Intelligenter Leichtbau mit Stahl

Düsseldorf, den 11.04.2011 - Wirkungsvolle Gewichtsreduzierung ist besonders bei bewegten Bauteilen für die effiziente und nachhaltige Nutzung von Ressourcen wichtiger denn je. Welche Leichtbaupotentiale der Werkstoff Stahl bietet, demonstrierte das Stahl-Informations-Zentrum zusammen mit Stahlherstellern vom 4. bis 8. April 2011 auf der Hannover Messe im Themenpark Leichtbau.

Weniger ist mehr - dieses vielzitierte Motto gewinnt im Hinblick auf das Eigenwicht von Konstruktionen im Maschinen- und Anlagenbau, vor allem aber auch in der Fahrzeugindustrie, weiter an Bedeutung. Zum einen sind der Energiebedarf und die damit verbundenen Emissionen bei leichteren Komponenten oder Fahrzeugen geringer, zum anderem reduziert sich der Materialeinsatz. Moderne Leichtbaulösungen leisten damit einen wichtigen Beitrag zum Klima- und Umweltschutz.

Auch die Hannover Messe griff dieses zukunftsweisende Thema auf. In den Ausstellungsbereichen der so genannten Solutions Area demonstrierten anwendungsorientierte Exponate aus unterschiedlichen Branchen die Bandbreite moderner Leichtbauwerkstoffe sowie Konstruktions- und Fertigungslösungen. Gemeinsam mit ArcelorMittal, Salzgitter, ThyssenKrupp Nirosta und ThyssenKrupp Steel Europe präsentierte das Stahl-Informations-Zentrum ausgewählte Beispiele aus dem Bereich der Mobilität. Diese zeichnen sich durch innovativen Werkstoffeinsatz, intelligente konstruktive Gestaltung und hohen Leichtbaugrad bei gleichzeitig hervorragender Wirtschaftlichkeit aus.

Welche Leichtbaugüte beispielsweise moderne Fahrzeugkarosserien bereits heute erreichen, stellte die vom Salzgitter-Konzern präsentierte Rohkarosserie des Audi Q5 eindrucksvoll unter Beweis. Mit einem Anteil von rund 70 Prozent höherfester Stähle ist die Stahlkarosserie außerordentlich leicht. In besonderem Maße trägt hierzu das Presshärten, d. h. die Warmumformung von Blechen aus ultrahochfesten Mangan-Bor-Stählen, bei. Diese Bleche werden im Audi Q5 für die tragenden und sicherheitsrelevanten Bauteile Mitteltunnel, Innenschweller, B-Säulen, Längsträger und Stirnwandquerträger eingesetzt, auf sie entfällt ein Gewichtsanteil von 12 Prozent. Nach dem Presshärten liegen Bauteilfestigkeiten von bis zu 1.600 MPa vor. Durch den Einsatz der ultrahochfesten Stahlsorten können in der Karosserie des Q5 allein bei diesen Bauteilen 15 kg gegenüber einer konventionellen Bauweise eingespart werden.

Dass die Entwicklung der Warmumformtechnologien mit großen Schritten vorangeht, zeigen zum einen die verschiedenen Konzepte, unterschiedliche Festigkeiten in einem Bauteil einzustellen, z. B. durch partielles Vergüten, das durch unterschiedlich schnelle Abkühlung während des Härtevorgangs erreicht wird. Die B-Säule in der Karosserie ist dafür ein typisches Anwendungsbeispiel. Im unteren Bereich soll sie nachgiebig ausgeführt sein, um im Fall eines Seitenaufpralls Energie aufzunehmen, im oberen Bauteilbereich, in Kopfhöhe des Fahrers, ist dagegen eine möglichst hohe Festigkeit gefordert.

Zudem geht die Entwicklung auch hinsichtlich neuer warmumformbarer Sorten weiter, die noch höhere Bauteilfestigkeiten ermöglichen. ThyssenKrupp hat mit dem Lösungsbaukasten „B-Säulen" des InCar-Projekts sechs unterschiedliche B-Säulen-Konzepte entwickelt, die den spezifischen Fertigungs- und Bauteilanforderungen der einzelnen Automobilhersteller gerecht werden. Auf der Hannover Messe stellte ThyssenKrupp Steel Europe zwei B-Säulen exemplarisch vor, eine davon partiell vergütet unter Verwendung eines neuen Mangan-Bor-Stahls, der Bauteilfestigkeiten von bis zu 2.000 MPa ermöglicht. Gegenüber der betrachteten Referenz konnte bei gleicher Performance eine Gewichtsreduktion von beachtlichen 22 Prozent bei gleichzeitig 9 Prozent verringerten Kosten erreicht werden.

Gerade die Warmumformung ist eine der Trendtechnologien für die Herstellung noch leichterer und sicherer Bauteile. Mit weltweiten Zuwachsraten von jährlich etwa 20 Prozent steigt der Anteil pressgehärteter Bauteile in den Automobilen kontinuierlich. Dass die Möglichkeiten, die insbesondere warmumgeformte Stähle für die Realisierung leichterer Karosserien bieten, noch längst nicht ausgeschöpft sind, zeigte auch das von ArcelorMittal erstmals einer breiteren Öffentlichkeit vorgestellte Karosseriekonzept S-in motion. Ein Schwerpunkt des Projekts, das einen Katalog von insgesamt 60 Bauteillösungen auf Basis unterschiedlicher Stähle und Verarbeitungstechnologien enthält, liegt ebenfalls auf der Untersuchung warmumgeformter Bauteile. Die Studie zeigt, dass sich 29 Bauteile, das sind rund 25 Prozent der Karosserie, aus warmumgeformten Stählen herstellen lassen. Das Gewichtseinsparpotential bei Nutzung der jeweils leichtesten Lösungen beträgt bis zu 19 Prozent, bezogen auf die betrachtete Karosserie des Referenzfahrzeugs aus der Kompaktklasse.

Dass Stahl auch im Schienenfahrzeugbau Werkstoff der Wahl ist, stellte ThyssenKrupp Nirosta mit dem von Alstom produzierten Doppeltriebwagen DT5 der Hamburger Hochbahn unter Beweis. Der Wagenkasten dieses Fahrzeugs ist ein Beispiel für die Serienanwendung eines höherfesten austenitischen Edelstahls, dessen hohe Festigkeit und gute Umformeigenschaften die Einbringung von Verstärkungssicken und damit die Reduktion der Blechdicke ermöglichen. Auf diese Weise kann das Fahrzeuggewicht ohne Verringerung der Steifigkeit reduziert werden.

Bei allen auf der Hannover Messe gezeigten Stahl-Leichtbaulösungen, geht es aber nicht allein um das Einsparen von Gewicht. Neben der Erfüllung der Bauteileigenschaften wie Beulfestigkeit, Crashsicherheit und Steifigkeit zeichnen sich die Lösungen zudem durch eine hohe Material- und Energieeffizienz bei gleichzeitig hervorragender Wirtschaftlichkeit über den gesamten Lebenszyklus aus. Wie alle Produkte aus Stahl lassen sie sich nach einer langen Lebensdauer wieder ohne Qualitätsverlust in den Werkstoffkreislauf zurückführen. In Kombination mit der umweltverträglichen Materialerzeugung und Bauteilherstellung macht dies den ökologischen Rucksack leicht und den durch Treibhausgasemissionen beschriebenen Fußabdruck vergleichsweise klein.

Mit diesen Argumenten überzeugt Stahl im Wettbewerb der Werkstoffe. Die Vielfalt seiner Eigenschaften und Einsatzmöglichkeiten dokumentieren mehr als 2.000 Sorten. Und die Entwicklung geht in enger Kooperation mit den Kunden ständig weiter: Maßgeschneiderte Stähle werden auch zukünftig bezahlbare Leichtbaulösungen ermöglichen.

Über das breite Eigenschaftsprofil verschiedener Stahlsorten und Stahlerzeugnisse sowie deren vielfältige Anwendungs- und Verarbeitungsmöglichkeiten informierte das Stahl-Informations-Zentrum auf dem Gemeinschaftsstand B22 in Halle 6, der in unmittelbarer Nähe zur Solutions Area zugleich als zentrale Anlaufstelle diente.

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Ralph Bartos
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