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Aluminium-Einsatz im Leichtbau

Alleskönner mit Leichtigkeit

Leichtbau boomt – besonders in der Automobilindustrie. Dabei wird vermehrt das Leichtmetall Aluminium eingesetzt. Doch die Prozesstechnik stößt derzeit an ihre Grenzen. Daher arbeitet die Industrie an neuen Legierungen und Umformprozessen, um die Vorteile des Metalls nutzen zu können.

Trend Leichtbau – Die Automobilbranche ist der größte Entwicklungstreiber für den Aluminium-Markt. Gerade für Türen und Klappen bietet sich der Werkstoff an. (© BMW) vergrößern

Trend Leichtbau – Die Automobilbranche ist der größte Entwicklungstreiber für den Aluminium-Markt. Gerade für Türen und Klappen bietet sich der Werkstoff an. (© BMW)

Leichte Autos sparen Kraftstoff – in Zeiten steigender Benzinpreise ein extrem wichtiges Kriterium. Doch die Umsetzung immer höherer Ansprüche an Sicherheit, Komfort und Leistung drehen die Gewichtsspirale auch wieder nach oben. Zum Vergleich: In den 1970ern wog ein 3er BMW etwa 1.100 Kilo. Das aktuelle Modell bringt bis zu 1.725 Kilo auf die Waage. Um diesem Trend entgegenzuwirken, setzen Fahrzeughersteller verstärkt auf innovativen Leichtbau.

Neben kohlenfaserverstärkten Werkstoffen nutzen Autoingenieure vor allem Aluminium. Denn das Leichtmetall hat herausragende Eigenschaften: hohe Festigkeit, geringe Korrosionsneigung und gute Recyclingfähigkeit.

Branchenkenner erwarten im Automobilsektor bis 2030 eine Verdreifachung des Aluminium-Einsatzes. „Wir sehen ein großes Potenzial für die zunehmende Verwendung von Aluminium im Fahrzeugbau“, bestätigt Torsten Keith, Koordinator des Fachteams Leichtmetall bei BMW. Allerdings stellt das silberne Metall die Umformtechnik vor einige Herausforderungen.

Denn im Vergleich zu Stahl neigt Aluminium beim Biegen zum Beispiel viel stärker dazu, in seine ursprüngliche Form zurückzudrängen. Diese sogenannte Rückfederungseigenschaft muss also durch besondere Fertigungsprozesse kompensiert werden. „Vor allem bei größeren Bauteilen und komplexen Designelementen ist der Einsatz von Aluminium aufgrund der Materialeigenschaften nur limitiert möglich“, erklärt Keith.

Rahmenkunst – Der Seitenrahmen im Auto wird bei BMW noch aus Stahl gebogen. Denn Aluminium- Legierungen können noch nicht passend umgeformt werden. (© BMW)

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Großes Potenzial für den Einsatz von Aluminium im Fahrzeugbau

Im Fahrzeugbau werden vorwiegend zwei Aluminium-Legierungen eingesetzt: 5.000er-Legierungen mit Magnesium und 6.000er-Legierungen mit Magnesium und Silizium. Autobauteile aus 5.000er-Legierungen sind zwar gut umformbar, allerdings treten bei der Verarbeitung sogenannte Fließfiguren auf – unerwünschte Musterungen der Oberfläche, die man auch durch den Autolack sehen würde. Dieser Werkstoff kann daher nicht auf der Automobilaußenseite eingesetzt werden. 6.000er- Legierungen zeigen diese Erscheinung nicht, sind allerdings auch schwieriger umformbar. Eine Lösung bei BMW für Strukturteile ist die Mischung zweier 5.000er-Legierungen: „Das ist die optimale Kombination von Korrosionseigenschaften und Umformbarkeit.

Die Mischung wird zum Beispiel für komplexe Türinnenbleche eingesetzt“, erläutert Keith. Doch das ist noch keine Lösung für alle Bauteile. Der Seitenrahmen beispielsweise, das größte Bauteil im Auto, wird bei BMW noch aus Stahl gefertigt. „Für unsere Designanforderungen ist die Fertigung aus Aluminium-Legierungen noch nicht möglich. Hier hat das Leichtmetall einen Nachteil – und wir haben noch Arbeitsbedarf“, so Keith weiter. Das betrifft nicht nur die Prozesstechnik, auch neue Werkstoffe sind gefragt.

Industrie-Treffpunkt

Thorsten Keith von BMW sieht Foren der Bayern Innovativ als ideale Plattform für stärkere Vernetzungen in der Automobilindustrie: „Es ist wichtig, dass es solche Veranstaltungen auch in Zukunft gibt, um die Industrie zusammenzubringen.“

Einsatz in vielen Branchen

Das war auch das Thema der Veranstaltung „Innovationen in der Aluminium-Umformtechnik“, die im November 2012 im BMW Forschungs- und Innovationszentrum in München stattfand. In dem vom Cluster Neue Werkstoffe der Bayern Innovativ GmbH organisierten Forum sollten sich Kooperationen für den optimalen Werkstoff finden. Neben Herstellern, Anlagentechnikern und Experten aus dem Fahrzeugbau waren auch Anwender aus der Luftfahrt, Elektronik und dem Maschinenbau vertreten.

Denn nicht nur die Autoindustrie setzt auf Aluminium. Auch in der hochwertigen Konsumelektronik – etwa in Smartphones, Tablets und Fernsehern – wird der Werkstoff für edle Designs gerne verwendet. Und in der Luftfahrt spielt das Metall eine besonders bedeutende Rolle: „Bei Flugzeugstrukturen liegen die Herausforderungen vor allem in den Dimensionen der einzelnen Bauteile“, sagt Joachim Zettler, Projektleiter Umformprozesse der EADS Deutschland GmbH. Zwar können die Flugzeugkonstrukteure schon jetzt metergroße Druckkalotten, die den Passagierbereich vom Heck abtrennen, oder sogar Tankstrukturen für Raketen umformen.

Alu in der Luft – Auch für die Luftfahrt ist Aluminium ein wichtiger Werkstoff. Im Airbus A380 beispielsweise kommt neben Legierungen auch glasfaserverstärktes Aluminium zum Einsatz. (© BMW)

„Allerdings sind für die steigende Ausbringung von Flugzeugen neue Konzepte und Umformprozesse notwendig“, so Zettler weiter. Und neben neuen Fertigungsprozessen spielt in der Luftfahrtbranche auch die Computersimulation eine immer wichtigere Rolle. Denn wenn ein einziges Aluminium-Bauteil mehrere Tausend Euro kostet, lässt sich mit virtuellen Berechnungen viel Geld sparen. Das Verbinden mehrerer Werksteile lässt sich heute schon gut simulieren. Doch etwa bei komplexen Metalllegierungen sind nach wie vor experimentelle Untersuchungen notwendig.

Der wichtigste Entwicklungstreiber rund um Aluminium ist und bleibt jedoch die Automobilbranche. Kundenwünsche nach spritsparenden Autos und gesetzliche Normen für Kraftstoffverbrauch und Emissionswerte zwingen die Hersteller zu ständig neuen Leichtbaukonzepten. Aluminium punktet neben seinem geringen Gewicht auch mit seinen hervorragenden Recyclingeigenschaften – das zeigt sich auch beim Betrachten des gesamten Lebenszyklus eines Fahrzeugs, im sogenannten Life Cycle Assessment. Dennoch gibt es von Konstruktion und Fertigung bis zu Demontage und Recycling noch Raum für mehr Energieeffizienz.

Im EU-Projekt S_LIFE beispielsweise erarbeiten derzeit sieben Partner, darunter Bayern Innovativ, neue technologische Ansätze und Lösungen (siehe Interview "Wir können die Ressourceneffizienz weiter steigern"). Ein Ziel ist dabei auch, Knowhow international zu vernetzen. Die Förderung verstärkter Zusammenarbeit ist also grundlegend für den verstärkten Einsatz des Leichtbaumaterials Aluminium. „Das öffnet neue Türen für den Einsatz von Aluminium“, sagt Keith. Und ob Ideen zur Entwicklung neuer Legierungen, Diskussionen zu wärmeunterstützten Umformverfahren oder dem vermehrten Einsatz von Computersimulationen – in allen Bereichen gibt es Möglichkeiten für neue Kooperationen.