A070 / P244

Neue Lösungen mit Stahl beim Automobil-Leichtbau

(A070 / P244 S 24/04/93)

Laufzeit der Forschungsarbeiten: 1. September 1993 – 30. Juni 1996

Unter Federführung des Vereins Deutscher Eisenhüttenleute (VDEh) und in Arbeitsgemeinschaft mit der Studiengesellschaft Stahlanwendung e.V. sowie mit finanzieller Förderung der Europäischen Gemeinschaft für Kohle und Stahl (EGKS) und der Stiftung Stahlanwendungsforschung wurde das Forschungsvorhaben
Neue Lösungen mit Stahl bei Automobil-Leichtbau“ durchgeführt. An diesem Gemeinschaftsvorhaben waren beteiligt ein französisches und vier deutsche Stahlunternehmen

Sollac
Krupp Hoesch Stahl AG
Preussag Bremen GmbH
Thyssen Stahl AG

sowie seitens der Automobilindustrie

die Porsche Engineering Services der Dr.Ing.h.c. F. Porsche AG
AUDI AG
Mercedes-Benz AG
Volkwagen AG

Die Stahlunternehmen lieferten die Werkstoffe und führten die ihren Werkstoff kennzeichnenden mechanischtechnologischen Untersuchungen durch. Porsche übernahm die notwendigen Simulations- und Bauteilberechnungen und koordinierte die Arbeiten der drei beteiligten Automobilwerke. Diese arbeiteten mit Porsche an der Überarbeitung der Bauteilkonzeption und -konstruktion, stellten die neuen Bauteile her und prüften sie.

Aufgabe des Vorhabens war, das Leichtbaupotential von Stahl an ausgesuchten Bauteilen der Automobilkarosserie unter Wahrung der Kostenneutralität und ohne Einbußen am heutigen Sicherheits- und Komfortstandard zu untersuchen. Dazu wurden besonders höherfeste Dualphasenstähle mit vorgeschriebenen Mindeststreckgrenzwerten zwischen 180 und 340 N/mm2 werkstoff- und verarbeitungsgerecht eingesetzt.

Als repräsentative Bauteile für unterschiedliche Anforderungsprofile wurden ausgewählt: Tür-Rohbau des zweitürigen Volkswagen (VW) Polo, Hilfsrahmen vorn des AUDI A4, Federbeinaufnahme des VW Polo und Konsole Querlenkerlager des Mercedes-Benz, C-Klasse. Die für diese Bauteile in Betracht kommenden höherfesten Stähle wurden in Blechdicken von 0,65 bis 2,0 mm bereitgestellt.

Die beteiligten Stahlunternehmen führten an allen Versuchswerkstoffen die notwendigen Werkstoffuntersuchungen durch. Zugversuche bei –400 C Raumtemperatur und + 800 C ergaben die kennzeichnenden und von der Automobilindustrie benötigten mechanischen Eigenschaftswerte. Kerbzug- und Lochaufweitversuche, der Bulge-Test, die Erstellung von Grenzformänderungskurven, Versuche zur Erichsen-Tiefung und Näpfchenziehversuche führten zu einer guten Beurteilung der Umformverhaltens. Ergänzend wurden die Oberflächenchemie und topographie, die Rauheit und das Reibverhalten untersucht. Untersuchungen zum Dauerfestigkeitsverhalten sowie die Ermittlung dynamischer Kennwerte (Crash-Daten) am Institut für Eisenhüttenkunde der RWTH Aachen rundeten das Werkstoffbild ab.
Zum Fügen der Werkstoffe wurden zum Widerstandpunktschweißen alternative Fügeverfahren wie Kleben, Durchsetzfügen sowie mit dem Kleben kombinierte mechanische Verfahren erfolgreich erprobt. Der Einsatz von lasergeschweißten Tailored Blanks für das Bauteil Tür erwies sich als zielführend; entsprechende Platinen wurden erstellt und die Laserschweißnähte wurden als sehr gut beurteilt.

Mit Hilfe von FEM-Rechnungen, Strukturanalysen, Crash-Berechnungen und Tiefziehsimulationen wurden mit den ausgewählten höherfesten Werkstoffen die neue Konzeption und Konstruktion der ausgewählten Bauteile erarbeitet. Nach intensiven Vorversuchen und Vorabpressungen wurden mit entsprechend eingestellten Werkzeugen die Bauteile abgepreßt und auf ihre Verwendbarkeit überprüft.

Unter Berücksichtigung aller umfangreichen Vorarbeiten und der Gegebenheiten in den Preßwerken der Automobilindustrie konnten Bauteile hergestellt werden, die eine mittlere Gewichtsreduzierung von 13 % ausweisen. Die genaue Bilanz der Gewichtsminderung ist nachfolgend tabellarisch für die einzelnen Bauteile dargestellt.

Bauteil Reduzierung (%) Bemerkung
VW PoloTür(Innen-, Außenblech) 11 Tailored Blank Platinemit 2 Schweißnähten
Federbeinaufnahme 15 Werkstoffgerechte Einzelbauteillösung
AUDI A4Hilfsrahmen(Ober-, Unterschale) 13 Schwachstelle Schweißnaht begrenztBlechdickenreduzierung
MB C-ModellKonsole Querlenkerlager 14 Ohne Nachweis, da keineUmsetzung in Hardware
Durchschnittliche Reduzierung: 13%

Damit wurde unter den vorhandenen Einschränkungen für die untersuchten Bauteile und Komponenten in einem vorgegebenen Zusammenbau (package) mit geringen Freiheitsgraden für Optimierungsmaßnahmen ein sehr gutes Ergebnis erzielt! Das abgeschätzte maximale Einsparpotential von bis zu 25 % für den Leichtbau mit Stahl kann nur dann realisiert werden, wenn zu einem möglichst frühen Zeitpunkt der Entwicklung eines PKW-Modells die neuen Stahlwerkstoffe sowie entsprechende konstruktive und fertigungstechnische Entwicklungen und Maßnahmen (wie z.B. Tailored Blanks, Innenhochdruckumformen, 3D-Laser-Schweißen) mit einbezogen werden.

Forschungsstelle 1:
Betriebsforschungsinstitut-VDEh-Institut für Angewandte Forschung GmbH (BFI)
www.bfi.de
 
Forschungsleiter 1:
-
(vorgelegt vom Verband der Automobilindustrie e.V. - FVA im VDA)

Das Forschungsvorhaben wurde gefördert von der Stiftung Stahlanwendungsforschung im Stifterverband für die Deutsche Wissenschaft e.V.

Bezugsquelle Schlussbericht:
bitte wenden Sie sich an die AVIF