Eine Grundvoraussetzung für den Leichtbau und den Einsatz von verschiedenen Materialien in einem Bauteil bzw. Bauteilsystem bildet die Fügetechnik. Neue Ansätze der Verbindung von innovativen Leichtbaumaterialien zeigte das mittlerweile 7. Landshut - Ingolstädter Leichtbausymposium. "Fügen und Verbinden - Schlüsseltechnologien der Fertigung hybrider Leichtbaustrukturen" lautete der Titel der Veranstaltung am 24. Juni 2014, die über 60 Experten aus Hochschule, Forschung und Unternehmen eine Plattform bot.
Bei der Kooperationsveranstaltung der Hochschulen Landshut und Ingolstadt, durchgeführt bei dem Automobilzulieferer EDAG engineering AG (Ingolstadt), tauschten sie sich über aktuelle Forschungstrends sowie Entwicklungen und Anforderungen in der Industrie aus. Organisiert wurde das Symposium durch den Leichtbau Cluster an der Hochschule Landshut. Die wissenschaftlichen Leiter der Veranstaltung, Prof. Dr. Otto Huber (Hochschule Landshut) sowie Prof. Dr. Jörg Wellnitz (Technische Hochschule Ingolstadt) betonten in ihrer Begrüßung die Bedeutung des Leichtbaus und die Herausforderungen, die insbesondere das Verbinden von unterschiedlichen komplexen Materialien darstellen. Zusätzlich müssten diese Verfahren im Bereich Automobilbau in Serienfertigung mit hohen Stückzahlen eingesetzt werden, was große Anforderungen an die Produktionstechnik stelle - dies bei minimierten Herstellkosten. Prof. Dr. Wellnitz fasste die Problematik schmunzelnd zusammen: "Das Material stammt von Gott, die Oberfläche vom Teufel, das Fügen ist Teufelswerk."
Leichtbau als Chance
Nach einer Begrüßung durch Volker Fink (EDAG engineering AG, Geschäftsbereichsleiter Audi) präsentierte Dr. Martin Hillebrecht die EDAG engineering AG als Ingenieur-Dienstleister, der sich in innovativen Kooperations-Projekten Gedanken über die Zukunft des Automobilbaus und des Leichtbaus macht. Er gab einen Überblick über erfolgversprechende Leichtbau-Strategien und betonte, insgesamt dürfe man den Leichtbau nicht als Mehraufwand, sondern als hervorragende Chance für Deutschland betrachten, das sich mit seinen vielen OEMs, Automobilherstellern Hochschulen und Forschungseinrichtungen in diesem innovativen Themenfeld weiter etablieren könne.
Gerade vor dem Hintergrund der Gewichtsreduzierung bei gleichzeitig geforderter Kostenersparnis gab Dr. Uwe Alber in seinem Vortrag "Innovative Fügetechnologien - Schlüssel zum Karosserieleichtbau" Einblicke in die Leichtbaustrategie bei der Audi AG. Die Forderung an den Leichtbau laute "das richtige Material am richtigen Ort in der richtigen Menge einzusetzen". Die Entwicklung gehe hin zu werkstoffflexiblen Karosseriekonzepten, in dem höchstfeste Stähle ebenso wie CFK zum Einsatz kämen - ein Multi Material Design. Dies stelle natürlich auch an die Verbindungstechnik hohe Anforderungen. Dabei spricht er sich für mechanische, kalte Verfahren aus, die kein Erhitzen von Werkzeugen bzw. Bauteilen erfordern und so einfacher und kostensparend in der Serienproduktion eingesetzt werden können. So kämen beispielsweise bei einer Aluminium-intensiven Mischbauweise wie beim Audi TT Coupé, u.a. verstärkt Hohlstanznieten, Flow drill Schrauben (FDS) oder auch das Clinchen neben dem Strukturkleben zum Einsatz. Die Gewichtseinsparung gegenüber einer vergleichbaren Stahlkarosserie belaufe sich hier auf ca. 100 Kilogramm. In Zukunft müssten neue Füge- und Aufbaukonzepte sowie neue Technologien zum flexiblen Verbinden verschiedenster Materialien im Materialmix entwickelt werden.
Einsatz von neuen Leichtbaumaterialien
Eine große Bandbreite an Forschungsansätzen und -projekten zur Entwicklung von neuen Leichtbau-Materialien und entsprechenden Fügeverfahren zeigten die weiteren Referenten im 7. Landshut - Ingolstädter Leichtbausymposium. So stellte Tobias Joppich, Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie ICT, das hohe Leichtbau-Potenzial von thermoplastischen UD-Tapes vor. Auf Basis von Kunststoff als thermoplastische Matrixmaterialien sowie der Einbettung von Fasern wie Glas oder Carbon werden mit Tapes Gelege erstellt. Bauteile können so flexibel geformt und auf lokal unterschiedliche Belastungen ausgelegt werden. Das wirtschaftliche Optimum bezüglich Verschnitt und Legezeit lasse sich bauteilspezifisch über die Tapebreite einstellen. Automatisiertes Thermoplast-Tapelegen und Umformung maßgeschneiderter Gewebe seinen bereits möglich, eine Prozessoptimierung gerade für die Serienproduktion allerdings nötig.
Mit neuartigen Fügesystemen unter Ausnutzung thermoplastspezifischer Werkstoffeigenschaften in Faserverbundstrukturen befasste sich Juliane Troschitz von der TU Dresden. Sie zeigte beispielsweise, dass bei Bolzenlöchern, die mit einem erwärmten Dorn in thermoplastische Materialien getrieben werden, lasttragende Fasern nicht durchtrennt, sondern seitlich verschoben werden. Dadurch steigt die Stabilität deutlich. Auch das Warmumformen und Verschweißen von Faserverbundmaterialien, das thermoaktiviertes Verstiften mit heißen Pins in Laminat sowie Thermoclinchen seien Verfahren bei denen die Integration in Fertigungsprozessketten möglich sei.
Die positiven Eigenschaften von Aluminiumschaum zeigte Claudia Drebenstedt (Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU, Chemnitz): er ist leicht und dabei biegesteif, energieabsorbierend und recyclebar. Je nach Materialkombination könne man das Material, kleben, anschäumen oder sogar schweißen. Das Potenzial des Materials wurde bereits in einem Forschungsprojekt gezeigt, in dem der Triebkopf eines Hochgeschwindigkeitszuges aus Aluminiumschaum-Verbund hergestellt wurde.
Neue Möglichkeiten durch additive Verfahren
Eine hohe geometrische Gestaltungsfreiheit bietet das 3D-Druck-Verfahren bzw. das sog. Additive Manufacturing (AM), mit dem sich Frank Beckmann, Laser Zentrum Nord GmbH, Technische Universität Hamburg-Harburg, befasste. Dabei verbindet sich eine dünne Pulverschicht durch Belichtung mit der Schicht darunter. Komplexe Bauteile - auch mit integrierter Funktion oder der Abbildung von bionischen Strukturen - können dadurch erstellt werden, die in klassischen Verfahren nicht produzierbar wären. Allerdings ist der Einsatz bei großen Bauteilen bisher nicht wirtschaftlich. Hybridbauweisen, wie etwa das Generieren und Verbinden mit Halbzeug aus konventioneller Fertigung, können hier eine Lösung darstellen, bei der das Fügen beispielsweise über Schweißverfahren erfolgt.
Mit dem Thema Schweißen befassten sich zwei weitere Vorträge. Beim sog. Magnet Impuls Schweißen (MPW) erfolgt das Verbinden mit hoher mechanische Energie. Sorin Binder, INSTAL Engineering GmbH (Garching) stellte Untersuchungen zu diesem zum Verbinden, Falzen, Umformen, Schneiden und Lochen anwendbaren Verfahren vor. Diese "kalte" Schweißmethode eigne sich zum Verbinden von geschlossenen Profilen, u.a. von Aluminiumteilen oder auch von Aluminium mit Kupfer oder Stahl. Dabei hätten Untersuchungen gezeigt, dass die Festigkeit der Schweißverbindung besser als der Grundwerkstoff sei. Allerdings müsse die zur Produktion nötigen Anlagen genau auf das herzustellende Teil ausgelegt sein, was die Flexibilität beim Umrüsten einschränkt. Vorteile des Metallschutzgasschweißens (MSG) mit Zink-Draht zur Fertigung hybrider Leichtbaustrukturen beleuchtete Christoph Gefferts FEF - Forschungs- und Entwicklungsgesellschaft Fügetechnik GmbH, RWTH Aachen. So könnten schnell verschiedene Materialien wie Stahl oder Alu verbunden werden, ohne den Draht beim Schweißen wechseln zu müssen. Dies spreche neben den besseren Schweißergebnissen für den Einsatz in der Produktionskette.
Bei der Kooperationsveranstaltung der Hochschulen Landshut und Ingolstadt, durchgeführt bei dem Automobilzulieferer EDAG engineering AG (Ingolstadt), tauschten sie sich über aktuelle Forschungstrends sowie Entwicklungen und Anforderungen in der Industrie aus. Organisiert wurde das Symposium durch den Leichtbau Cluster an der Hochschule Landshut. Die wissenschaftlichen Leiter der Veranstaltung, Prof. Dr. Otto Huber (Hochschule Landshut) sowie Prof. Dr. Jörg Wellnitz (Technische Hochschule Ingolstadt) betonten in ihrer Begrüßung die Bedeutung des Leichtbaus und die Herausforderungen, die insbesondere das Verbinden von unterschiedlichen komplexen Materialien darstellen. Zusätzlich müssten diese Verfahren im Bereich Automobilbau in Serienfertigung mit hohen Stückzahlen eingesetzt werden, was große Anforderungen an die Produktionstechnik stelle - dies bei minimierten Herstellkosten. Prof. Dr. Wellnitz fasste die Problematik schmunzelnd zusammen: "Das Material stammt von Gott, die Oberfläche vom Teufel, das Fügen ist Teufelswerk."
Leichtbau als Chance
Nach einer Begrüßung durch Volker Fink (EDAG engineering AG, Geschäftsbereichsleiter Audi) präsentierte Dr. Martin Hillebrecht die EDAG engineering AG als Ingenieur-Dienstleister, der sich in innovativen Kooperations-Projekten Gedanken über die Zukunft des Automobilbaus und des Leichtbaus macht. Er gab einen Überblick über erfolgversprechende Leichtbau-Strategien und betonte, insgesamt dürfe man den Leichtbau nicht als Mehraufwand, sondern als hervorragende Chance für Deutschland betrachten, das sich mit seinen vielen OEMs, Automobilherstellern Hochschulen und Forschungseinrichtungen in diesem innovativen Themenfeld weiter etablieren könne.
Gerade vor dem Hintergrund der Gewichtsreduzierung bei gleichzeitig geforderter Kostenersparnis gab Dr. Uwe Alber in seinem Vortrag "Innovative Fügetechnologien - Schlüssel zum Karosserieleichtbau" Einblicke in die Leichtbaustrategie bei der Audi AG. Die Forderung an den Leichtbau laute "das richtige Material am richtigen Ort in der richtigen Menge einzusetzen". Die Entwicklung gehe hin zu werkstoffflexiblen Karosseriekonzepten, in dem höchstfeste Stähle ebenso wie CFK zum Einsatz kämen - ein Multi Material Design. Dies stelle natürlich auch an die Verbindungstechnik hohe Anforderungen. Dabei spricht er sich für mechanische, kalte Verfahren aus, die kein Erhitzen von Werkzeugen bzw. Bauteilen erfordern und so einfacher und kostensparend in der Serienproduktion eingesetzt werden können. So kämen beispielsweise bei einer Aluminium-intensiven Mischbauweise wie beim Audi TT Coupé, u.a. verstärkt Hohlstanznieten, Flow drill Schrauben (FDS) oder auch das Clinchen neben dem Strukturkleben zum Einsatz. Die Gewichtseinsparung gegenüber einer vergleichbaren Stahlkarosserie belaufe sich hier auf ca. 100 Kilogramm. In Zukunft müssten neue Füge- und Aufbaukonzepte sowie neue Technologien zum flexiblen Verbinden verschiedenster Materialien im Materialmix entwickelt werden.
Einsatz von neuen Leichtbaumaterialien
Eine große Bandbreite an Forschungsansätzen und -projekten zur Entwicklung von neuen Leichtbau-Materialien und entsprechenden Fügeverfahren zeigten die weiteren Referenten im 7. Landshut - Ingolstädter Leichtbausymposium. So stellte Tobias Joppich, Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie ICT, das hohe Leichtbau-Potenzial von thermoplastischen UD-Tapes vor. Auf Basis von Kunststoff als thermoplastische Matrixmaterialien sowie der Einbettung von Fasern wie Glas oder Carbon werden mit Tapes Gelege erstellt. Bauteile können so flexibel geformt und auf lokal unterschiedliche Belastungen ausgelegt werden. Das wirtschaftliche Optimum bezüglich Verschnitt und Legezeit lasse sich bauteilspezifisch über die Tapebreite einstellen. Automatisiertes Thermoplast-Tapelegen und Umformung maßgeschneiderter Gewebe seinen bereits möglich, eine Prozessoptimierung gerade für die Serienproduktion allerdings nötig.
Mit neuartigen Fügesystemen unter Ausnutzung thermoplastspezifischer Werkstoffeigenschaften in Faserverbundstrukturen befasste sich Juliane Troschitz von der TU Dresden. Sie zeigte beispielsweise, dass bei Bolzenlöchern, die mit einem erwärmten Dorn in thermoplastische Materialien getrieben werden, lasttragende Fasern nicht durchtrennt, sondern seitlich verschoben werden. Dadurch steigt die Stabilität deutlich. Auch das Warmumformen und Verschweißen von Faserverbundmaterialien, das thermoaktiviertes Verstiften mit heißen Pins in Laminat sowie Thermoclinchen seien Verfahren bei denen die Integration in Fertigungsprozessketten möglich sei.
Die positiven Eigenschaften von Aluminiumschaum zeigte Claudia Drebenstedt (Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU, Chemnitz): er ist leicht und dabei biegesteif, energieabsorbierend und recyclebar. Je nach Materialkombination könne man das Material, kleben, anschäumen oder sogar schweißen. Das Potenzial des Materials wurde bereits in einem Forschungsprojekt gezeigt, in dem der Triebkopf eines Hochgeschwindigkeitszuges aus Aluminiumschaum-Verbund hergestellt wurde.
Neue Möglichkeiten durch additive Verfahren
Eine hohe geometrische Gestaltungsfreiheit bietet das 3D-Druck-Verfahren bzw. das sog. Additive Manufacturing (AM), mit dem sich Frank Beckmann, Laser Zentrum Nord GmbH, Technische Universität Hamburg-Harburg, befasste. Dabei verbindet sich eine dünne Pulverschicht durch Belichtung mit der Schicht darunter. Komplexe Bauteile - auch mit integrierter Funktion oder der Abbildung von bionischen Strukturen - können dadurch erstellt werden, die in klassischen Verfahren nicht produzierbar wären. Allerdings ist der Einsatz bei großen Bauteilen bisher nicht wirtschaftlich. Hybridbauweisen, wie etwa das Generieren und Verbinden mit Halbzeug aus konventioneller Fertigung, können hier eine Lösung darstellen, bei der das Fügen beispielsweise über Schweißverfahren erfolgt.
Mit dem Thema Schweißen befassten sich zwei weitere Vorträge. Beim sog. Magnet Impuls Schweißen (MPW) erfolgt das Verbinden mit hoher mechanische Energie. Sorin Binder, INSTAL Engineering GmbH (Garching) stellte Untersuchungen zu diesem zum Verbinden, Falzen, Umformen, Schneiden und Lochen anwendbaren Verfahren vor. Diese "kalte" Schweißmethode eigne sich zum Verbinden von geschlossenen Profilen, u.a. von Aluminiumteilen oder auch von Aluminium mit Kupfer oder Stahl. Dabei hätten Untersuchungen gezeigt, dass die Festigkeit der Schweißverbindung besser als der Grundwerkstoff sei. Allerdings müsse die zur Produktion nötigen Anlagen genau auf das herzustellende Teil ausgelegt sein, was die Flexibilität beim Umrüsten einschränkt. Vorteile des Metallschutzgasschweißens (MSG) mit Zink-Draht zur Fertigung hybrider Leichtbaustrukturen beleuchtete Christoph Gefferts FEF - Forschungs- und Entwicklungsgesellschaft Fügetechnik GmbH, RWTH Aachen. So könnten schnell verschiedene Materialien wie Stahl oder Alu verbunden werden, ohne den Draht beim Schweißen wechseln zu müssen. Dies spreche neben den besseren Schweißergebnissen für den Einsatz in der Produktionskette.
