Kunststoffe und Metalle - zwei Welten bieten Leichtbaupotenzial

Leichtbauexperten trafen sich an der Hochschule Landshut

Das Cluster-Forum Leichtbau am 12.12.2017 an der Hochschule Landshut bot den rund 90 Teilnehmern eine Plattform für den aktiven Austausch von Materialexperten und Anwendern aus den Welten Kunststoffe und Metalle. Das Thema des vom Cluster Neue Werkstoffe initiierten Forums lautete "Leichtbau: das Beste aus zwei Welten – Kunststoffe und Metalle".

Hochschulpräsident Prof. Dr. Karl Stoffel freute sich in seiner Begrüßung, wieder eine große Zahl an Leichtbauexperten an der Hochschule Landshut begrüßen zu können. Dies sei wieder ein Beleg, dass der Forschungsschwerpunkt Leichtbau und auch der Leichtbau-Cluster den Austausch zwischen Hochschule und Wirtschaft intensiv leben. Dies bestätigte auch Dr. Matthias Konrad vom Cluster Neue Werkstoffe der Bayern Innovativ GmbH, der die besondere Verbindung und langjährige Zusammenarbeit mit der Hochschule Landshut und dem Leichtbau-Cluster hervorhob. Das Forum wurde in Zusammenarbeit mit dem Leichtbau-Cluster durchgeführt.

Die Anforderungen an Funktionalität, Sicherheit, Stabilität, Umweltverträglichkeit, Design und Komfort sind bereits hoch und werden weiter steigen. Umso mehr benötigt es eine umfassende Werkstoff-, Prozess- und Fertigungskompetenz, um maßgeschneiderte Leichtbaukonzepte, auch für sicherheitsrelevante Bauteile, zu entwickeln. Ziel des Leichtbau-Forums war es, durch die Zusammenführung von Experten aus der Welt der Kunststoffe und der Welt der Metalle, ein besseres Verständnis für das Material, den Prozess und die Vorzüge des jeweils anderen Bereichs zu erhalten. Dies bezog sich sowohl auf die unterschiedlichen Werkstoffe aber besonders auch auf Multi-Material-Konzepte oder auch Werkstoffhybride, wie Tanja Flügel vom Management des Cluster Neue Werkstoffe in ihrer Themeneinführung betonte. Besonders Trends im Bereich der Mobilität, wie CO2-Einsparung, automatisiertes Fahren oder smarte Fahrzeugkonzepte, seien treibende Themen für den Leichtbau. Aufgabenschwerpunkte seien dabei u.a. integriertes Design bzw. integrierte Prozesse, Mehrwerte z.B. durch Funktionsintegration zu schaffen, Recycling sowie Life Cycle Assessment und natürlich die Anforderung der OEMs nach bezahlbaren Lösungen.

Leichtbau in der Praxis

Innovative Leichtbaulösungen für den Hochgeschwindigkeitszug Next Generation Train (NGT) stellte Dr. Joachim Winter (Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. DLR, Stuttgart) in einem Vortrag vor. Besonders durch eine gewichtsoptimierte Wagenkonstruktion, u.a. mit lasttragender Verkleidung, einer Rahmenkonstruktion aus Alu sowie Knotenelementen in hochbelasteten Bereichen, konnte eine Gewichtseinsparung von rund vierzig Prozent erreicht werden. Zusätzlich wurde das Crashverhalten verbessert. Mit neuen hybriden Werkstoffkonzepten für den Leichtbau befasste sich Johannes Luft (Uni Freiberg). So habe man z.B. bei der Bodengruppe eines Fahrzeuges fünfundzwanzig Prozent Massenreduktion durch Optimierung und den Einsatz von Leichtbaumaterialien – hier ein CFK-Kern, mit Magnesium- und Stahldeckblechen – erreicht. Doch besonders auch faserverstärkte Hybride bieten für ihn hohes Potenzial. Mit innovativen Metalldrahtgewebeverbunden könne man Metall und Kunststoff kombinieren und so eine bessere Verformbarkeit bei hohem Korrosionsschutz und weniger Splitterung erreichen.

Einen vereinfachten Prozess zur Kombination von Metall und Kunststoff präsentierte Philipp Ruez (ElringKlinger AG, Dettingen) mit dem Hydro Forming Hybrid-Verfahren. Dabei wird ein Metallrohr per Spritzgussprozess umspritzt, und so eine Funktionalisierung des Bauteiles ermöglicht. Beispielsweise können bei einem Cockpit-Querträger so ohne Montage Aufhängungen etc. angespritzt werden, an denen dann die verschiedensten Bauteile befestigt werden. Ein weiteres innovatives Fertigungsverfahren stellte Dr. Klaus Jansen (Thomas GmbH + Co. Technik + Innovation KG, Bremervörde) mit der Radius-Pultrusion vor. Dabei werden Fasern getränkt und in einem kontinuierlichen Prozess ein leichter Verbundwerkstoff erzeugt, der jetzt auch in gekrümmter Form mit unterschiedlichen Radien hergestellt werden kann. Eine erste Anlage für die Serienproduktion wurde bereits gebaut, diese schaffe neue Anwendungsmöglichkeiten für die Automobilindustrie und werde 2018 in Betrieb gehen.  

Welche Vorteile eine innovative Plasma-Oberflächenbehandlung bietet, erläuterte Ronald Holzleitner (Fronius International GmbH, Wels). Besonders das Cold Active Plasma Verfahren, bei dem das Unternehmen auf ein Luft/Gasgemisch mit zusätzlicher Beigabe von Flüssigkeit setzt, biete für die Oberflächenfunktionalisierung bzw. Aktivierung für das Verbinden per Kleben große Vorteile. Je nach Material kann die Zusammensetzung des Gemisches verändert, die Haftung auch bei schwierigen Oberflächen deutlich verbessert und so die Kombination von zusätzlichen Materialien oder auch Produktionsverfahren ermöglicht werden.

Werkstoffe als Basis des Leichtbaus

Einen neuen Hybridwerkstoff mit dem Namen Kraibon, der im Bereich Schall-, Aufprall- und Splitterschutz deutliche Vorteile biete, stellte Dr. Jens Schaube (Gummiwerk KRAIBURG GmbH & Co. KG, Waldkraiburg) vor. Die Verbindung der Materialien erfolgt im unvernetzten Zustand, der Kunststoff härtet mit dem Faserverbundmaterial in einem Arbeitsgang aus und spart dadurch Kosten und Zeit. Zusätzlich biete das Material aus Elastomer und Faserverbund gegenüber anderen Materialien Vorteile bei Dämpfungseigenschaften und Crashverhalten.

Welches Leitbaupotenzial Forschungsprojekte an der Hochschule Landshut bieten, erläuterte Prof. Dr. Otto Huber (LLK, Hochschule Landshut) in seinem Vortrag. So sei in einem Projekt ein zellularer Verbundwerkstoff mit Mineralschaumgranulat für den Einsatz in der Chassis von Reisemobilen entwickelt worden, der einen Leichtbauvorteil von 38 Prozent bei verbesserten Eigenschaften erbracht habe. Titan-Aluminium-Verbindungen, Laserschweißen von Magnesium- und Titanaluminium-Legierungen, das Warmumformen von Magnesiumblechen sowie das Anbinden von Polyamid an andere Werkstoffe – mit dem Ziel von Sandwichstrukturen – stellen weitere Forschungsthemen mit hohem Leichtbaupotenzial dar.

Ökologische und ökonomische Vorteile durch Leichtbau?

Mit dem Thema Nachhaltigkeit und Life Cycle Assessment beim Einsatz von Leichtbautechnologien befasste sich Jürgen Stichling (thinkstep AG, Leinfelden-Echterdingen). Nur die durch Leichtbau eingesparten Abgase zu betrachten, greif deutlich zu kurz. Es müsste sowohl die Gewinnung der Werkstoffe, die Produktion und auch das Recycling bzw. die Verwertung der Materialien mit einbezogen werden. Er erläuterte an einem Beispiel, dass die durch Leichtbau erzielte Gewichtsersparnis beim Ersetzen von Stahl durch Alu in der Gesamtbetrachtung nur zu einem positiven Effekt führe, wenn 50 Prozent des Alus aus recyceltem Material bestünden.

Gerade die Umstellung vom Verbrennungsmotor auf den Elektroantrieb biete für den Leichtbau in der Komponentenfertigung viele Chancen und Innovationspotenzial aber auch Herausforderungen, wie Jean-Marc Ségaud (BMW Group Werk Landshut) aufzeigte. Die Zahl der Komponenten sinke bei den E-Fahrzeugen deutlich. Beim Einsatz von Leichtbaumaterialien sei die Integration in den Prozess und die Kosten ein wichtiger Faktor, dies besonders, wenn man bestehende Produktionslinien umbauen müsse. Leichtbau müsse bezahlbar sein, wie er am Beispiel des 3D-Drucks erläutert. Dieser werde häufig im Rapid Prototyping eingesetzt, sei aber bereits bis zur Serie möglich. Zylinderköpfe per 3D-Druck in Serie zu fertigen, werde sich aufgrund der Kostenentwicklungen aber wohl erst im Jahr 2022 etablieren, wie er schätzt. Bis dahin werden die Kosten bei der Herstellung etwa gleich hoch wie beim Guss sein, die zusätzlichen Konstruktionsfreiheiten beim 3D-Druck aber einen großen Vorteil bieten. Insgesamt sei der jeweilige Business-Case entscheidend, was sich bei der kleineren Stückzahl bei Rollce Royce lohne, müsse nicht in der Großserie rentabel sein.  

Einen Einblick in moderne Produktionstechnik konnten sich die Teilnehmer schließlich bei der anschließenden Firmenbesichtigung im BMW-Werk Landshut verschaffen. Sie bot ein weiteres Highlight der Veranstaltung und bot die Schwerpunkte Leichtbauzentrum, CFK-Technologie und Leichtmetallgießerei.