Automobilindustrie will verstärkt auf Magnesium-Leichtbaupotenzial setzen

Cluster-Treff an der Hochschule Landshut beleuchtet Einsatzmöglichkeiten des leichten metallischen Konstruktionswerkstoffs

„Innovative Leichtbaustrukturen aus Magnesium – Herausforderungen und Lösungen“ lautetet der Titel des Cluster-Treffs am 22. Juni 2016 an der Hochschule Landshut, veranstaltet vom Cluster Automotive, dem Cluster Neue Werkstoffe und dem Leichtbau-Cluster der Hochschule. Dabei betonten die Referenten aus Industrie und Wissenschaft das hohe Leichtbaupotenzial von Magnesiumguss- und Magnesiumblechteilen, das künftig vor allem in Multi-Material-Lösungen auch verstärkt genutzt werden soll.

Im Mittelpunkt der Veranstaltung stand das große aber in der Automobilindustrie nur in begrenztem Maße genutzte Leichtbaupotenzial von Magnesium, einem der leichtesten metallischen Konstruktionswerkstoffe. Im Leichtbau seien Metalle und neben Aluminium besonders eben Magnesium ein wichtiges Thema, wie Dr. Matthias Konrad, Leiter Material, Bayern Innovativ GmbH, Nürnberg, den Hintergrund der Veranstaltung erläuterte. Auch an der Hochschule Landshut, an der Leichtbau bereits seit 2001 eine wichtige Rolle spiele, habe man sich intensiv mit Magnesium befasst, wie Hochschulpräsident Prof. Dr. Karl Stoffel in seiner Begrüßung erläuterte.

Leichtbau-Potenzial des Magnesiums nutzen

Magnesium stellt für Klaus Decking (Georg Fischer Automotive AG, Schaffhausen, CH) „das verkannteste Material dar, wenn es um Leichtbau geht“. Es habe große Vorteile und noch viel Potenzial, das es auszuschöpfen gelte. Die Produktionskosten seien bei Carbonbauteilen etwa dreimal so hoch wie bei Aluminium oder Magnesium. Zusätzlich seien bei Magnesium weniger Prozessschritte nötig. Durch neue Herstellungs¬verfahren wie dem Gießwalzen kann Magnesium kostengünstiger produziert werden, rückt neben seinen Materialeigenschaften also zunehmend auch aus ökonomischen Aspekten wieder ins Betrachtungsfeld der Industrie. Es fehle nicht an der Technik oder am Material, sondern an den Leuten, die es anwenden.

Auch Christoph Schendera (Europäische Forschungsgemeinschaft Magnesium e.V.) spricht sich für die verstärkte Verwendung von Magnesium, den leichtesten metallischen Strukturwerkstoff, aus. Dies u. a. wegen der exzellenten Vergießbarkeit, einem hohen Festigkeits-/ Gewichtsverhältnis und damit einem hohen Gewichtseinsparpotenzial (ca. fünfundfünfzig Prozent gegenüber Stahl, fünfundzwanzig bis vierzig Prozent gegenüber Aluminium), eine hundertprozentige Recyclierbarkeit und eine nahezu uneingeschränkte Verfügbarkeit seien klare Vorteile. Zwar sei der Preis pro Tonne Magnesium teurer im Vergleich zu Aluminium, allerdings das Einsparpotenzial beim Gewicht höher.

Durchschnittlich würden etwa vier Kilogramm Magnesium aber knapp einhundertfünfzig Kilogramm Aluminium pro Fahrzeug verbaut. Hemmend wirkt sich für ihn das Vorurteil aus, Magnesium brennt und korrodiert. Wobei beides in Griff zu bekommen sei, auch wenn noch viel Magnesium-Know-how und vor allem Langzeiterfahrung von verschiedenen Legierungen nötig sei. Zusätzliche Verwendungsmöglichkeiten von Magnesium für einen ökologisch und ökonomisch motivierten Leichtbau moderner Fahrzeuge sieht er im Multi-Material-Design. Wenn z. B. Türen und Heckklappen eines Fahrzeugs in Mischbauweise aus Aluminium und Magnesium anstelle von Stahl produziert werden, könne rund die Hälfte an Gewicht, also rund vierzig bis fünfzig Kilogramm eingespart werden.

Magnesium-Verwendung durch Forschung ermöglichen

Das hohe Leichtbaupotenzial von Magnesium sei heute im Automobilbau wieder in den Fokus gerückt, doch sei das Thema nicht neu, wie Dr. David Klaumünzer (Volkswagen AG, Wolfsburg) erklärte. Bereits Motorblock und Getriebegehäuse beim VW Käfer seien Magnesiumgussteile gewesen, rund zwanzig Kilogramm Magnesium hätten in jedem Fahrzeug gesteckt. Vor allem Bauteile aus Magnesiumguss finden auch heute in Fahrzeugen neben Aluminium immer häufiger Einsatz, hier gäbe es viele weitere Möglichkeiten, doch auch Magnesiumbleche müssten fit für den Einsatz gemacht werden. VW entwickle gerade eine vielversprechende Magnesiumknetlegierung, die es erlauben soll, Fahrzeugkomponenten auch in Warmumformung bei relativ niedrigen Temperaturen zu produzieren. Die Verwendungsmöglichkeiten könnten so z. B. bei außenliegenden Blech- und Anbauteilen deutlich gesteigert und so auch das Leichtbaupotenzial von Magnesiumblechen stärker genutzt werden. 

Die Materialeigenschaften von Magnesiumblechen zu charakterisieren und modellieren, um damit die Grundlage für die Simulation und Konstruktion von Bauteilen zu ermöglichen, hatte das vom BMBF geförderte Forschungsprojekt „MagFest“ an der Hochschule Landshut zum Ziel. Unter Leitung von Prof. Dr. Otto Huber (Kompetenzzentrum Leichtbau der Hochschule Landshut LLK) wurde eine experimentelle Analyse und numerische Modellierung des Betriebsfestigkeitsverhaltens von Blechen aus Magnesiumknetlegierungen vorgenommen. Josef Denk (LLK) stellt ein darin entwickeltes energiebasiertes Schädigungsmodell im einaxialen Bereich vor, das sehr große Übereinstimmungen mit den experimentell ermittelten Ergebnissen aufweist und damit als Grundlage für die Lebensdauerabschätzung und die betriebsfeste Auslegung von Bauteilen geeignet ist. Untersucht wurden dabei verschiedene im Gießwalz- oder Strangpressverfahren hergestellte Legierungen. Weitere Forschungsaktivitäten zur Analyse und Modellierung gekerbter und umgeformter Magenesiumbleche laufen derzeit am LLK in Kooperation mit der Paris Lodron Universität Salzburg (Fachbereich Chemie und Physik der Materialien) im Rahmen des Interreg-Projektes „nano-to-macro“.

Die Entwicklung eines optimierten Prozesses für den Magnesiumguss zeigte Dr. Andreas Fent (BMW Group München) am Beispiel einer Magnesiumtragstruktur für die Instrumententafel der neuen 7er-Reihe. Von der ersten Bauteilauslegung und deren Optimierung, über die Simulation des Gießwerkzeuges bis hin zur fertigen hochflexiblen Gießzelle, in der sowohl Magnesium als auch Aluminium gegossen werden kann. Abschließend präsentierte Anton Schönbauer (SSD Scientific Solution Division, Olympus Austria GmbH, Wien) die zerstörungsfreie Analyse von Metallen anhand von Röntgenfluoreszenzanalyse. Die hier entwickelten Geräte könnten auch bei Magnesium zum Einsatz kommen, erfordern allerdings ein spezielles Setup.

Im Anschluss an die Veranstaltung nutzten die Teilnehmer die Gelegenheit die Leichtmetallgießerei der BMW Group Werk Landshut zu besichtigen, eine der modernsten Gießereien weltweit. Dort entstehen Guss-Komponenten aus Aluminium und Magnesium. Zum Produktionsumfang zählen Motorkomponenten wie Zylinderköpfe oder Kurbelgehäuse, aber auch Karosseriestrukturteile und Fahrwerkskomponenten wie zum Beispiel Federbeinstützen, Heckklappenrahmen oder Gussknoten für die Vorder- und Hinterachse.