Neue Lösungen für die Automobilindustrie

Effizienter Leichtbau

Hochfester Stahl ist der wichtigste Werkstoff für den ökonomisch effizienten Leichtbau – auschlaggebend besonders für die Automobilbranche. Denn die Gewichtsreduzierung vieler verschiedener Produkte und Teile sorgt für eine Verringerung des Gesamtgewichts und trägt so wesentlich zur Reduzierung des CO₂-Ausstoßes bei.

Das Gewicht von Fahrzeugen weiter zu reduzieren, ist eine der entscheidenden Herausforderungen für die Mobilität der Zukunft. Um die Potenziale des massiven Leichtbaus für Autos näher zu erforschen, engagiert sich die GMH Gruppe seit 2013 in der branchenübergreifenden Initiative „Massiver Leichtbau“. In dieser Kooperation sind schon viele neue Ideen für Gewichtseinsparungen bei Pkw und Nutzfahrzeugen entstanden. Ideen, die zeigen, dass leichte Lösungen aus leistungsstarkem Stahl sowohl konkurrenzfähig als auch kostengünstig sind.


Auf dem Prüfstand: die gesamte Prozesskette

In der Initiative „Massiver Leichtbau“ haben sich unter dem Dach des Industrieverbands Massivumformung und des Stahlinstituts VDEh insgesamt 15 Firmen der Massivumformung und neun Stahlhersteller zusammengeschlossen. Mit Gründung der Initiative arbeiten die Hersteller und Komponentenlieferanten der kompletten Prozesskette von Langprodukten erstmals zusammen. Gemeinsam werden hinsichtlich des Leichtbau-, Kosten- und Umsetzungspotenzials bilanzierbare Lösungen entwickelt.


Workshops und Studien bilden die Basis

In Workshops stellen sich die Experten die Frage, wie sich das Gewicht einzelner Bauteile reduzieren lässt – von der Kurbelwelle über Getriebewellen und Zahnräder bis hin zur Schraube. In zwei industriellen Studien wurde gezielt das Leichtbaupotenzial bei den Fahrzeugtypen Mittelklasse-Pkw und leichte Nutzfahrzeuge bis 3,5 Tonnen Gesamtgewicht analysiert – bezogen insbesondere auf die Baugruppen Antriebsstrang und Fahrwerk.

In Phase 1 wurde für den Pkw ein Leichtbaupotenzial von 42 kg ermittelt. In einer zweiten Arbeitsphase knapp 100 kg – diesmal im Bereich der leichten Nutzfahrzeuge. Ohne öffentliche Mittel finanzierten die Unternehmen die Studie „Leichtbaupotenziale massivumgeformter Komponenten im Pkw“, die gemeinsam mit dem fka Forschungsgesellschaft Kraftfahrwesen mbH Aachen durchgeführt wurde. Diese untersuchte, welche massivumgeformten Bauteile aus Stahl im Pkw verbaut wurden und wie diese sich hinsichtlich des Leichtbaus optimieren ließen.


535 neue Leichtbauideen

Durch die Bündelung aller Kompetenzen von der Stahlherstellung über die Umformung bis hin zum Endprodukt entstanden und entstehen viele Lösungen, die ohne die Zusammenarbeit kaum möglich wären. Insgesamt wurden 535 Leichtbauideen an 2.536 Bauteilen definiert. Alleine die Leichtbaupotenzial-Vorschläge für den Werkstoff Stahl zeigen das enorme Leichtbaupotenzial von 65 kg auf. Weitere 34 kg Ersparnis lassen sich erreichen, wenn man Nichteisenwerkstoffe einsetzt. So ergibt sich aus den eingebrachten Leichtbauideen eine Gewichtsreduzierung des Antriebsstranges und Fahrwerks um beeindruckende 11,7 Prozent.

Selbstverständlich spielen auch Kosten eine große Rolle. Bei einem Schaltgetriebe beispielsweise ermittelten die Ingenieure eine Gewichtsersparnis von 2,45 kg zu Mehrkosten von weniger als einem Euro pro Kilogramm Gewichteinsparung.


Leichtbau ist konkurrenzfähig

Die Initiative „Massiver Leichtbau“ zeigt, dass moderne Stahlwerkstoffe in der Schmiedetechnologie einen entscheidenden Beitrag zu den Leichtbauanforderungen der Automobilindustrie leisten. Beide Studien belegen zudem, dass neue Ideen ganz handfeste Wettbewerbsvorteile gegenüber konkurrierenden Fertigungsverfahren und Werkstoffen schaffen. Im Gegensatz zu technologischen Entwicklungen wie Waben, Schaum und 3D-Druck kommt Leichtbau erst dann auf die Straße, wenn er kostengünstig ist und auch in großen Serien angewendet werden kann.


Hohes Potenzial bei Leichtbau-Komponenten

Leichtbau hieß bisher: Einsparungen an der Karosserie und blechbasierte Lösungen. Dabei weisen die Bereiche Antriebsstrang (Einspritzung, Motor, Getriebe, Verteilergetriebe, Antriebswellen) und Fahrwerk bezüglich des Potenzials den gleichen Stellenwert auf. Diese Potenziale standen bisher nur selten im Fokus – und wenn, dann waren sie meist mit einem Lösungsansatz auf Systemebene verbunden, wie mit dem Motoren-Downsizing. Werkstoffliche und massivumformtechnische Leichtbaupotenziale wurden hierbei bisher wenig untersucht.

Dabei lässt sich mit massivumgeformten Komponenten aus Stahl im Fahrzeugbau erhebliches Gewicht einsparen. Unsere Entwicklungsergebnisse zeigen: Wenn modernste Stahlwerkstoff- und Massivumformtechnik eingesetzt wird, lässt sich das Gewicht eines Mittelklassefahrzeugs direkt um vier Kilo reduzieren. Damit ist Leichtbau sehr breitenwirksam und trägt dazu bei, den Energieverbrauch und Gesamt-CO₂-Ausstoß von Fahrzeugen zu senken.


Die Bilanzierung des Gewichts

Das Referenzfahrzeug der Studie (125 kW/170PS, 2,0 l Turbo-DI, Dieselaggregat, Doppelkupplungsgetriebe, Allradantrieb) besitzt ein Gesamtgewicht in Höhe von 1.740 kg; davon analysierten die Experten 838 kg – rund 3.500 Bauteile aus Antriebsstrang, Fahrwerk und weiteren ausgewählten Komponenten. Insgesamt wurde ein umsetzbares Leichtbaupotenzial von 42 kg für die betrachteten Bereiche identifiziert.


Von der Idee zur Umsetzung

Diese Ideen haben nicht den Anspruch, fertig entwickelte Lösungen zu sein. Sie sind zum Teil Impulse, die konstruktive, werkstoffliche und fertigungstechnische Möglichkeiten für den Leichtbau aufzeigen, die sowohl Gewicht als auch Kosten senken (Quick-Wins). Andere wiederum zeigen ein Potenzial mit erhöhtem Aufwand auf Kosten- oder Entwicklungsseite auf. Was die Zukunft noch bringt? Wir arbeiten als GMH Gruppe weiterhin mit und in der Initiative: Denn aus der gemeinsamen Entwicklungsarbeit ergeben sich für uns immer wieder neue Anregungen für die Stahlherstellung und die partnerschaftliche Zusammenarbeit mit unseren Kunden.

 

Zusammenfassung

Hochfester Stahl ist der wichtigste Werkstoff für den ökonomisch effizienten Leichtbau – auschlaggebend besonders für die Automobilbranche. Denn die Gewichtsreduzierung vieler verschiedener Produkte und Teile sorgt für eine Verringerung des Gesamtgewichts und trägt so wesentlich zur Reduzierung des CO₂-Ausstoßes bei.

Ansprechpartner

GMH Gruppe, Georgsmarienhuette, Thomas Wurm

Dr. Thomas Wurm

Leiter Technische Kundenberatung und Anwendungsentwicklung der Georgsmarienhütte GmbH