Nachbericht zum EFB-Kolloquium 2024

Für die Käufer eines E-Autos sind Kosten, Sicherheit, Reichweite, CO2 Footprint und die Fahrerfahrung wichtige Kriterien. Und auch wenn es schien, als wäre mit der E-Mobilität das Thema Leichtbau passé, so ist dem keinesfalls so: Das Gewicht des Fahrzeugs wirkt sich auf die Reichweite der Batterieleistung, den Bremsweg und die Auslegung von Crashelementen aus. Zudem wird für die Automobilhersteller der CO2-Footprint aus Kostengründen zunehmend wichtig, so dass der Blick der OEM für die geforderte CO2-Reduzierung auf die nachhaltige Produktion der Werkstoffe und die End-of-Use-Bilanz ihrer Produkte gerichtet ist.

Auf dem EFB-Kolloquium 2024 zeigte sich, dass die Industrie die Herausforderungen unserer Zeit angenommen hat und bereits Lösungen anbietet. Der Radius hat sich erweitert. Der Blick ist nicht mehr nur auf das Produkt gerichtet, das günstig produziert an die Kunden geliefert wird. Auch die Entstehungsgeschichte des Werkstoffs wird berücksichtigt, Nachhaltigkeit und Wiederverwendung sind ein Thema. So bestimmen CO2-Einsparung und das neue Design des E-Autos die Neuentwicklungen. Immer ausgefeiltere Software und mehr Rechenleistung auf dem Weg in die KI werden in diesem komplexen Umfeld unterstützen.

Das EFB-Kolloquium wird jährlich durch die Europäische Forschungsgesellschaft für Blechverarbeitung e.V. veranstaltet. Die Vorträge des Events sind im folgenden kurz zusammengefasst. Sie sind über den Shop des Veranstalters erhältlich.

Neue Wege in der Verarbeitung von Aluminium

Einen großen Gewichtsvorteil bringen die hang-on parts aus Aluminium, wie sie VW beim ID7 als Türen und Klappen verwendet, aber auch der Ersatz von Fügeteilen wie Halbhohlstanznieten durch Aluminium-Punktschweißen mit asymmetrischer Kappengeometrie. Fügetechnologien für das leichtere Aluminium sind allerdings aufwendiger als etablierte Punktschweißen mit Stahl. Außerdem verursacht die Herstellung von Aluminium einen höheren CO2-Footprint. Erst, wenn es gelingt, grünes Aluminium einzusetzen, reduziert sich der CO2-Footprint um 60 %. Zum Fixieren der gefalzten Teile bis zur Klebstoffaushärtung verzichtet VW auf einen zusätzlichen Karosseriebauofen und setzt Microfixing mit feinen Nadeln ein und spart Investitionen, Flächenbedarf, Energie und Betriebskosten ein.

Energiesparendes Warmumformen von Aluminium

Aluminium bleibt weiterhin das Leichtmaterial der Wahl, aber das Augenmerk der OEM und Automobilhersteller richtet sich verstärkt auf den CO2-Footprint bei Herstellung und Verarbeitung. Das Unternehmen Schuler hat zusammen mit dem Imperial College London ein neues Verfahren für das Warmumformen von Aluminium-Bauteilen entwickelt: FAST Fast Light Alloys Stamping Technology. Das Material wird dazu bei 300°C für 4 Sek schnell erwärmt, umgeformt und abgekühlt. Die Alterung entfällt. Dieses neue Verfahren kann auf einer kleinen Anlage mit 75 Prozent weniger Platzbedarf gefahren werden. Es erreicht eine gute Umformbarkeit bei 300 bis 350°C bei einer gleichzeitigen Energieeinsparung bis zu 80 Prozent. Die Endfestigkeit wird nach der Lackierung erreicht. Die Zykluszeiten sind deutlich verkürzt – von 200 Sekunden auf 10 bis 16 Sekunden.

Neue Ansätze im Crashmanagement

Autos werden ihr Gesicht verändern. Ihr Design verändert sich dahingehend, dass der Vorderwagen, der früher den Verbrennungsmotor aufnahm, kürzer wird. Das hat unmittelbare Auswirkungen auf das Crashverhalten. Crashmanagementsysteme müssen sich dieser Geometrieveränderungen anpassen. Die Herausforderungen liegen an den Anschlussstellen des Trägers zu den Crashboxen. Durch die Entfestigung des Gefüges beim Schweißen können hier Risse entstehen bis zum Versagen in hoch belasteten Bereichen.

Das Unternehmen Kirchhoff zeigte eine Lösung in Stahl, bei der vorverzinkte kalt umgeformte Stahlträger eingesetzt werden, um Schweißstellen zu vermeiden. Stahl ist günstig, fest, steif, hat gute Umformeigenschaften und ist weltweit verfügbar. Für eine Variante aus Aluminium hat das Unternehmen ein neuartiges Design mit einem crashoptimierten Querschnitt entwickelt. Es besteht aus drei Zonen mit unterschiedlichen Funktionen und ist mit variablen Wanddickenverläufen gestaltet, um maximalen Leichtbau zu gewährleisten. So können die Wärmeeinflusszonen entlastet und eine gleichmäßigere Lastverteilung ermöglicht werden. Diese Lösung ist im Vergleich zum Einsatz von Stahl jedoch erheblich teurer.

Das Unternehmen Benteler hingegen geht einen anderen Weg: das gesamte Crashmanagementsystem wird in einem Stück ohne Schweißnähte auf einer Presse hergestellt, indem aus dem wärmeunterstützt umgeformten ultrahochfesten Aluminiumextrusionsprofil Crashboxen gebogen werden. Dieses Verfahren ist kostengünstiger.

Alternative Werkstoffe

Die Notwendigkeit zur Dekarbonisierung rückt alternative Werkstoffe aus nachwachsenden Rohstoffen wie Zellulose, Hanf, Jute, Holz oder Gras ins Blickfeld. Ein alter Bekannter – „Vulkanfiber“ aus dem frühen 20. Jh. – ist ein Kunststoff aus Zelluloseabfällen, der in Zinkchlorid getränkt wird. Er ist auf Pressen formbar und reduziert den CO2-Eintrag des Prozesses. Das Fraunhofer IWU in Chemnitz hat dazu eine Reihe von Forschungsprojekten initiiert.

Mikromagnetische Werkstoffprüfung

Neben dem Austausch von Werkstoffen ist das Beimischen von Recyclingmaterial aus Produktionsabfällen eine Möglichkeit, nachhaltiger zu werden. Die empfindlichen Fertigungsprozesse leiden jedoch darunter, dass sich das Recyclingmaterial von Charge zu Charge unterschiedlich verhält, obwohl nach Spezifikation geprüft und geliefert wurde. Das Unternehmen Mendritzki Kaltwalzwerk ist dem auf den Grund gegangen: Demnach ist die typische Qualitätsprüfung (Chemisch, Zugversuch, Härte, Gefüge) nicht ausreichend. Eine intensivere Qualitätsprüfung (Fließverhalten und mehrachsige Spannungszustände, Textur, Eigenspannungssituation) ist jedoch in der Regel im Produktionsalltag technisch und finanziell nicht umsetzbar.

Das nun entwickelte Testverfahren „Mikromagnetische Messung“ durch Wirbelstrommessungen liefert einen magnetischen Fingerabdruck direkt beim Coil und nach dem Einrichten vor der Einstellung im Werkzeug. Die große Datenmenge erfordert jedoch den Einsatz von KI, hilft aber verarbeitenden Unternehmen, Produktionsausfälle zu vermeiden.

Green-Steel erfordert Eigenschrott

Die Green-Steel-Technologien wechseln von C-basierte auf H-basierte Herstellung. Um die gesetzten Nachhaltigkeitsziele zu erfüllen, muss meistens zusätzlich Eigenschrott eingearbeitet werden. Damit ändert sich der Raffinationsgrad des Stahls. Die Spezifikationsgrenzen müssen daher künftig noch enger eingehalten werden. Außerdem verändert sich mit dem Neueinsatz von Schrott in bereits mit Schrott angereichertes Material die Zusammensetzung aufgrund der Legierungsbestandteile schleichend. In der Folge stärkere Schwankungen in den Materialeigenschaften auf.

KI sucht Kratzer und Beulen

Im Bereich der Weißen Ware spielt die Oberflächenqualität für den Endkunden eine wichtige Rolle. Miele stellt beispielsweise an die Vorderwand der Waschmaschine höchste Anforderungen. Das beschichtete Frontteil von ca. 0,5 qm Größe mit Radien und Ausformungen wird auf eigenen Pressen mit 14 Hüben/Min gefertigt. Das bedeutet, dass während des Zyklus innerhalb von 4,3 Sek Oberflächendefekte bis 0,1 mm erkannt werden müssen.

Das erfordert den Einsatz von KI, wobei die Oberfläche mit mehr als 20 Kameras in unterschiedlichen Winkeln und Beleuchtungssystemen gescannt wird. Pro Bauteil liefern die Kameras 2,7 GB Daten. Nach der Vorbereitung und Aufbereitung der Daten für das maschinelle Lernen wird die KI künftig in der Lage sein, Materialabweichungen, zufällige Schäden oder systematische Defekte zu erkennen und zu bewerten.

Data Driven Engineering

Bei BMW fragen sich Forschende, welches Potenzial in Data Driven Engineering steckt. Ziel ist, die gesamte Prozesskette von der Bauteilentwicklung bis hin zur virtuellen Inspektion eines lackierten Bauteiles zu simulieren. Der Einsatz von KI-Methoden in frühen Entwicklungsphasen ermöglicht, Oberflächenfehler schon in der virtuellen Welt zu erkennen und reduziert Änderungskosten in der Hardware. Dazu wird die Simulation des Tiefziehens mit der Rückfederung und der Kompensation des Aufsprungs verbunden. Auf diese Weise lassen sich elastische Werkzeuge und Pressen berechnen.

Der Trend geht laut BMW dahin, von der Simulation des Einzelteils zur Simulation ganzer Systeme zu kommen, dabei mehr Komplexität zu verarbeiten und größere Modelle abzubilden. Für BMW ist die Zukunft „Lean – Green – Digital“, mit effizienten Prozessen, verantwortungsvollem Ressourceneinsatz (z.B. Rechenleistung statt Tryout), Vermeidung von Qualitäts-Schleifen, dem Fokus auf Materialeffizienz, der KI-Nutzung im Engineering und Data driven Engineering.

Simulation bis zur Montage

In die gleiche Richtung geht auch Hexagon Manufacturing Intelligence: Das Ziel ist zeroPrototyping und letztlich selbst die Montage zu simulieren. Statt verschiedene Bauteile einzeln zu simulieren, sollen im Smart Assembly Shop verschiedene Softwarearten zusammen das gesamte System simulieren. Das bietet sich für die Großbauteile aus mehreren Elementen an, um Toleranzen auszugleichen: Wenn Teil A zu groß ist, und Teil B zu klein, kann Teil C angepasst werden.

Schuler und Gestamp Autotech Engineering händeln die Großbauteile

Schuler sieht im digitalen Laser-Platinenschnitt großes Potential. Die programmierbare Konturanpassung kann individuell eingestellt werden, so dass das Bereitstellen von Werkzeugen entfällt, was gleichbedeutend mit einer hohen Kosten-, Anlagen- und Flächenersparnis ist. Damit wiederum lassen sich auch Prototypen oder Kleinserien kosteneffizienter bearbeiten. Notwendig ist dazu eine umfangreiche Parameteraufnahme und Prozessanalyse, die Daten zum Material, Prozess und zur Platine liefern, welche bei der Digitalisierung der Gesamtanlage Anwendung finden.

Um Montagezeiten zu reduzieren, wird häufig die Anzahl der Bauteile reduziert. Das führt häufig zu großen Bauteilen wie beispielsweise DoorRings oder Doppel-DoorRings. In nur einem Hub werden in Prozess mit dem Namen Gigastamping mehrere Einzelteile integriert, auch verschiedene Werkstoffe. Ein Bauteil vereinigt dabei mehrere Funktionalitäten, um Material und Montagezeit einzusparen. Diese Großbaukomponenten werden nach USA und China zunehmend auch in Europa eingesetzt.

Bild oben: EFB Kolloquium 2024: Werkstoffe und Technologien im Trilemma des radikalen Wandels: Mobilität – Funktionalität – Umwelt (Quelle: EFB)


Quelle und weitere Infos: Pressemitteilung

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