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Messe Tube 2018 Rohre zeigen Vielfalt in der Konstruktion

Autor: Stéphane Itasse

Rohre gehören zu den am vielseitigsten verwendbaren Produkten und Konstruktionselementen überhaupt. Ein besonders breites Spektrum decken dabei die Stahlrohre ab, wie die Messe Düsseldorf im Vorfeld der Tube 2018 berichtet.

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In der Automobilherstellung tragen Rohre zum Leichtbau bei.
In der Automobilherstellung tragen Rohre zum Leichtbau bei.
(Bild: Messe Düsseldorf/ctillmann)

Stahlrohre erobern sich nicht zuletzt auch wegen der Innovationskraft der Hersteller neue Anwendungen oder behaupten in angestammten Einsatzgebieten durch Neu- und Weiterentwicklungen immer wieder ihre Stellung, wie es in der Mitteilung der Messe Düsseldorf weiter heißt.

Im Energiesektor können Rohre mehr als Medien transportieren

Im Energiesektor sind Rohre nicht nur für den Transport von Öl oder Gas unverzichtbar, auch als Konstruktionselemente spielen sie eine bedeutende Rolle. So bestehen die meisten Gründungsstrukturen, also die Fundamente von Offshore-Windkraftanlagen, aus Rohrelementen.

Bei der Offshoreförderung von Öl- und Gas übernehmen Rohre ebenfalls wichtige Aufgaben. Unter anderem damit beschäftigt sich die Salzgitter Mannesmann Forschung GmbH (SZMF). Gefragt sind nach Unternehmensangaben nicht nur Produkte, sondern verstärkt komplette Systeme. So wurden Rohre für Tiefseeanwendungen optimiert, um auch in größeren Wassertiefen eine sichere Medienversorgung sicherzustellen.

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Solche Tiefsee-Versorgungsrohre (sogenannte Umbilicals) werden auf Offshoreplattformen zum Transport von Steuersignalen, Energie oder Chemikalien von der Wasseroberfläche bis zum Meeresgrund verwendet. Besonders Standorte in Wassertiefen bis zu 2500 m stellen Ansprüche an Festigkeits- und Ermüdungseigenschaften sowie an die Korrosionsbeständigkeit der Rohre. Vor diesem Hintergrund wurden Versuchsprozeduren entwickelt, um die Qualifikation von Superduplexrohren für Tiefseeanwendungen zu ermöglichen. In Kooperation mit ersten Kunden konnten laut Unternehmen die Rohreigenschaften schnell ermittelt und qualifiziert werden.

Automobilhersteller setzen ebenfalls stark auf Rohre

Andere Forschungs- und Entwicklungsvorhaben der kommenden Jahre konzentrieren sich auf die Optimierung der Rohreigenschaften. Beispiele dafür sind Entwicklungen für den Automobilbau. So müssen für den Verbrennungsmotor Verbrauch und Schadstoffemissionen weiter gesenkt werden. Hier können Präzisionsrohre helfen, höhere Einspritzdrücke zu erreichen, die eine umweltschonendere Verbrennung gewährleisten. Außerhalb des Motors können Rohre mit variablen Wanddicken für belastungsgerecht optimierte Anwendungen den Leichtbau unterstützen.

Der automobile Leichtbau steht auch bei der Benteler AG im Fokus von Forschung und Entwicklung. Dazu veranstaltete das Unternehmen im vergangenen Jahr bei Bad Driburg den ersten Steel/Tube Leichtbautag. Als automobile Rohrkonstruktion wurde unter anderem der Prototyp eines Vorderachsträgers für Elektrofahrzeuge vorgestellt. Dank eines neuen Stahlkonzeptes will man damit das Gewicht um 35 % verringert haben. Für die Automobilhersteller aufgrund des hohen Leichtbaupotenzials ebenfalls von Interesse: Geschweißte Rohre aus einem neuen, hochfesten Stahl mit gleichzeitig großem Umformvermögen.

Ebenfalls für die Automobilindustrie bestimmt sind ultrahochfeste Rohre, die als Federungssysteme Anwendung finden sollen. Mit diesen Fahrwerksanwendungen sollen sich im Vergleich zur aktuellen Serienkonstruktion bis zu 30 % Gewicht einsparen lassen. Ende 2016 konnten laut Beneler die ersten Systeme beim Kunden validiert werden.

Erste Erfolge hat man dem Vernehmen nach auch bei warmgewalzten Achsrohren erzielt. Hier ist die Serienbelieferung bereits angelaufen. Darüber hinaus hat das Unternehmen bei Achsen sowie Spurstangen und Achslenkern für Nutzfahrzeuge mehrere Stahl- und Rohrkonzepte bei Kunden platziert und Prototypen geliefert.

Rohre unterstützen den Leichtbau

Auch wenn der Verbrennungsmotor im Fahrzeugbau noch lange nicht ausgedient hat, kann man davon ausgehen, dass die Elektromobilität in Zukunft zunehmend an Bedeutung gewinnen wird. Darauf müssen sich die Hersteller von Rohrkomponenten einstellen. Doch ihnen kommt entgegen, dass der Leichtbau mit zunehmender Verbreitung von batteriebetriebenen Elektrofahrzeugen an Bedeutung gewinnen dürfte. Akkupacks für eine auskömmliche Reichweite von 300 bis 500 km wiegen derzeit noch viele Hundert Kilogramm, woran sich zumindest in näherer Zukunft nicht allzu viel ändern wird. Falls man nicht doch auf die Batterien weitgehend verzichten kann - wie bei der Brennstoffzelle - ist eben Gewicht sparen an anderer Stelle angesagt.

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Passend zum Thema hat Thyssenkrupp Precision Steel in Hohenlimburg ein Bauteil für das Fahrwerk von Elektrofahrzeugen präsentiert. Der Mittelbandspezialist im Konzern hat dafür eine superleichte Rohrkonstruktion aus hochfestem Stahl (HBS 800) entwickelt. Die Fahrwerkskomponente soll aufgrund des verringerten Materialeinsatzes eine Gewichtseinsparung von über 34 % erlauben. Das Bauteil bietet darüber hinaus laut Unternehmen Vorteile wie verkürzte Produktionszeiten und einen verringerten Verschnitt. Für Serienhersteller besonders wichtig: Für die Produktion der Rohrkonstruktion können sie ihre konventionellen Fertigungsverfahren nutzen.

Als weiterer Bestandteil des neuen Fahrzeugkonzepts sind zudem Rohrstabilisatoren aus Mangan-Bor-Stahl zu nennen. Diese sollen eine Gewichtsersparnis von 45 % bringen und aufgrund des homogenen Gefüges und enger Dickentoleranzen auch das Hochfrequenzschweißen zulassen. Das Konzept erlaubt außerdem variable Wanddicken, die eine weitere Gewichtsreduzierung ermöglichen. Gefertigt werden diese neuen Stahl-Leichtbauteile von einem Weiterverarbeiter für die Automobilindustrie. Laut Thyssenkrupp Steel Europe AG soll die Entwicklung der Kooperationspartner bei einem Projekt für den asiatischen Markt umgesetzt werden, das als Ziel ein besonders langlebiges Elektromobil vorsieht.

Hybridrohre aus Stahl und Aluminium mit Innenhochdruck-Umformung bearbeiten

Neben Stahl und verschiedenen Kunststoffen gehört Aluminium zu den meistverwendeten Werkstoffen im Automobilbau. Das Verbinden von Stahlbauteilen mit solchen aus Aluminium ist aber mit Problemen behaftet. An der Lösung hat das Institut für Integrierte Produktion Hannover (IPH) gGmbH mit dem Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH) gearbeitet. Das Ergebnis sind Hybridrohre aus Aluminium und Stahl (Tailored Hybrid Tubes), die sich mittels Innenhochdruckverfahren umformen lassen. Dazu werden zunächst Rohrelemente aus Stahl und Aluminium mithilfe des Laserlötens gefügt. Anschließend ist das Innenhochdruckumformen möglich, ohne dass die Verbindung bricht. Die Entwickler sind laut Tube-Mitteilung davon überzeugt, dass sich mit diesem Verfahren künftig besonders leichte Bauteile für Fahrzeugkarosserien herstellen lassen.

Die Innenhochdruckumformung von Hybridrohren verbindet zwei Leichtbauansätze: Einerseits die Gewichtseinsparung durch die Geometrie der Bauteile, denn Rohre sind generell im Verhältnis zu ihrem Gewicht sehr steif und stabil. Andererseits lässt sich mit der Kombination von Stahl und Aluminium weiteres Gewicht einsparen: Aus dem schwereren Stahl werden nur die Abschnitte gefertigt, die hohen Belastungen ausgesetzt sind. Die weniger belasteten Segmente des Bauteils können dagegen aus Aluminium bestehen.

Die Herausforderung beim Herstellen solcher Hybridbauteile besteht darin, dass sich Stahl schwerer umformen lässt als Aluminium. Auch müssen die Rohrabschnitte so miteinander verbunden werden, dass beim Umformen keine Risse in der Fügezone entstehen. Weil sich beim Schweißen eine spröde, nicht umformbare Naht bildet, werden die Stahl- und Aluminiumrohre mittels Laserlöten verbunden. Bei diesem Verfahren wird das Aluminium-Silizium-Lot mit dem Laserstrahl lokal erwärmt und aufgeschmolzen. Der geringe Wärmeeintrag verhindert dabei das Entstehen spröder Bestandteile, die die mechanischen Eigenschaften der Naht beeinträchtigen.

Die gelötete Fügezone hält laut Entwickler einem Druck von bis zu 900 bar stand. Solche Drücke sind in der Innenhochdruckumformung mehr als ausreichend, um Aluminium oder Stahl zu verformen. Für eine möglichst gleichförmige Umformung und optimale Ergebnisse empfehlen die Experten die Kombination aus Stahl (E235+C) mit einer höherfesten Aluminiumlegierung (EN AW-6082).

Bis zur kommenden Ausgabe der Internationalen Rohrfachmesse Tube 2018 werden den Forschern und Entwicklern sicher noch weitere Innovationen rund um das Thema Rohr einfallen, wie die Messe mitteilt. Daneben werden wie immer auch Neuentwicklungen bei Anlagen und Maschinen zur Herstellung und Bearbeitung von Rohren ein Bestandteil der Messe sein. Die Tube 2018 findet wieder gemeinsam mit der weltgrößten Draht- und Kabelmesse, Wire, vom 16. bis 20. April 2018 auf dem Düsseldorfer Messegelände statt.

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 Stéphane Itasse

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MM MaschinenMarkt