Automobil und Maschinenbau
Material Innovativ
Automobil und Maschinenbau
Nachbericht
Material Innovativ – Treffpunkt für Experten und Anwender in Augsburg
- Hightech-Metalle und Faserverbundwerkstoffe
- Automobilindustrie, Maschinenbau und Luftfahrt
- 450 Teilnehmer und 35 Aussteller sind neuer Rekord
Schon heute ist der Materialmix aus hoch- und höchstfesten Stählen, Aluminium, Magnesium und faserverstärkten Kunststoffen aus zahlreichen Anwenderbranchen wie der Automobilindustrie, dem Maschinenbau und der Luftfahrt nicht mehr wegzudenken. Zukünftiges „Multi-Material-Design" muss noch höhere Anforderungen und Zielsetzungen erfüllen in Bezug auf Sicherheit, Maßhaltigkeit, Komfort, aber auch auf Großserientauglichkeit und Effizienz der Fertigungsprozesse.
Diese werkstoffspezifisch-technologischen Anforderungen an Faserverbundwerkstoffe und Hightech-Metalle, ihre entsprechenden Materialkombinationen und Herstellungs-prozesse im Automobil- und Maschinenbau standen im Mittelpunkt des neunten Symposiums „Material Innovativ", das am 24. März 2010 erstmals in Augsburg stattfand. Es war der Jahreskongress des Clusters Neue Werkstoffe in Partnerschaft mit dem Cluster Automotive und dem Carbon Composites e. V. und erzielte mit 450 hochkarätigen Teilnehmern aus vier Ländern einen neuen Rekordzuspruch.
„Die neue Rekordzahl an Teilnehmern – gerade in der jetzigen Zeit – unterstreicht das herausragende Interesse an Innovationen und einem kundenorientierten Wissenstransfers als Investition in die Zukunft. Das spricht für die Attraktivität der Konzeption, der fokussierten Zusammenführung alle Beteiligten auf einer Plattform – Politik, Materialwissenschaft, Automobilhersteller und Zulieferer sowie Maschinenbau und der Luftfahrt. Auf diese Weise werden vielfältige und konkrete neue Kooperationen für Entwicklungen von morgen initiiert", so Prof. Nassauer, Geschäftsführer der Bayern Innovativ GmbH in seiner Begrüßung und Einführung.
„Neues schaffen und Altes zerstören!". Mit diesem Statement des Ökonomen Joseph Schumpeter umschrieb Ministerialdirektor Dr. Hans Schleicher, Amtschef des Bayerischen Staatsministeriums für Wirtschaft, Infrastruktur, Verkehr und Technologie in seiner Eröffnungsrede die fortwährende Veränderung von Strukturen, Produkten und Verfahren als den Motor der wirtschaftlichen Entwicklung. Neue Materialien seien hierbei eine herausragende treibende Kraft für Innovationen und neue Produkte. So investieren der Freistaat Bayern und die Stadt Augsburg 53 bzw. 8,5 Millionen €, in eine breitangelegte Offensive im Bereich der Faserverbundtechnologien.
„Die Zukunft des hybriden Leichtbaus mit Faserverbundwerkstoffen als einem wichtigen Element steht vor der Tür", bestätigte Dr. Hubert Jäger, Leiter Konzernforschung der SGL Group und Mitglied im Beirat des Clusters Neue Werkstoffe, den aktuellen Trend zur Veränderung im Strukturleichtbau. Er hob hierbei ausdrücklich die fruchtbare Zusammenarbeit des Clusters Neue Werkstoffe mit dem Carbon Composites e.V. hervor und dankte Prof. Nassauer für die Unterstützung.
Prof. Drechsler und Dr. Wolfgang Dudenhausen stellten die aktuellen Projekte der Fraunhoferprojektgruppe Funktionsintegrierter Leichtbau und des DLR Zentrums für Leichtbauproduktionstechnologie in Augsburg vor. Erste Projektteams sind bereits aktiv – ein Erstbezug der Neubauten ist für 2012 vorgesehen.
In den weiteren Plenarvorträgen von Prof. Rudolf Stauber, BMW, Dr. Markus Lang, Voith Materials und Andreas Stöckle, Eurocopter Deutschland sowie in den vertiefenden Vortragsreihen und der begleitenden Fachausstellung konnten sich die rund 450 Teilnehmer aus Deutschland, Österreich, Großbritannien und der Schweiz einen Überblick über neueste Entwicklungen und Zukunftsthemen verschaffen - vom Tailored Fibre Placement in der Robotertechnik über paritkelverstärkte Leichtmetalle für höchste Anforderungen in der Raumfahrt bis zum metallischem Werkstoffleichtbau in der automobilen Rohkarosse.
Die nachfolgenden Inhalte sind wie folgt gegliedert:
- Werkstoffinnovationen von großer Bedeutung für den Automobilbau
- Spezifische Werkstofffunktionalitäten als Erfolgsfaktor im Maschinenbau
- Luft- und Raumfahrt – Impulsgeber für Werkstoffinnovationen mit branchenübergreifender Relevanz
- Cluster Neue Werkstoffe - Technologieplattformen für querschnittsorientierten Wissenstransfer
Werkstoffinnovationen von großer Bedeutung für den Automobilbau
Werkstoffinnovationen spielen im modernen Fahrzeugbau, speziell im automobilen Umfeld, nach wie vor eine große Rolle. Die spezialisierten Prozesse der Fahrzeughersteller, sowie die Systemkompetenz großer Zulieferer sind wesentliche Innovationstreiber für den Einsatz Neuer Werkstoffe.
Prof. Rudolf Stauber, Hauptabteilungsleiter Betriebsfestigkeit und Werkstoffe der BMW Group zeichnete im Plenum das aktuelle Bild des Leichtbaus im Automobil mit einem Mix aus verschiedenen Metallen, Kunststoffen und zukünftig auch Faserverbundmaterialien. Herausforderungen wie die der Elektromobilität und der passiven Sicherheit würden den Einzug Neuer Werkstoffe in die Fahrzeuge beschleunigen. Der Einsatz von Faserverbundwerkstoffen werde kommen, benötige aber noch Zeit für Entwicklungen bei Fertigungsprozessen, der Simulation, von Reparatur- und Recyclingthemen. Zudem müsse man die Potenziale der Nanotechnologie in vollem Umfang nutzen. „Für diese Aufgaben benötigen wir vorausschauende Kooperationen, um Kompetenzen zu bündeln und diese Ziele anzugehen", so Prof. Stauber.
Dr. Karl Durst, Audi Leichtbauzentrum Neckarsulm, eröffnete die Vortragsreihe‚ Faserverbundwerkstoffe im Automobil' und zeigte nicht nur technische Aspekte auf, sondern überzeugte sein Publikum auch von der emotionalen Komponente des Einsatzes von modernen CFK-Strukturen. „Für den Durchbruch der Faserverbundtechnologien fehlen heute aber noch durchgängige Prozessketten", erläuterte Durst weiter. Für einen Durchbruch beim Einsatz von CFK-Technologien in Serienfahrzeugen sind somit noch einige Hürden zu nehmen und die metallischen Werkstoffe und die hochproduktiven Produktionsverfahren seien noch sehr konkurrenzfähig.
Oliver Geiger, Fraunhofer ICT und Lehrstuhl für Leichtbautechnologien am KIT, setzte mit seinen Ausführungen genau hier an und präsentierte aktuelle Entwicklungen zur automatisierten Faserverbundfertigung. „Potenziale liegen in allen Stufen der Prozesskette und vor allem im fasergerechten Design", so Geiger mit Hinweis auf das Multi-Material-Design als zukunftsweisende Konzeption. In Abhängigkeit von realen Bauteilanforderungen können unterschiedliche prozessgenerierte Werkstofflösungen zum Einsatz kommen. Prozessinnovationen in den Verfahren LFT, SMC, Fasersprühen und RTM machen diese für unterschiedliche Anwendungen im Fahrzeugbau interessant. Im RTM-Verfahren sind beispielsweise Zykluszeitenreduktionen durch Hochdruckverfahren, zweistufige Prozessführung und thermoplastische Matrixsysteme erreichbar. Der Ausblick auf erste Forschungsschwerpunkte, Pultrusion und AFP, der neuen Fraunhofer-Projektgruppe „Funktionsintegrierter Leichtbau" in Augsburg rundete den Vortrag ab.
Eine Reihe von derartigen Reaktivverfahren zur Herstellung faserverstärkter Bauteile befindet sich bereits seit geraumer Zeit im Serieneinsatz. Josef Renkl, KraussMaffei Technologies GmbH, zeigte Verfahren, R-RIM, LFI, Sprühen und RTM sowie Bauteile schlaglichtartig auf und machte deutlich, dass eine branchenübergreifende Zusammenarbeit, speziell zwischen Nutzfahrzeug- und Automobilindustrie das mittelfristig realisierbare Potenzial für Großserienanwendungen birgt. Im Bereich landwirtschaftlicher Maschinen werden beispielsweise bereits heute Serien mit mehreren zehntausend Stück großflächiger Bauteile hergestellt. „Zusammenarbeit innerhalb der Prozesskette sowie mit der Forschung bringt die serientauglichen Lösungen", so Renkl.
Auch für die metallischen Komponenten im Fahrzeugbau sind Prozesse ein wesentlicher Entwicklungsschwerpunkt. Diese Vortragssession wurde von Dr.
Karl-Heinz Füller, Daimler AG, mit einem Überblick zum metallischen Leichtbau in
der Karosserie eröffnet. Dass die Leichtbaupotenziale nicht nur im Werkstoff selbst, sondern besonders im Design und der Fertigung liegen führt zu neuen Ansätzen in den Fahrzeugkonzepten. „Das Umfeld für den Automobilbau wird zunehmend komplexer", führte Füller anhand von CO2-Gesetzgebung, Wettbewerb und
kundenanforderungen anschaulich aus. „Mit dem steigenden Leichtbauanspruch gewinnen die Umformtechnologien im Karosseriebau an Bedeutung", so Füller weiter. In den letzten Jahren haben sich beispielsweise Stahlwerkstoffe enorm weiterentwickelt und prozessgenerierte Werkstoffeigenschaften, wie bei TRIP- und CP-Stahl machen auch neue Umformtechnologien notwendig. Dem Leichtbaumetall Aluminium wird hier noch Entwicklungspotenzial zugeschrieben. „Magnesium und Titan werden im Karosseriebau eher Nischenanwendungen besetzen", so Füller.
Mit der Weiterentwicklung der Werkstoffe und Prozesse geht natürlich auch der Wunsch nach Berechenbarkeit der eingesetzten Lösungen einher. Simulationswerkzeuge spielen daher sowohl in der Konstruktion als auch in der Bauteiloptimierung eine zunehmende Rolle. Dr. Konrad Weiß, RWP GmbH, zeigte anhand der Simulation in der Prozesskette Guss auf, wie sich komplexe Bauteilentwicklungen mithilfe geeigneter Computermethoden virtuell abbilden lassen. „Der Einsatz komplexer Hightech-Systeme und die Verkürzung der Entwicklungszeiten machen eine virtuelle Produktentwicklung notwendig, um einen robusten Serienanlauf zu ermöglichen", so Weiß. Die berechneten Bauteileigenschaften hängen dabei von der Qualität der Modelle ebenso ab wie von der Beschreibung der Werkstoffe. „Nicht zuletzt ist es immer wichtig, Simulationsergebnisse kritisch zu hinterfragen", wie Weiß weiter ausführte und darauf verwies, dass eine realitätsnahe Simulation auch eine Datenbasis entlang der gesamten Prozesskette erfordert. Speziell die skalenübergreifende Betrachtung von Gefügestrukturen bietet hier noch Entwicklungsmöglichkeiten.
Auch in den makroskopischen Bauteileigenschaften sind Mikrostrukturen maßgebend, wie Dr. Thomas Weißgärber, Fraunhofer IFAM, am Beispiel der Pulvermetallurgie anschließend aufzeigte. Neben den bereits heute im Automobileinsatz befindlichen Aluminium-Sinterformteilen, beispielsweise Lagerdeckeln oder Nockenwellenverstellern, bietet die Pulvermetallurgie großes Potenzial, neue Werkstoffeigenschaften zu realisieren. Thermoelektrische und wasserstoffspeichernde Materialien sind hier nur zwei Beispiele für die große Bandbreite an Möglichkeiten. „Im Zuge der fortschreitenden Elektromobilität, kommen neue Werkstoffherausforderungen auf uns zu", konstatierte Weißgärber und führte einige Pulvermetallurgieanwendungen aus dem Bereich der Leistungselektronik aus. Neben neuen Werkstoffeigenschaften stehen jedoch auch klassische Bereiche wie Verschleiß und Festigkeit immer noch im Interesse der Materialentwickler.
Spezifische Werkstofffunktionalitäten als Erfolgsfaktor im Maschinen- und Anlagenbau
Die spezifischen Gegebenheiten der Märkte im Maschinen- und Anlagenbau eröffnen hervorragende Möglichkeiten für den Einsatz Neuer Werkstoffe, wie Dr. Markus Lang, Geschäftsführer der Voith Materials in seinem Plenumsvortrag ausführte. Erstens seien die Märkte offen für sehr viele verschiedene Produkte und zweitens sei man nicht wie der Automobilbau gezwungen, Großserien zu bedienen. Stattdessen ständen die erreichbaren Potenziale einer Verfahrenstechnik im Vordergrund. Aus diesem Grund wird laut Dr. Lang die Wickeltechnik innerhalb der nächsten fünf Jahre das zweitgrößte Herstellungsverfahren von CFK-Produkten im Maschinenbau nach der Prepreg-Technologie sein. Hauptanwendungen sind Druckbehälter, Industrie-Walzen und Antriebswellen. Anhand von vier Beispielen demonstrierte Dr. Lang, wie sich die spezifischen Vorteile von Faserverbundwerkstoffen optimal realisieren lassen. Schiffspropeller aus CFK sind um 30 Prozent leichter als in Metall und ermöglichen so eine verbesserte Dynamik des Antriebes sowie stark verringerte Vibrationen. Die Verwendung von CFK für Triebköpfe von Schienenfahrzeugen reduziert das Gewicht, ermöglicht eine maximale Energieabsorption im Crashfall und schafft umfassende Designfreiheiten bei geringen Stückzahlen. Die Verwendung von CFK in Papiermaschinenwalzen erlaubt höhere Maschinengeschwindigkeiten; gleichzeitig werden aufgrund der elektrischen Leitfähigkeit elektrostatische Aufladungen verhindert. Die außerordentliche Korrosionsbeständigkeit von CFK schließlich eignet diesen Werkstoff für maritime Anwendungen wie z. B. in Hydro Gezeitenkraftwerken.
Wie komplex und anspruchsvoll die optimale Nutzung der spezifischen Eigenschafts-merkmale von CFK im Maschinenbau sein kann, zeigte Herbert Ehrlinspiel der Liebherr-Aerospace Lindenberg GmbH eindrucksvoll am Beispiel eines Stoßkopfes für eine Wälzstoßmaschine. Für die optimale Nutzung der Eigenschaften CFK ist es erforderlich, das gesamte Bauteil neu zu konstruieren und die spezifischen Gegebenheiten des Werkstoffes (bspw. der anisotropen Steifigkeiten und Festigkeiten) anzupassen. Auf diese Weise ließen sich hierbei Gewichtsreduktionen von 26 Prozent realisieren. Dabei wurde derart konstruiert, dass der thermische Ausdehnungskoeffizient nahezu auf Null reduziert werden konnte, eine unabdingbare Voraussetzung für passgenaue Bauteile in weiten Temperaturbereichen.
Über zehn Jahre Erfahrung in der Serienfertigung von Bauteilen mittels der Tailored Fibre Placement Technologie und dem Resin Transfer Moulding (RTM) demonstrierte Wulfram Schmucker, Geschäftsführer der Avantgarde Technologie aus Gilching. Mittels einer speziellen Nähtechnologie ist man in der Lage, sogenannte bauteilnahe Preforms aus Kohlefasern herzustellen, die dann nachträglich mit Harz infiltriert und ausgehärtet werden. Die Nähtechnologie ermöglicht zum einen die Faserrichtungen den Lastlinien im Bauteil anzupassen. Zum anderen verspricht dieses Verfahren ein hohes Automatisierungspotenzial. „Bisher haben wir 2000 Leichtbauroboterarme in Serie hergestellt", so Schmucker. Das Transferpotenzial für die Automobilindustrie in Richtung Großserientauglichkeit werde aktuell in mehreren Vorhaben geprüft. „Die Ergebnisse sind sehr vielversprechend", verrät Wulfram Schmucker. Eine Stückzahl von 100.000 pro Jahr sei mit dieser Technologie möglich.
Die mögliche Vielfalt von Faserverbundlösungen im Maschinenbau demonstrierte Jens Kählert von der Huber+Suhner AG - von Lackierroboterarmen über CFK-Windkanalschaufeln bis hin zu Handlingsarmen für die Bestückung von Leiterplatten und zur Verwendung von hochsteifen CFK-Fasern für schnellbewegte Bauteile in Stickmaschinen. Huber+Suhner setzt bei der CFK-Herstellung ebenfalls auf die Prepreg-Technologie, die Wickeltechnik sowie auf Injektions- und Pressverfahren.
Auch die Technologie metallischer Werkstoffe verfolgt verstärkt die Erzeugung von einzelnen hochspezifischen Funktionen oder aber die Integration einer Vielzahl von Funktionen in ein einziges Bauteil. Frau Dr. -Ing. habil Carolin Körner, Universität Erlangen-Nürnberg, stellte hierzu zwei verschiedene Konzepte zur Integration von zusätzlichen Funktionen in Aluminium-Druckgussbauteile vor. Der erste Ansatz überträgt Konzepte aus der Natur zur Realisierung von Leichtbaustrukturen auf technische Bauteile. Die Natur realisiert extremen Leichtbau durch zellulare Strukturen. Höchste Steifigkeiten werden durch Konstrukte mit kompakten Außenhäuten und einem zellularen Kern erreicht. Zur Realisierung derartiger Komponenten werden Gießverfahren, die aus dem Polymerbereich bekannt sind, auf Metalle übertragen. Neben der erhöhten Struktursteifigkeit dieser Bauteile bietet die Schaumstruktur auch weitere Funktionen wie eine erhöhte Materialdämpfung. Zum anderen kann die Schaumstruktur selbst als Crashelement zur Aufnahme einer hohen Energiemenge bei gleichzeitig niedrigem Kraftniveau dienen.
Der zweite vorgestellte Ansatz verfolgt die Möglichkeit, dem Strukturbauteil durch Integration von Sensoren und Aktoren aus Wandlerwerkstoffen, insbesondere von Piezokeramiken, in den Leichtbauwerkstoff eine eigene Aktivität zu verleihen. Dies ermöglicht, wesentliche Zusatzfunktionalitäten, z. B. Überwachung des Bauteils, aktive Schwingungskontrolle etc., im Bauteil zu integrieren. Hierzu hat man am Lehrstuhl Werkstoffkunde und Technologie der Metalle eine Methode entwickelt, die es erlaubt, trotz der hohen mechanischen und thermischen Belastung beim Druckguss kommerzielle Piezomodule erfolgreich in Aluminiumbauteile zu integrieren.
Der Pumpenbau erhebt hohe bis extreme Anforderungen an Werkstofftechnologien, sei es in der Meerwasserentsalzung, in Kläranlagen oder in der Kraftwerkstechnik. Hierzu werden bei der KSB Aktiengesellschaft spezifische Legierungen entwickelt, wie Dr. Alexander Böhm skizzierte. Um das Anforderungsprofil aus tribologischer Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit zu erfüllen, kommen verschleißbeständige Stahlgußsorten wie Duplex- oder Triplexwerkstoffe oder Chromhartguß zum Einsatz. Für extrem belastete Lager setzt KSB faserverstärkte SiC-Keramik oder auch C/SiC-Verbundkeramiken sowie neuartige Beschichtungen aus polykristallinem Diamant ein.
Luft- und Raumfahrt - Impulsgeber für Werkstoffinnovationen mit branchenübergreifender Relevanz
Die Luft- und Raumfahrt ist einer der Vorreiter für Innovationen mit Neuen Materialien, seien es Metalle oder Faserverbundwerkstoffe, welche häufig in andere Branchen ausstrahlen. Achim Schoberth, EADS Innovation Works, zeigte am Beispiel partikelverstärkter Metalle die Anforderungen aus der Luft- und Raumfahrt auf und skizzierte das Transferpotenzial in automobile Anwendungen. „Die Leichtbauanforderungen in der Luftfahrt beflügeln die Materialentwicklung", bemerkte Schoberth und stellte die Entwicklung wirtschaftlicher Prozesse als Auswirkung gestiegener Nachfrage in Aussicht.
Auf der anderen Seite sieht sich auch die Luftfahrt zunehmend mit Fragen der Großserienproduktion von Bauteilen konfrontiert. Dr. Stöckle von Eurocopter Deutschland umschrieb die Rahmenbedingungen für Neue Materialien der kommenden dritten Generation von Hubschraubern, die bis zu 90 Prozent aus CFK bestehen werden. Die Bedeutung des Leichtbaus werde weiter zunehmen bei gleichzeitig erhöhtem Komfort und verringertem Montageaufwand. Die Menge an jährlich zu produzierenden CFK-Bauteilen zwingt Unternehmen, Fragen der Automatisierung und Massenproduktion ganz oben auf die Agenda zu setzen. Aus diesem Grund ist die Luftfahrtindustrie an einem intensiven Austausch, beispielsweise mit dem Automobilbau interessiert, der in diesen Feldern über weitreichende Erfahrungen verfügt.
Cluster Neue Werkstoffe – Technologieplattformen für querschnittsorientierten Wissenstransfer
Werkstoffe stellen branchenübergreifend die Basistechnologie mit Innovationsmöglichkeiten in der Erzeugung, der Ver- und Bearbeitung sowie dem Bauteileinsatz dar. „Neue Werkstoffe - Technologien für Innovationen der Zukunft", unter diesem Leitbild versteht sich der CNW als die Informations-, Kommunikations- und Technologieplattform rund um Innovationen mit Neuen Materialien in Bayern. Übergeordnete Ziele sind dabei Vernetzung, Transparenz und Marketing.
„Die Automobilindustrie, der Maschinenbau und die Luft- und Raumfahrt, das sind neben dem Energiesektor, der Medizintechnik und der Elektronik die wesentlichen Treiber für Innovationen mit Neuen Materialien, und mit diesen Branchen pflegt der Cluster Neue Werkstoffe einen intensiven Austausch bis hin zur Strukturierung neuer Verbundprojekte", so Dr. Kord Pannkoke, Manager des Clusters Neue Werkstoffe bei der Bayern Innovativ GmbH in seinem Beitrag.
„Und Bayern Innovativ ist hierfür mit seinen Netzwerken, Clustern und erfahrenen Spezialisten der ideale Knotenpunkt und Drehscheibe" so Prof. Nassauer, Geschäftsführer der Bayern Innovativ GmbH.
Ansprechpartner:
Dr. Kord Pannkoke
Dr. Marcus Seitz
