Impulse für Einsatz von Magnesium in Leichtbaukonstruktionen

Vertreter aus Industrie und Wissenschaft haben auf dem Kolloquium „Magnesium Leichtbau“ der Fraunhofer-Gesellschaft über Forschungsergebnisse und Praxisanwendungen zum Thema werkstoff- und funktionsgerechter Leichtbau mit Magnesium diskutiert und neue Lösungen vorgestellt.

Die Verknüpfung der unterschiedlichen Kernkompetenzen der Fraunhofer-Institute wurde für eine durchgängige Betrachtung der Kette Werkstoffsimulation – Prozesssimulation – Bauteilsimulation genutzt.

Sechs Fraunhofer-Institute haben in den vergangenen drei Jahren gemeinsam mit Industriepartnern intensive Arbeiten zu fertigungs- und einsatzrelevanten Themen rund um den Konstruktionswerkstoff Magnesium durchgeführt. Die Verknüpfung der unterschiedlichen Kernkompetenzen der Fraunhofer-Institute wurde für eine durchgängige Betrachtung der Kette Werkstoffsimulation – Prozesssimulation – Bauteilsimulation genutzt. Die erarbeiteten magnesiumspezifischen Entwicklungstools, zusammengefasst in einem Fertigungs- und Konstruktionskatalog, sollen industriellen Entwicklungspartnern eine effiziente Neuentwicklung gewichtsoptimierter, produktions- und einsatzqualifizierter Strukturbauteile aus Magnesiumlegierungen bei verkürzter Entwicklungszeit ermöglichen.

Die Veranstaltung, die am 2. Juni mit einer Werksbesichtigung bei der Adam Opel AG begann, hatte zum Ziel, den ca. 80 Teilnehmern aus verschiedensten Industriebranchen und Wissenschaftseinrichtungen die Ergebnisse dieser Arbeiten zu präsentieren. Der Executive Direktor Produktentwicklung und Konstruktion der Adam Opel AG, Karl-Friedrich Stracke, eröffnete die Vortragsreihe am 3. Juni und wies auf die Bedeutung des kostenoptimierten Leichtbaus für die Automobilindustrie hin. In Vorträgen aus Industrieunternehmen und Fraunhofer-Instituten wurden die großen Potenziale von Magnesium zur Gewichtseinsparung deutlich und gleichzeitig Ansätze vorgestellt, wie die Reserven beim Einsatz von Magnesium als Leichtbauwerkstoff besser ausgeschöpft werden können.

Dazu haben die Fraunhofer-Institute in etlichen Untersuchungen ein verbessertes Verständnis des Werkstoffs Magnesium unter mechanischen, thermischen und korrosiven Belastungen erarbeitet. Darauf aufbauend wurde die Frage angegangen, wie die entsprechenden Fertigungsverfahren wie Gießen, Umformen, Fügen, Lackieren, etc. ausgestaltet sein müssen, um die Anforderungen zu erfüllen, die die Praxis, insbesondere die Automobilindustrie an Magnesiumbauteile stellt. Neben Werkstoff und Fertigung haben die Auslegung und Bewertung von Bauteilen aus Magnesium eine ganz zentrale Rolle gespielt. Diese drei Eckpfeiler waren gleichzeitig auch für die Fraunhofer-Institute Leitlinie und Messlatte bei der Konzeption der Projekte.

Exemplarisch für diesen Ansatz wurde, wie Silke Sommer vom Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM in Freiburg erläuterte, eine Simulationsmethode zu Crashbewertung von Bauteilen aus Magnesium entwickelt, die die Verformung des crashbeanspruchten Bauteils und die Orte, an denen das Bauteil bricht bzw. reißt, vorhersagen kann. Möglich wurde dies durch die Entwicklung und Anpassung von Werkstoffmodellen für die Simulation aus dem fundierten Verständnis des Werkstoffs heraus. Die genaue Kenntnis der Belastungssituation ist nötig, um die Praxisbedingungen im Rechner präzise abbilden zu können. Das Fertigungsverfahren spielt in sofern eine entscheidende Rolle, als z.B. beim Gießen von Magnesiumbauteilen bedingt durch Fließwege und Erstarrung der Werkstoff im Bauteil nicht überall die gleichen Eigenschaften aufweist. Auch dieser Effekt wird in der neuen Crashsimulation berücksichtigt.

Mittelfristig wollen die Institute dahin kommen, dass sowohl Fertigungsprozess als auch Bauteilcrash im Rechner so miteinander verbunden werden können, dass das optimale Bauteil virtuell entwickelt werden kann.

Dass die Methode funktioniert, wurde durch die Übereinstimmung von Crashversuchen am Magnesium-Instrumententafelträger des neuen Opel-Vectra, die beim Industriepartner Adam Opel AG in Rüsselsheim durchgeführt wurden, und den Simulationsergebnissen eindrucksvoll belegt.

Der Magnesium-Instrumententafelträger war auch Schwerpunkt des Vortrags des Leiters des Zentrallabors der Adam Opel AG, Günter Deinzer. Durch den Einsatz von Magnesium konnten 5 kg Gewicht eingespart werden. Die Adam Opel AG arbeite daran, den Magnesiumanteil in der Opelflotte zu erhöhen. Die Ergebnisse der Fraunhofer-Institute böten hierzu vielversprechende Ansätze.

Christoph Schendera von Hydro Magnesium stellte vor, wie verbesserte Magnesium-Druckgussbauteile durch erweiterte Gießsimulationen in Verbindung mit speziellen Formfüllversuchen realisiert werden können.

Ulrich May vom Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit LBF in Darmstadt erklärte am Beispiel eines Motorträgers, welche Schritte erforderlich sind, um sicherheitsrelevante Bauteile beispielsweise im Fahrwerks- und Antriebsbereich betriebsfest auszulegen. Durch diese Arbeiten wurden umfangreiche Kennwerte für die Bauteilbemessung gewonnen.

Werkstoffverbunde waren Thema des Vortrags von Sigrun Jagodzinski von der BMW Group in München. Am Beispiel einer Aluminium-Magnesium Verbundkonstruktion für Kurbelgehäuse wurden Werkstoffauswahl, Korrosionsschutz und Verschraubung behandelt. Basierend auf einer genauen Kenntnis der Magnesium-Werkstoffeigenschaften konnte so eine konstruktive Lösung mit hoher Bauteilsteifigkeit realisiert werden.

Die vielfältigen Möglichkeiten, die Magnesiumblech als Konstruktionswerkstoff bietet, wurden von Dr. Peter Juchmann von der Salzgitter Magnesium-Technologie GmbH erörtert. Magnesiumblech habe einen für viele Automobilanwendungen akzeptablen Qualitätsstandard erreicht und bietet sich sowohl für crashrelevante Bauteile als auch für großflächige Karosserieteile an. Im BMBF-geförderten Verbundprojekt ULM wurde die Prozesskette für Ultraleichtbauteile aus Magnesiumblech untersucht.

Auch für die Fraunhofer-Institute war das Thema Magnesiumblech ein wichtiger Schwerpunkt, wie Michael Seifert von Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU in Chemnitz am Beispiel einer Modellmotorhaube erläuterte. Anhand dieses Demonstratorbauteils wurde das temperierte Innenhochdruck-Umformen für Magnesiumblech qualifiziert. Dafür wurden ausgehend von den Umformeigenschaften verschiedener Magnesiumbleche und der Variation der Fertigungsparameter geeignete Prozessfenster identifiziert. Im Ausblick wurde auf das Potenzial des Innenhochdruck-Umformens für Rohre und Profile aus Magnesium hingewiesen.

Strangpresslegierungen waren auch Gegenstand des Vortrags von Dr. Heinz Lowak von der Otto Fuchs KG. Bei besonderen Anforderungen an Sicherheitsrelevanz, Schwingfestigkeit und Crashverhalten haben stranggepresste und geschmiedete Komponenten ihre Berechtigung. Durch die Warmumformung können Poren und Lunker ausgeschlossen werden, so dass entsprechende Komponenten im Vergleich zum Guss bessere mechanische Eigenschaften aufweisen. Strangpressprofile finden Anwendung in Rahmenstrukturen und in Lenkrädern. Magnesium als Schmiedewerkstoff kommt in Rädern zum Einsatz.

Der Arbeitsschwerpunkt Fügeverfahren der Fraunhofer-Institute wurde von Dirk Dittrich vom Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS in Dresden vorgestellt. Das Laserstrahlschweißen ist sehr gut geeignet und liefert Schweißverbindungen mit hoher statischer und zyklischer Festigkeit. Für Klebeverbindungen wurden spezielle Oberflächenbehandlungen entwickelt. Für das mechanische Fügen wurden Stanzniet- und Clinchverbindungen qualifiziert.

Korrosionsschutz für Magnesium behandelte Dr. Jörg Ihde vom Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Materialforschung IFAM in Bremen. Auf der Basis verschiedener Korrosionsuntersuchungen an Strangpress-, Blech- und Druckgusswerkstoffen wurde ein Leitfaden für den Oberflächenschutz von der Reinigung über die Vorbehandlung bis zur Lackierung von Magnesiumwerkstoffen konzipiert und erfolgreich in Korrosionstests erprobt.

Im Abschlussvortrag zum Thema Vision Leichtbau gab der Leiter des Fraunhofer-Instituts für Betriebsfestigkeit LBF, Professor Holger Hanselka, einen Einblick in eine neue Leichtbaukonzeption mit sensorischen und aktorischen Funktionen.

Das Kolloquium ist für die 25 Wissenschaftler und Ingenieure aus sechs Fraunhofer-Instituten gemeinsam mit den Industriepartnern der vorläufige Höhepunkt eines dreijährigen Querschnittprojekts zum Leichtbau mit Magnesium. Die Konzepte, Lösungen und Methoden werden nun in weiterführende Projekten und in bilaterale Auftragsforschungsprojekte umgesetzt.