3.1.1.1 Technologiebeschreibung
Die Gewichtsreduzierung von Fahrzeugen ist für Fahrzeughersteller eine permanente Herausfor-derung, die durch Anstrengungen im Klimaschutz und die Erhöhung der Reichweite bei Elektrofahr-zeugen noch an Bedeutung gewonnen hat. Der Fahrzeugwiderstand setzt sich aus dem Luft-, Roll-, Steigungs- und Beschleunigungswiderstand zusammen. Ausgenommen des Luftwiderstands sind all diese direkt proportional zu der Fahrzeug-masse. Dies bedeutet, dass mit steigender Fahr-zeugmasse auch eine größere Antriebsleistung benötigt wird. Durch eine Fahrzeuggewichtsredu-zierung von 100 kg wird der Kraftstoffverbrauch konventioneller Pkw um durchschnittlich 0,5 l/100 km gesenkt und der CO2-Ausstoß um 12 g/km reduziert (Klein 2012).
Durch Gesetzgebung und Kundenwünsche stei-gen die Anforderunstei-gen an die Sicherheitstechnik und Komforteinrichtungen, sodass das durch-schnittliche Fahrzeuggewicht in der Vergangen-heit stark zugenommen hat. Bei Pkw sind das bei-spielsweise der Seitenaufprallschutz, ABS, ESP, die Abgaskatalysatoren aber auch Klimaanlagen und Motoren für Fensterheber, Sitzverstellung und weitere Komforteinrichtungen. Wegen des steigenden Fahrzeuggewichts werden auch stets höhere Motorleistungen gefordert, um keine Ein-bußen in der Fahrzeugdynamik zu haben. Aus der steigenden Motorleistung resultiert wiederum ein höheres Motorengewicht, eine sich fortsetzende Gewichtsspirale entsteht, mit welcher die Masse neuer Fahrzeuge stetig zunehmen. Um die-ser Gewichtsspirale entgegenzuwirken, wird im Fahrzeugbau zunehmend auf Leichtbau gesetzt.
Besonders für batteriegetriebene Elektrofahr-zeuge ist Leichtbau ein essenzieller Erfolgsfaktor, um der Reichweitenproblematik durch begrenzte Batteriekapazitäten entgegenzuwirken. Mit sin-kendem Karrosseriegewicht kann entweder das Gesamtgewicht des Fahrzeugs verringert
wer-den, sodass sich ein verminderter Energiebedarf durch sinkende Fahrzeugwiderstände ergibt, oder es kann eine größere Batterie bei gleichbleiben-dem Gesamtgewicht eingesetzt werden. In beiden Fällen lässt sich die Reichweite eines Elektrofahr-zeugs durch Leichtbau erhöhen, auch wenn dem Leichtbau aus Gründen der Technik, Wirtschaft-lichkeit und Sicherheit Grenzen gesetzt sind.
Es existieren unterschiedliche Leichtbaustrate-gien, um die Masse von Strukturen bei gleich-bleibender mechanischer Beanspruchbarkeit zu senken (Friedrich 2013):
– Stoffleichtbau: Beim Stoffleichtbau wird eine Gewichtsreduzierung durch die Substitution des ursprünglichen Werkstoffs durch einen Werkstoff geringerer Dichte bei gleichbleiben-der Form bewirkt. Wenn konventioneller Stahl durch hochfesten Stahl ersetzt wird, spricht man von Stahlleichtbau. Weitere Metalle für den Stoffleichtbau sind Aluminium oder Magnesium, mit welchen ein Gewichtserspar-nis von 40 % bzw. 49 % bewirkt werden kann.
Insbesondere Audi setzte mit dem sogenann-ten Audi Space Frame auf Aluminiumleicht-bau, wodurch beim Q7-Modell von 2015 das Karosseriegewicht um 71 kg gesenkt werden konnte (Audi 2017). Neben metallischen Werkstoffen können auch faserverstärkte Verbundwerkstoffe wie GFK (Glasfaser) mit einem Leichtbaupotential von 20 % oder CFK (Kohlenstofffaser) mit einem Leichtbaupoten-zial von über 50 % eingesetzt werden. Beim Mercedes Benz SL 500 konnte beispielsweise alleine in der Heckklappe 4,5 kg Gewicht eingespart werden, indem diese bei gleich-bleibender Form aus GFK statt Stahl gefertigt wird (Friedrich 2013). Auch BMW setzt auf Verbundwerkstoffe, beispielsweise im Elektro-fahrzeug BMW i3.
– Fertigungsleichtbau: Leichtbaumaßnahmen, welche durch den Produktionsprozess ermög-licht werden, werden unter Fertigungsleicht-bau zusammengefasst. So hat beispielsweise die Weiterentwicklung des Laserschweißens zu neuen Möglichkeiten beim Fügen geführt.
Durch das neue Flow-Forming-Verfahren kann Material während des Umformens der-artig verfestigt werden, dass Gewichtserspar-nisse von bis zu 15 % bei der Felgenproduk-tion erreicht werden. Durch die Gas- oder
Wasser-Injektions-Technik können Hohlbau-teile aus Kunststoff in einem Arbeitsschritt gefertigt werden, welche die ursprünglichen Vollbauteile ersetzen und somit Gewicht ein-sparen (Friedrich 2013).
– Formleichtbau: Im Formleichtbau wird das Material eines Bauteils derartig verteilt, dass es an die Beanspruchung angepasst wird, sodass an weniger beanspruchten Stellen Material eingespart werden kann. Konst-ruktive Maßnahmen zur Versteifung sind beispielsweise Rippen, Sicken oder Scha-lenform. Durch die Struktursimulation (z. B.
Finite-Elemente-Methode) von Bauteilen unter Belastung kann die Form optimal an die Belastung angepasst werden.
– Bedingungsleichtbau: Äußere Einflussfakto-ren wie Beanspruchbarkeit, Gesetzgebung oder erwartete Lebensdauer haben einen Einfluss auf das Gewicht von Fahrzeugen.
Durch den Bedingungsleichtbau werden diese angepasst, um Leichtbau umzusetzen.
– Konzeptleichtbau: Der Konzeptleichtbau bezieht sich auf die Bauweise, welche in Differential-, Integral- und integrierende Bau-weise unterschieden wird. In der Differential-bauweise setzen sich mehrere Bauteile addi-tiv durch Fügen zu einer Struktur zusammen, während in der Integralbauweise eine Struktur aus nur einem Bauteil angestrebt wird, welche dann eine höhere Formkomplexität aufweist.
Die integrierende Bauweise verbindet Integra-tion und DifferentiaIntegra-tion (Klein 2012).
Viele reale Ansätze für Fahrzeugleichtbau lassen sich nicht vollständig einer Leichtbaustrategie zuordnen. Ein Leichtbauansatz wurde mit den sogenannten Tailored Blanks von der Stahlindus-trie entwickelt, wobei die damalige Thyssen Stahl AG die Pionierarbeit geleistet hat. Die Techno-logie begann 1985 mit dem Verschweißen von großformatigen Stahlblechen, die breiter als mit den damaligen Walzgerüsten herstellbar waren.
Mit der Qualifizierung im Laserstrahlschweißen erkannte man die Möglichkeit, Bleche unter-schiedlicher Dicke, Festigkeit und Oberflächen-beschichtung zu einem Vorprodukt zu fügen, welches anschließend beim Kunden zum Karos-seriebauteil tiefgezogen wird (Mertens & Koch
2003). Mit dieser Technologie werden Bleche
in Dicken von 0,6 – 3 mm den unterschiedlichen lokalen mechanischen Anforderungen am ferti-gen Bauteil angepasst. Hochfester Stahl wird dort eingefügt, wo die lokale Belastung dies erfordert und die Blechdicke wird dort verstärkt, wo hohe Steifigkeit vonnöten ist. Durch die Anpassung des Werkstoffs, der Werkstoffgüte sowie der Oberflä-chenbeschaffenheit an die im Bauteil lokal auf-tretenden Belastungen können die Blechdicken reduziert werden, während Verstärkungsteile und Flansche für Überlappungsverbindungen ent-fallen. Tailored Blanks weist somit Elemente des Stoff-, Fertigungs- und Konzeptleichtbaus auf. Die unterschiedlichen Verfahren zur Herstellung von Tailored Blanks werden im Folgenden beschrie-ben (MerKlein et al. 2014):
– Tailor Welded Blanks: Verschweißen von Blechen unterschiedlicher Werkstoffeigen-schaften.
– Patchwork Blanks: Lokale Verstärkung durch Überlappung von Blechen.
– Tailor Rolled Blanks: Bleche, welche durch einen Walzprozess eine kontinuierliche Ände-rung in der Dicke aufweisen.
– Tailor Heat Treated Blanks: Lokal unterschied-liche Wärmebehandlung von Blechen.
Eingesetzt wird die Technologie für die Ferti-gung von Türen, Heckklappen, Seitenteilen, A- und B-Säulen, Dach, Radkästen, Bodenblech, Längsträgern, Motorträgern, Stoßfängern und Federbeintöpfen. Heute liefern alle großen Stahl-hersteller Tailored Blanks, darunter auch die Salz-gitter Europlatinen GmbH, deren Internetauftritt Abb. 3.1 entnommen ist. Sie zeigt die Rohbauka-rosserie eines Pkw und hebt die besonders bean-spruchten Komponenten hervor.
Die Technologie der laserstrahlgeschweiß-ten, maßgeschneiderten Blechplatinen erlaubt Gewichteinsparungen an der Rohkarosserie von 25 %. Bei einem Fahrzeug der VW Golf-Klasse mit einem Karosseriegewicht von 360 kg sind dies 90 kg. Somit tragen Tailored Blanks neben der Gewichtsreduzierung auch zur Ressourcenscho-nung verglichen mit einer konventioneller Blech-bauweise bei. Zudem können durch den Einsatz von Tailored Blanks die Kosten gesenkt werden, da Material eingespart wird.
Die Technologieentwicklung ist noch im Fluss. In der Zwischenzeit können auch nicht gerade ver-laufende Blechfugen verschweißt werden. Der Laserstrahl folgt dabei dem Kurvenverlauf beliebi-ger Fugenkonturen. Auch mit der Verbindung von Stahl- und Aluminiumblechen zu hybriden Tailored Blanks wird experimentiert und wurde bereits 2004 erfolgreich von dem Lehrstuhl für Umformtechnik und Gießereiwesen der TU München durch Laser-Rollnahtfügen umgesetzt. Weitere Verfahren zur Herstellung hybrider Tailored Blanks sind das Reibrührschweißen und das Cold-Metal-Trans-fer-Verfahren (Friedrich 2013). Beim Verschwei-ßen von Stahl mit Aluminium durch konventionelle Verfahren bildet sich eine intermetallische Phase
in der Fügezone, welche spröde Eigenschaften aufweist. Infolgedessen kann das Bauteil nur begrenzt umgeformt oder tiefgezogen werden, sodass es für die meisten automobilen Karosse-rieanwendungen nicht geeignet ist. Um die inter-metallische Phasenbildung zu vermeiden, wurde vom Fraunhofer IWS ein spezielles Verfahren zum Fügen von Aluminium und Stahl entwickelt.
Für dieses wird ein Zwischenfügeelement (sog.
Transition Joint) hergestellt, welches ein Stahl-Aluminium-Bimetallband darstellt. Dieses wird in einem Walzprozess mit gleichzeitigem Erhitzen durch Laserstrahlung in der Fügezone hergestellt.
Durch die präzise Einstellung der thermomecha-nischen Bedingungen, wird eine stoffschlüssige Abb. 3.1: Mögliche Anwendungsbereiche von Tailored Blanks
(Quelle: SalzgitteR euROplatiNeN gmbh)
Verbindung mit einer extrem dünnen intermetalli-schen Phase erzeugt. Der Transition Joint verfügt dadurch über eine exzellente Verformbarkeit und Festigkeit. Der Transition Joint wird anschließend als Zwischenelement der zu fügenden Bleche genutzt, indem der Stahlteil mit dem Stahlbauteil und der Aluminiumteil mit dem Aluminiumbauteil verschweißt wird (WAgner et al. 2014).
Die zugrundeliegende neuartige Leichtbaustrate-gie ist dabei das Multi-Material-Design, dessen Ziel es ist, an jeder Stelle den für den Anwen-dungsfall optimalen Werkstoff einzusetzen (Klein
2012). Durch den Einsatz von Aluminium in Tai-lored Blanks lässt sich das Gewicht von Bauteilen noch weiter senken; so konnte bei einem Stoß-fänger das Gewicht um 30 % gesenkt werden, bei nahezu gleichbleibendem Verformungsverhalten im Crashfall (WAgner et al. 2014).
Da Tailored Blanks derzeit und in Zukunft im Karosseriebau eine wesentliche Rolle spielen und diese durch den Metalleinsatz Auswirkungen auf den zukünftigen Rohstoffmarkt haben wird, wer-den im Folgenwer-den ausschließlich Tailored Blanks untersucht.
3.1.1.2 Rohstoffinhalt
Klassische Tailored Blanks werden aus unter-schiedlichen Stählen, also einer Legierung aus Eisen und Kohlenstoff, hergestellt, welchen unter Umständen weitere Legierungselemente bei-gefügt werden. Schweißbaren und hochfesten Stählen zur Aufnahme lokaler Belastungsspitzen kommen in Tailored Blanks eine Schlüsselrolle zu. Sie sind Voraussetzung für die Gewichtsein-sparung, weil sie es ermöglichen, die Blechdicken an der Belastungsstelle und auch an den übrigen weniger beanspruchten Stellen herabzusetzen.
Die eingesetzten hochfesten Stähle weisen Zug-festigkeiten um 1.000 N/mm2 und mehr auf. Die Festigkeit von Stahl lässt sich durch die Erhö-hung des Kohlenstoffgehalts, Wärmebehand-lung und mechanische Verformung steigern. Bei einem Kohlenstoffanteil von über 0,22 % nimmt jedoch die Schweißbarkeit und Zähigkeit rapide ab (dubbel 1983), beides Eigenschaften die für geschweißte und tiefgezogene Tailored Blanks unverzichtbar sind. Die Steigerung der Festigkeit von schweißbaren Stählen erfolgt deshalb durch Ausbildung eines feinkörnigen Gefüges. Dies
geschieht zum einen durch die Zugabe kleinster Mengen das Korn verfeinernder Legierungsele-mente, darunter Aluminium, Niob und Vanadium mit Anteilen unterhalb von 0,1 Gewichtsprozent.
Zum anderen wird das Gefüge durch Wärmebe-handlung und Walzen beeinflusst. Für die Ausbil-dung von Gefüge und Eigenschaften bei Karosse-rieblechen spielt die Haubenglühstufe nach dem Kaltwalzen eine große Rolle.
Für die optimierten hochfesten Spezialstähle im Fahrzeugbau haben sich Bezeichnungen wie TRIP-Stahl (Transformation Induced Plasticity), DP-Stahl (Dualphasenstahl), CP-Stahl (Com-plexphasenstahl) und andere herausgebildet.
Ihnen ist gemeinsam, dass durch spezielle Wär-mebehandlung und mechanische Umformung in einem ferritischen (DP) oder ferritisch-aus-tenitischen (TRIP) Grundgefüge martensitische Inseln ausgebildet werden, welche die Zugfestig-keit steigern und zugleich die Streckgrenze für eine gute Umformbarkeit beim Tiefziehen niedrig halten. Wichtige Legierungselemente von Dual-phasenstahl sind Mangan (0,8 – 2 %), Silizium (0,1 – 0,5 %) und Aluminium (bis 0,2 %). Auste-nitische Stähle, darunter TRIP-Stahl, enthalten zusätzlich Austenitbildner wie Nickel, Kobalt und Mangan. Die Werkstoffentwicklung ist nach wie vor stark im Fluss. Eine neuere Entwicklung sind hochfeste Mangan-Bor-Stähle (VollMers 2008;
bArtos 2014).
3.1.1.3 Foresight Industrielle Nutzung
Der Golf III von Volkswagen war 1991 weltweit das erste Fahrzeug, bei dem Tailored Blanks in der Serienfertigung eingesetzt wurden. Große Hersteller von Tailored Blanks sind beispiels-weise Salzgitter Europlatinen und Bao Steel, die mit Wisco Tailored Blanks den Pionier dieses Bereichs, ThyssenKrupp Tailored Blanks über-nahmen. Zum derzeitigen Stand konnte keine Studie zur Marktdurchdringung von Tailored Blanks gefunden werden. Daher kann der derzei-tige Anteil von Tailored Blanks lediglich geschätzt werden, sodass dieser mit 40 % an der Rohkaros-serie angenommen wird.
Die Beherrschung des Laserstrahlschweißens beliebiger Nahtformen erschließt der Technologie weitere Anwendungen und zusätzliche
Poten-ziale zur Gewichtsreduktion. Zudem ist durch einen Anstieg des Know-hows und durch großer skalierte Produktion mit sinkenden Kosten von Tailored Blanks in der Zukunft zu rechnen. Da Tailored Blanks insbesondere bei Bauteilen mit inhomogener Belastung einen Vorteil bringen, ist nicht davon auszugehen, dass sich in Zukunft die gesamte Karosserie aus Tailored Blanks zusam-mensetzt. Daher wird geschätzt, dass sich der Anteil von Tailored Blanks an der Rohkarosserie bis 2040 verdoppelt und somit 80 % beträgt.
Hybride Tailored Blanks sind derzeit noch Gegen-stand der Forschung und werden daher bis heute nicht serienmäßig in Fahrzeugen eingesetzt (hil
-denbrAnd 2019). Herausforderungen bei unter-schiedlichen Materialien sind die Verminderung der elektrochemischen Korrosion und die Beherr-schung unterschiedlicher thermischer Ausdeh-nungskoeffizienten. Da noch nicht absehbar ist, wann und ob sich hybride Tailored Blanks auf dem Markt durchsetzen, werden diese in dem Szena-rio für den Rohstoffbedarf von Karosserien nicht mit einbezogen.
Haupteinsatzgebiet von Tailored Blanks ist die Automobilindustrie. Einsatzpotenziale bestehen aber auch in anderen Sektoren, beispielsweise der Hausgeräteindustrie, im Maschinenbau und im Anlagenbau.
3.1.1.4 Foresight Rohstoffbedarf
Um den Rohstoffbedarf für Tailored Blanks in der Zukunft abzuschätzen, werden die Mobilitätssze-narien SSP1, SSP2 und SSP5 herangezogen, welche bereits in diesem Bericht ausführlicher beschrieben wurden. Die derzeitigen und zukünf-tigen Fahrzeugproduktionszahlen sind in Tab. 3.1 dargestellt, wobei sowohl private als auch
kom-merzielle Fahrzeuge einbezogen werden. Es wird davon ausgegangen, dass ein durchschnittliches neuzugelassenes Fahrzeug etwa 1.800 kg wiegt (AbuelsAMid 2019) und die Karosserie einen Anteil von 25,5 % an dem Gesamtgewicht des Fahr-zeugs hat (lutsey 2010). Die Zusammensetzung von Fahrzeugkarosserien werden wie im Fore-sight industrielle Nutzung beschrieben angenom-men. Es wird lediglich der Rohstahl ohne Legie-rungselementen betrachtet, da die verwendeten Legierungselemente und deren Konzentrationen im Stahl je nach Anwendungsfall und Fertigungs-technologie stark variieren.
2018 hatte die Produktion von Fahrzeugkarosse-rien einen Anteil von 2,2 % an der gesamten Roh-stahlproduktion. Durch den Einsatz von Tailored Blanks kann eine durchschnittliche Gewichts-ersparnis von 11 % verglichen mit derzeitigen Fahrzeugkarosserien erwirkt werden. Der Roh-stoffbedarf für Karosserien steigt somit je nach Szenario um lediglich 42 %, 63 % oder 117 % an, während die Anzahl der produzierten Fahrzeuge im betrachteten Zeitraum um 59 %, 84 % oder 145 % ansteigt. Neben einem positiven Effekt der Gewichtsreduktion auf den Energiebedarf für den Fahrzeugbetrieb kann durch Tailored Blanks auch der Rohstoffbedarf pro Fahrzeug gesenkt werden.
Bei einer steigenden Rohstahlproduktion ist daher eine Senkung des Anteils der Fahrzeugkarosse-rien am gesamten Stahlbedarf möglich. Dies ist ein Beispiel für das Potenzial mit Leichtbaustra-tegien die Entkopplung von Wirtschaftswachstum und Rohstoffbedarf herbeizuführen.