spaceframe-Struktur wurden Prototypen, die in Serienfahrzeuge integriert wurden, gebaut und getestet. Dies unterscheidet Atlas von anderen Leichtbaustudien: Es wurden seriennahe Fertigungsverfahren für das Prototyping eingesetzt und intensive Untersuchungen zur Fügetechnologie bis hin zur Validierung der Betriebsfestigkeitseigenschaften und des Crashverhaltens durchgeführt (Bild 2).Einen wesentlichen Beitrag zur Erreichung der anspruchsvollen technischen Ziele leistet die exakte Abstimmung von Konstruktion, Fertigungsverfahren und Werkstoff-auswahl. Die notwendigen hohen Steifigkeiten der Trägerkomponenten erfordern einen geschlossenen Querschnittsverlauf der Einzelteile. Dies wurde in Atlas durch eine besonders hohe Anzahl rollprofilierter und innenhochdruckumgeformter Komponenten erreicht.Beim Rollprofilieren wird in einem kontinuierlichen Biegeumformverfahren das Trägerprofil aus einem Stahl-Spaltband äußerst wirtschaftlich hergestellt. Mit diesem Verfahren sind Lochungen durch vorgelagerte Stanzoperationen und das Schließen des Profils durch In- line-Schweißverfahren wie beispielsweise Hochfrequenz- oder Laser-schweißen möglich. Die Querschnittsgeometrie kann sehr flexibel an die Anforderungen angepasst werden. Das Fertigungsverfahren erlaubt den Einsatz höchstfester Stahlwerkstoffe.Innenhochdruckumformen für komplexe BauteileKomplexere Bauteile, die eine Veränderung der Querschnittsgeometrie und mehrdimensionale Biegungen in Bauteillängsachse aufweisen, wurden mit Innenhochdruckumformverfahren (IHU) umgesetzt. Hierfür wird ein in manchen Fällen schon vorgebogenes Rohr in eine Werkzeuggravur eingelegt, die Rohrenden über Stempel verschlossen und das Rohr über ein hydraulisches Wirkmedium in die Werkzeuggravur bei hohen Drücken geformt. Die erreichbaren hohen Umformgrade führen zu extremen Verfestigungen des Werkstoffs und somit zu hohen Gesamtfestigkeiten des Bauteils. Im Regelfall wird dieser Effekt heute nur unzureichend im virtuellen Entwicklungsprozess berücksichtigt. Im Atlas-Projekt wurden jedoch nicht nur die einzelnen Prozessschritte simuliert, sondern eine vollständige Simulationsprozesskette aufgebaut. Beginnend mit der experimentellen Erfassung der exakten Vormaterialeigenschaften über die Simulation der Vorformoperationen bis zum IHU-Prozess sind alle Werkstoffeigenschaften erfasst und konsequent weiterverarbeitet (Bild 3). Mit sogenannten Mapping-Verfahren wurden die Umformergebnisse abschließend in den virtuellen Prototypen übertragen. Hierdurch konnte erstmals eine exakte Abstimmung von Fertigungsverfahren, Werkstoffeinfluss und Karosserieeigenschaften am virtuellen Prototyp erreicht werden. Die Möglichkeit zur Darstellung von Bauteilen mit komplexer Geometrie und variablen Querschnittsverläufen mit der IHU-Technologie wurde bei Atlas zur Funktionsintegration beispielsweise der Karosserieknoten in die IHU-Komponenten genutzt. Teileanzahl konnte deutlich reduziert werdenVerbunden mit gestiegenen Steifigkeiten und Festigkeiten der Einzelteile, schafft dies in der Konstruktion Potenziale zur deutlichen Reduzierung der Teileanzahl bei verbesserten technischen Eigenschaften. Bild 4 zeigt am Beispiel des Seitenwandrahmens des Referenzfahrzeuges 1 die Vorteile der Spaceframestruktur.Die Karosserieeigenschaften der Atlas-Spaceframestruktur wurden im Vergleich zum konventionellen Serienfahrzeug zum Teil erheblich verbessert. Die Karosseriesteifigkeit konnte gesteigert und die plastische Deformation beim Gurtzug deutlich gesenkt werden. Genauso wie beim Serienfahrzeug wird der Frontalcrash nach EuroNCAP zuverlässig erfüllt. In den USA wird derzeit ein neuer Seitencrashtest vom Insu- rance Institute for Highway Safety (IIHS) umgesetzt, der das Unfallgeschehen mit schweren Geländewagen im Seitenaufprall abbildet. Dieser Test stellt eine erhebliche Herausforderung insbesondere für Fahrzeuge ohne durchgehende B-Säule dar. Crashversuche zeigten das Potenzial der Atlas-Spaceframe-struktur auf. Bei vertretbaren Fahrzeugbeschleunigungen bleibt dabei ein ausreichender Überlebensraum erhalten.Spaceframetechnik macht Karosserie 40% leichterDas Gewicht der betrachteten Strukturen konnte um bis zu 40% reduziert werden. Bei vollständiger Umsetzung der Stahl-Spaceframetechnologie wird ein Potenzial zur Gewichtsreduzierung für die Gesamtkarosserie von bis zu 30% erwartet, und dies bei gleichen technischen Eigenschaften. Basis der Atlas-Kostenbetrachtung ist eine vollständige Fertigungsplanung zur Herstellung der Spaceframekarosserie verglichen mit der Produktion des Serienfahrzeuges. Die Kostenanalyse für den Einsatz der Atlas-Spaceframetechnologien in der Serie zeigt aufgrund der erheblichen Teilereduzierung bei den Einzelteilkosten deutliche Kostenvorteile. Verbunden mit einer möglichen Reduzierung von Zusammenbau-Stationen können die aufwändigeren Fertigungs- und Fügetechnologien mehr als überkompensiert werden.Das Stahl-Spaceframekonzept von Atlas führt zu einer erheblichen Gewichtsreduzierung mit Potenzialen zur Steigerung der Karosserie-steifigkeiten und Verbesserung des Crashverhaltens - und dies ohne Mehrkosten. Die Werkstoffe und Fertigungsverfahren sind bereits heute serientauglich. Die hervorragende Resonanz der Automobilindustrie zeigt, dass Stahl auch in Zukunft der Werkstoff Nummer eins für den Fahrzeugbau sein wird.Das Thema Atlas-Spaceframe wird in MM, Ausgabe 47, mit den Werkstoffen und der Verarbeitung fortgesetzt.