Die Zukunft im Leichtbau

Heute an den Entwicklungen von morgen arbeiten 

Von Dr. Uwe König, Haan, Udo Sievers, Stuttgart, und Herbert Käszmann, Waldshut-Tiengen

Derzeit zeigt sich in einem der wichtigsten Industriebereiche Deutschlands, dem Fahrzeugbau, ein Wandel im Angebot. Nach jahrelangen Ankündigungen sind jetzt die ersten Fahrzeuge in Leichtbauweise und mit neuem Antriebskonzept für breite Käuferschichten zu akzeptablen Preisen im Angebot. Leichtbauwerkstoffe stellen neben dem Elektroantrieb und der Stromspeicherung in Akkus hier wichtige und umwälzende Neuerungen dar. Allerdings stehen noch zahlreiche Problemlösungen und Verbesserungen an. Dies war auch der Anlass für einen Workshop, zu dem die eiffo und die i.con innovation GmbH eingeladen hatten. Mit eiffo ist ein neues Unternehmen auf dem Gebiet der Innovationsunterstützung in der oberflächentechnischen Industrie tätig, das aus erfahrenen Fachleuten der Branche besteht. Diese werden aktuelle Themen aufgreifen und gemeinsam mit den Unternehmen bearbeiten.

Trends im Leichtbau

Leichtbaumaterialien und Leichtbaudesign sind seit langer Zeit wesentliche Faktoren in der Produktentwicklung vieler Industriesektoren. Verschiedene Studien sehen in der aktuellen Diskussion zur Optimierung der verfügbaren Ressourcen und zur Einsparung von CO₂ einen wesentlichen Schub zur intensiven Weiterentwicklung. So sieht eine Studie von McKinsey [1] für die Automobilindustrie aufgrund der anstehenden­ CO₂-Regulierung bis 2030 im Leichtbau ein Wachstum im dreistelligen Milliardenbereich – es wird erwartet, dass der Markt von heute 70 Milliarden Euro bis 2030 auf mehr als 300 Milliarden Euro wachsen wird. Dabei wird hochfester Stahl ein wichtiger Leichtbauwerkstoff bleiben, aber insbesondere wird auch für neue Werkstoffe­ wie Carbonfaser-Verbundstoffe mit 20 Prozent Wachstum gerechnet. Hieraus leitet McKinsey große Chancen für Zulieferer und Anlagenbauer ab.

Das Institute of Transportation Studies sieht längerfristig ebenfalls einen großen Bedarf an neuen Materialien [2]. In einer Studie aus dem Jahr 2010 wird dargelegt, dass bis 2020 mit einer Gesamtgewichtsreduktion von bis zu 33 Prozent zu rechnen ist (Abb. 1). Dabei nimmt der Anteil von klassischen Leichtbaumaterialien wie Aluminium und Magnesium zu, während gleichzeitig eine langfristige Abnahme von Stahlprodukten erwartet wird. Darüber hinaus wird eine starke Zunahme der Kunststoffanteile erwartet, sowie die zunehmende Verwendung neuer Materialien, zu denen Kohlenstofffaser basierte Materialien genauso gehören wie Biomaterialien.

Abb. 1: Mögliche Gewichtseinsparung durch neues Fahrzeugdesign

Durch die zunehmenden Anforderungen an ein kompaktes Design wird der Material­modifikation eine wachsende Bedeutung zukommen. Materialien werden nicht mehr als tote Konstruktionseinheiten behandelt werden können, sondern sie werden verstärkt funktionalisiert werden und als Funktionsmaterialien in Design und Sicherheit integriert [3]. Hier kommt der Oberflächenbehandlung der verschiedenen Werkstoffe eine zentrale Rolle zu.

Gerade im Bereich Sicherheit und Belastbarkeit, zum Beispiel bei Antriebs- und Bremssystem, besteht ein hohes Innovationspotenzial. Kurzfristig wird dieser Bereich wohl noch von metallischen Werkstoffen bestimmt werden. Mit fortschreitender Materialentwicklung ist aber zu erwarten, dass auch neue Materialien verstärkt eingesetzt werden können [4].

Bedeutung und Chancen der Oberflächentechnik

Für die Produktionsprozesse ergeben sich daraus erhebliche neue Anforderungen auch in Zulieferbranchen der Automobilproduktion wie der Oberflächentechnik. Die Forderung nach Funktionalisierung erfordert eine zielgerichtete Oberflächenbehandlung, die für spezielle Anforderungen bereits vielerorts entwickelt wird. Eine noch größere Herausforderung ist allerdings die Realisierung von verlässlichen Beschichtungen eines Massenbauteils aus nichtmetallischen Werkstoffen in der gleichen Qualität wie die bei Verwendung eines Bauteils aus Metall. Durch die Vielzahl von alternativen Materialien treten die Summeneigenschaften verstärkt in den Vordergrund. Fragen der Kontaktkorrosion sind ebenso wie Fragen der Beschichtungsfähigkeit bei weitem noch nicht gelöst. Für die Oberflächentechnik bedeutet dies, parallel zur Entwicklung der Materialien geeignete Beschichtungsmethoden zu erarbeiten, welche die Qualität in Design und Funktion garantieren.

Diese Anforderungen aus der Industrie generierten die Idee eines übergreifenden Projekts speziell zum Thema Oberflächen- und Verbindungstechnik für den Leichtbau, das in dem Workshop in Stuttgart anhand von ausgewählten Aspekten vorgestellt und diskutiert wurde. Ziel ist es, Ansätze für eine innovative Zusammenarbeit von Interessenten aus Industrie und Forschung zu entwickeln, um die übergreifenden Anforderungen umsetzen zu können.

Gemeinsam forschen am Beispiel ARENA 2036

Entwicklungen können aufgrund der Komplexität nur durch eine gemeinsame Herangehensweise aller am Prozess Beteiligten­ erfolgen. Beteiligt sein sollten Forschungseinrichtungen, Rohstoffhersteller,­ Zulieferbetriebe sowie die Hersteller der Endprodukte wie Automobilhersteller. Erst diese vorausschauende Kooperation aller Beteiligten sichern nachhaltig die Innovationskraft in der Automobiltechnik und auch in anderen Branchen ab.

Als ein Beispiel wurde die Kooperation ARENA2036 vorgestellt. Hierbei handelt es sich um ein Konsortium zur Untersuchung und Entwicklung neuer Bauweisen und Produktionsprozesse für die nächste Generation des Automobilbaus. Ausgangspunkte dafür sind die erwartete weitere Erhöhung der Variantenzahl durch alternative Antriebe und Ausstattungen, die damit steigenden Kosten der Produktion und die Forderung nach Vermeidung von Gewichtserhöhung trotz weiter erhöhtem Fahrzeugkomfort. Im Fokus steht hierbei die Nachhaltigkeit der Produktion, bei der einerseits die hohe Qualifikation der Mitarbeiter stärker berücksichtigt und zum andern besonders hoher Wert auf Innovationen gelegt wird. Zu diesem Zweck wurden im Rahmen der ARENA2036, bei der Wissenschaft und Industrie unter einem Dach vereint sind, umfangreiche F&E-Vorhaben initiiert.

In den auf Werkstoffentwicklung und Produktionstechnik fokussierten Startprojekten der ARENA2036 arbeiten bisher primär Großunternehmen und Wissenschaft zusammen. Diese Projekte befassen sich mit dem funktionsintegrierten Leichtbau, digitalen Prototypen und einer wandlungsfähigen Produktion. Kleine und mittlere Unternehmen (KMU) der Zulieferindustrie sollen über die Bildung eigenständiger Konsortien, in denen jeweils spezifische Themen und Aufgaben bearbeitet werden, mit der ARENA2036 zusammenarbeiten. Mit dieser Art der Kooperation von KMU und Großunternehmen sollen die KMU in die Lage versetzt werden, neue Anforderungen aus den Entwicklungen der Großunternehmen schneller als bisher in die Produktion umzusetzen.

Die Möglichkeiten einer Zusammenarbeit werden dabei wesentlich bestimmt durch die Regionalität und die Frage, inwieweit die Tätigkeitsfelder interessierter Partner in die durch ARENA2036 benannte Prozesskette integriert werden können. Die Fokussierung auf Schwerpunktbereiche erfordert, dass die zu bearbeitenden Themen im Vorfeld möglichst exakt definiert werden. Hierzu ist es notwendig, den Dialog zwischen den interessierten Unternehmen ebenso zu initiieren und zu fördern wie den Erfahrungsaustausch auf Fachebene sowie die Kooperation in Forschungsvorhaben und Industrieprojekten zu unterstützen.

Fahrzeugproduktion

Ein Schwerpunktthema ist der Umgang mit der steigenden Modellpalette der Automobilhersteller. Diese Entwicklung wird verstärkt von der zunehmenden Zahl neuer Antriebsvarianten und neuer Materialien ausgelöst, durch welche die weiter steigenden Wünsche der Kunden nach Komfort ebenso erfüllt werden sollen wie die gesetzlichen Vorgaben zur Reduzierung der CO₂-Emissionen. Allerdings müssen diese Veränderungen stets so vollzogen werden, dass eine Produktion wirtschaftlich bleibt. Die damit notwendig zunehmende Flexibilität steht der weiteren Automatisierung und Optimierung der bestehenden Produktionslinien allerdings entgegen.

Die Lösung dieses Problems wird in der Entwicklung einer wandlungsfähigen Produktion gesehen, die ein vergleichsweise einfaches Umrüsten auf unterschiedliche Produktvarianten ermöglichen soll. Als Konsequenz sind für die eingesetzten Bauteile und Komponenten ein höherer Fertigungsgrad und eine wachsende Funktionsintegration gefordert. Innovative Werkstoffe wie CFK können in die bestehenden Produktionsketten bisher nur als Zulieferteil eingeführt werden, da die Verarbeitung von der Formgebung bis zur Verbindungstechnik deutlich von der bisherigen Technologie der Metallverarbeitung abweicht.

Bedeutung des Flugzeugbaus

Wichtige Entwicklungen zu Leichtbauwerkstoffen und Produktionsverfahren erfolgten im Flugzeugbau. Die Übertragung in die Automobilproduktion erfordert erhebliche Weiterentwicklungen vor allem zur Senkung der Produktionskosten und zur Großserientauglichkeit. Eine wesentliche Tendenz ist die Vorabsimulation der Werkstoffeigenschaften, welche die Leichtbauwerkstoffe bis zum Einsatz und der Verarbeitung von Faserwerkstoffen umfasst. Aktuelle Forschungsfelder sind unter anderem das Preforming und die Formfüllung. Als Querschnitts­themen stehen die Verbindungstechnologien, die Funktionsintegration, die Hybridisierung oder fertigungsgerechte Bauweisen auf der Agenda. Auch die Integration neuer Energiequellen, wie Batterien und Brennstoffzellen, ist von hoher Bedeutung, insbesondere im Hinblick auf die Sicherheit. Damit kommt auch der Qualitätssicherung der Prozesse eine hohe Bedeutung zu.

Kontaktkorrosion

Bei der Verarbeitung von Leichtbaumaterialien muss besonders die Kombination der Werkstoffe­ betrachtet werden, da viele neue Materialien eine komplizierte Struktur mit teilweise anisotropen Eigenschaften haben. Hieraus resultieren auch unterschiedliche Eigenschaften der Oberflächen, die sich beispielsweise in unzureichender Haftfestigkeit oder einer zu hohen Korrosion an den Verbindungsstellen bemerkbar machen können. Diese Erfahrungen wurden bereits bei der Verwendung von Aluminium als einem der ersten Leichtbauwerkstoffe gemacht und wiederholen sich nun bei den CFK-Werkstoffen. Bisher konnten noch keine geeigneten Oberflächenveredelungsmethoden befriedigend entwickelt werden.

In dem Workshop wurde deutlich, dass dies wesentlich auch darauf zurückzuführen ist, dass Anforderungen der Kunden oft nicht eindeutig definiert worden sind. Deshalb kann eine Lösung nur dann mit gutem Erfolg entwickelt werden, wenn Vertreter der gesamten Prozesskette von Anfang an an der Lösung arbeiten – nur interdisziplinäre Arbeit führt zum Erfolg, was an einem entsprechenden Beispiel gezeigt werden konnte.

Beschichten von Faserverbundwerkstoffen

Die aktuelle, wichtige Materialklasse der Faserverbundwerkstoffe reicht von gefüllten Kunststoffen bis hin zu den überwiegend aus Fasermaterial bestehenden Kohlefaserwerkstoffen.

Kunststoffe sind elektrolytisch in der Regel nicht direkt beschichtbar, da sie nicht elektrisch leitend und nicht benetzend sind. Die etablierte Beschichtungsmethode ist die ­Ätzung der Oberfläche, durch welche eine Mikrorauheit geschaffen wird, über die durch den Druckknopfeffekt eine Haftung der Beschichtung erzielt werden kann. Hohe Anforderungen ergeben sich durch komplexe Geometrien der Bauteile, insbesondere für Innenbeschichtungen.

Für Faserverbundwerkstoffe können freigelegte Kohlenstofffasern als Basis für die Beschichtung genutzt werden. Hierbei ist auf eine gleichmäßige Basis ohne jegliche Fehlstellen zu achten, was wiederum spezielle Anforderungen an die Struktur der Werkstoffe bedingt.

Für den Automobilbau kann noch nicht zweifelsfrei beantwortet werden, ob CFK in den erforderlich Stückzahlen und zu geringen Kosten überhaupt metallisiert werden kann. Es ist davon auszugehen, dass die Kosten zur Beschichtung von CFK-Werkstoffen höher sein werden als die zur Beschichtung heute gebräuchlichen Kunststoffe.

Ansätze für eine Beschichtung könnten sich beispielsweise aus der erforderlichen Verbindungstechnik, einer Diffusionssperre­ oder einer metallischen Leitfähigkeit ergeben. Zukünftige Herausforderungen ergeben sich aber auch aus REACh, beispielsweise aus dem Ersatz von Chrom(VI) zur Vorbehandlung von Kunststoffen. Aber auch der höhere Aufwand zur Behandlung von Kunststoffen sowie die erforderlichen Stückzahlen werden zukünftige Entwicklungen anstoßen. Möglichkeiten ergeben sich unter anderem aus der Laser- oder Plasmabehandlung von Kunststoffen, der mechanischen Vorbehandlung, beispielsweise mittels Laser oder Bestrahlen mit Metallpartikeln, sowie durch Modifizierung des Kunststoffs selbst. Diskutiert wird auch eine Sensibilisierung der Oberfläche durch Adsorption von oberflächenaktiven Substanzen wie selbstorganisierende Moleküle.

Metallisieren von Aluminium und Magnesium

Auch wenn die Beschichtung von Metallen grundsätzlich deutlich einfacher ist als die von Kunststoffen, gestaltet sich die galvanische Beschichtung von Aluminium und Magnesium trotzdem deutlich aufwändiger als die von Stählen oder Kupferwerkstoffen. Grund sind die oxidischen Deckschichten auf den beiden Metallen. Damit kann die sonst übliche gute Haftung durch direkten Aufbau von Schichtmetallatomen auf das Substratmetallgitter nicht entstehen. Notwendig ist eine Anpassung der kristallographischen Parameter von dem zu beschichtenden Material einerseits und der Beschichtung andererseits. Bei der Verwendung von Legierungen sind darüberhinaus je nach Zusammensetzung Ausscheidungen, Poren oder auch ungünstige Korn- oder Gefügestrukturen zu berücksichtigen.

Diese Anforderungen werden verstärkt zu berücksichtigen sein, da bislang eingesetzte Legierungen, vor allem bei Magnesium, nicht die gewünschten mechanischen Eigenschaften haben und eine Vielzahl von Elementen zulegiert werden muss. Diese wiederum ergeben Nachteile für die bisher gebräuch­lichen Beschichtungstechnologien.

Direktmetallisierung

Diskutiert und entwickelt wird eine Vielzahl von Verfahren, die häufig für die spezifischen Anwendungen optimiert werden müssen. Lösungen für neue Verfahren befassen sich beispielsweise mit dem Zumischen von leitfähigen Partikeln, Nanofasern oder Nanoröhren (CNT), Metall, Ruß oder Graphit in den Kunststoff, um diesen metallisch leitfähig zu machen. Auch hier ist eine wichtige Voraussetzung, dass sich alle beteiligten Parteien bereits bei der Konstruktion von Bauteilen über den gesamten Produktionsprozess austauschen.

Entwicklung in der Prozesskette

Da die Kombination der Werkstoffe ein wesentlicher Faktor für die Bauteilproduktion ist, kommt der Funktionalisierung der Phasengrenze und damit der Oberflächentechnik eine wesentliche Rolle in der Entwicklung neuer Systeme in der Prozesskette zu.

Neue Lösungsansätze sind notwendig, da neue Materialien neue Eigenschaften aufweisen. Diese können in der Regel nicht mehr mit etablierten Methoden beschichtet oder verbunden werden. Neue Anforderungsprofile und Prüfverfahren müssen für die Entwicklung von solchen Beschichtungen und Verbindungselementen für zukünftige Werkstoffe erstellt werden. Drei zentrale Themenstellungen sind zu behandeln:

• Kombination der Verbindung der Materialien durch Verbindungselemente, wie Verschraubungen oder auch Klebeverfahren. Hier müssen die verwendeten Materialien wie CFK oder GFK auf ihre Stabilität hin untersucht und weiterentwickelt werden. Ein wesentlicher Punkt ist die Kontakt­korrosion in der Verbindung metallisches Verbindungselement mit dem Werkstoff, welche durch die bisherigen Verfahren nur bedingt verhindert werden kann und teilweise anderen Mechanismen folgt, als im rein metallischen Bereich.
• Die neuen Materialien besitzen andere Oberflächeneigenschaften hinsichtlich­ Benetzbarkeit und damit hinsichtlich Haftfestigkeit. Notwendig ist die Entwicklung neuer beziehungsweise die Anpassung vorhandener Verfahren, um die Haftfestigkeit der Beschichtungen zu ermöglichen.
• Die Beschichtung der diskutierten Materialien folgt in vielen Fällen anderen Mechanismen als die etablierter Werkstoffe. So muss die Metallisierung, die bisher häufig über eine Ätzung und eine darauffolgende mechanische Verzahnung erfolgt, angepasst werden. In der Diskussion sind Modifizierungen des Materials direkt durch Nanosysteme oder aufgebrachte aktive Zwischenschichten, die mit dem Werkstoff eine chemische Verbindung eingehen und für die Verzahnung mit den aufzubringenden Schichten zur Verfügung stehen.

Eine erfolgversprechende Bearbeitung wird verstärkt den Kooperationsaspekt erfordern. Hierzu bietet sich die geplante gemeinsame Plattform zum Thema Oberflächen- und Verbindungstechnik für Leichtbau an. Diese erfordert den Dialog der verschiedenen Kooperationen und den Erfahrungsaustausch auf Fachebene sowie die Kooperation in Forschungsvorhaben und Industrieprojekten.

Ziel muss es sein, die Oberflächentechnik im Entwicklungsprozess aktiv zu verankern. Hierzu ist die Etablierung eines Schwerpunktbereichs notwendig, in dem die Punkte exakt beschrieben und bei Bedarf im Rahmen von Kooperationen wie der ARENA 2036 behandelt werden. Dies wird durch die eiffo organisiert und betreut.

Partner aus Unternehmen entlang der Prozesskette der Werkstoffbe- und -verarbeitung bis zur Oberflächenbehandlung sind eingeladen, sich in einer vertrauensvollen Zusammenarbeit mit der Lösung der Probleme zukünftiger Fertigungstechnologien zu befassen. Dies sichert den Unternehmen sowie den Kunden im Bereich der Fahrzeugtechnik, Luft- und Raumfahrt oder dem Maschinenbau den erforderlichen Technologievorsprung, um auch in Zukunft eine wichtige Rolle auf dem Weltmarkt einzunehmen.

Literatur

[1] Lightweight, heavy impact – How carbon fiber and other lightweight materials will develop across industries and specifically in automotive: McKinsey & Company, Januar 2012

[2] Review of Technical Literature and Trends Related to Automobile Mass-Reduction Technology: Institute of Transportation Studies, University of California, Davis, May 2010

[3] Future of Automotive Design & Materials: Automotive Technology Centre, July 2011 (EU Project AC EMR 2012)

[4] Werkstoffe im Automobilbau – Anforderungen und Trends: Dr. R. Stauber 2006, BMW Group/Cluster Neue Werkstoffe in Bayern

Ansprechpartner:

Dr. Uwe König, eiffo e.G.,
Ernst-Udo Sievers, icon innovation GmbH, Wankelstraße 14, D-70563 Stuttgart
Tel.: +49 (0)711/782 608 6,
E-Mail: info@icon-­innovation.de