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Automotive insights Kostengünstige Wege zur Erweiterung der Elektroauto-Serie
Docol® – Der Stahl für die Automobilindustrie

KOSTENGÜNSTIGE WEGE ZUR ERWEITERUNG DER ELEKTROAUTO-SERIE

Wie wichtig ist der Leichtbau für die künftige Mobilität?

Was sind die besten Wege, um die Elektroauto-Serie auf kostengünstige Weise zu erweitern? Diese Frage stand im Mittelpunkt des Leichtbau-Gipfels 2019 in Würzburg. Eine der überraschenden Botschaften des Gipfels war, dass in bestimmten Situationen die Produktreihe bei Elektroautos kostengünstiger durch Optimierung der elektrischen Systeme (Elektronik) statt durch Senkung des Konstruktionsgewichts erreicht werden könnte. Viele Teilnehmer des Gipfels drückten jedoch ihre Besorgnis aus, dass die hohen Investitionen in die Elektromobilität viele finanzielle und personelle Ressourcen aus Leichtbauprojekten abziehen könnten.

Andere Erkenntnisse von diesem Gipfel:

  • Die Konstruktionen von Elektroautos werden weiterhin einen tiefgreifenden Einfluss auf gewichtsarme Konstruktionen von Fahrzeugen aller Art haben, ob elektrisch, hybrid oder konventionell.
  • In der laufenden Streitfrage zwischen Gewichtsreduzierung und Kosteneffizienz erleben Konstruktionen mit Hilfe von gewichtsarmen Stählen eine Renaissance, wie mehrere Referenten unterstrichen. Neue hochfeste und ultrahochfeste Stähle können kostensparende Gewichtsreduzierungen ermöglichen, und das unter Beibehaltung der erforderlichen Eigenschaften.
  • Allgemein anerkannt wird inzwischen, dass die intelligente Verwendung von leichten Materialien unter dem Motto „Das richtige Material am richtigen Ort“ pragmatischer ist als ein vollständiger Ersatz von Aluminium (früherer Audi A8) oder Carbonfaser (BMW i3).

 

Docol beim Leichtbau-Gipfel

Getreu diesem Motto experimentiert eine zunehmende Anzahl von weitsichtigen Autoherstellern mit naturfaserverstärkten Bio-Materialien, was nicht nur die Fahrzeuge leichter macht, sondern auch ihre Ökobilanz verbessert. Experten erwarten zudem, dass carbonfaserverstärkte Materialien nach und nach die Schwelle zur Massenproduktion überschreiten, indem reifere und rationellere Herstellungsverfahren für das einstmals exotische Material aufkommen.

Neue Verfahren bei Konstruktionen mit Hybridmaterialien

Autobauteile aus Hybridmaterialien werden in Bereichen des Fahrzeugs immer wichtiger, die starken, lokalen Belastungen ausgesetzt sind. So präsentierte zum Beispiel Volkswagen sein E-Golf-Modell mit einem Schweller-/B-Säulen-Bereich, der aus glasfaserverstärktem Kunststoff besteht, welcher mit Profilen aus hochfestem Stahl verklebt ist. Der dadurch entstehende, strukturell verstärkte Bereich verringerte die Intrusion bei Crashversuchen um 50 Prozent. Mit diesem hybriden Ansatz erfüllt Volkswagen die Änderungen von 2015 bei der Säulenaufprallprüfung im Rahmen des New Car Assessment Program (NCAP), und dies durch die Hinzufügung von weniger als 200 Gramm Gewicht und ohne die Notwendigkeit von Änderungen bei der in Massenfertigung hergestellten Karosserie oder damit verbundenen Fertigungsprozessen.

Ein anderer Ansatz ist die Verwendung von Schaumstoff. Dies ist jedoch teurer und verlangt von Anfang an sorgfältige Überlegungen beim Entwicklungsprozess. In Verbindung mit anderen Materialien (wie z. B. hochfesten oder extra- und ultrahochfesten Stählen) haben Schaumstoffmaterialien jedoch gute Gewichtseigenschaften.

Nutzung von Computersimulationen bei der Gewichtsreduzierung von Autobauteilen

Fortschritte bei Computermodellierungen mit dynamischen Simulationen von Bauteilkonstruktionen mit bestimmten Leichtbaumaterialien werden wichtiger denn je. So können die Auswirkungen besser und genauer berechnet werden, wenn die Materialien dünner gemacht werden. Mehrere Referenten auf dem Gipfel stellten Konstruktionen vor, bei denen beträchtliche Materialeinsparungen (und Kostensenkungen) erzielt werden konnten.

Ein weiterer wichtiger Fortschritt neben den Computersimulationen ist die additive Fertigung (bzw. der 3D-Druck). Sie ermöglicht nicht nur extreme Geometrien bei den Bauteilen, sondern auch eine weitgehende Integration der Funktionen bei einem Autobauteil.

Bemerkenswert war, dass viele Präsentationen eine ganzheitliche Sichtweise auf den Leichtbau wählten. So verband sich der Fokus auf die Produktionskosten häufig mit Analysen der Ökobilanz: Wie sind die gesamten Umweltauswirkungen über den ganzen Lebenszyklus eines Bauteil, vom Rohmaterial bis zum Recycling?

Ein weiteres Beispiel: Beim Leichtbau in der Autoherstellung geht es inzwischen um sehr viel mehr als nur die Betrachtung der Konstruktion einzelner Bauteile. Natürlich beginnt der Prozess mit umfangreichen Computersimulationen der einzelnen Komponente. Doch das führt zur Einbeziehung von Simulationen des gesamten Fahrzeugs, Crash-Berechnungen, Simulationen der Fahrzeugherstellung und -montage und schließlich einer Abschätzung der Ökobilanz.

Kann die Stahlindustrie den künftigen Bedarf bei Leichtbau und CO2-Effizienz erfüllen?

„Der Leichtbau-Gipfel 2019 in Würzburg hat bestätigt, dass SSAB mit seinen innovativen Materialien und umfassenden Services viele Trends beim Leichtbau sehr genau vorwegnimmt“, erklärt Thomas Müller, Head of Business Development Automotive von SSAB und einer der Referenten bei dieser Veranstaltung. Mit seinem Portfolio an Stählen für die Automobilindustrie, die unter der Marke Docol® firmieren, ist SSAB ein wichtiger Wegbereiter für den Leichtbau in die Automobilindustrie, da diese extra- und ultrahochfesten Stähle ihren funktionalen Wert durch ihre hohe Festigkeit, ausgezeichnete Duktilität und gute Ermüdungsleistung beweisen. Da SSAB jeden extra- und ultrahochfesten Stahl einer festen Produktionsanlage zuweist, haben diese Stähle auch sehr einheitliche Materialeigenschaften. Und zusätzlich zum standardisierten Portfolio bei den extra- und ultrahochfesten Docol® Stählen können die Kunden auch spezielle Güten anfordern.

Das Engagement von SSAB für den weltweiten Umweltschutz kommt von Herzen und ist zugleich sehr pragmatisch: Weitere Begrenzungen bei CO2 und dem „eingeschlossenen Kohlenstoff“ in Automaterialien erscheinen als praktisch unausweichlich. Gegenwärtig stößt SSAB nur noch 2 kg CO2 pro Kilo erzeugten Stahl aus, was das Unternehmen zu einem der umweltfreundlichsten Stahlerzeuger der Welt macht. Stahlhersteller in der EU emittieren 7 % mehr CO2. In den USA liegt diese Rate bei 11 %, in China bei 26 % und in Indien bei 42 %.

„Und doch möchten wir uns auch mit zwei Kilo CO2 pro Kilo Stahl nicht zufriedengeben“, sagt Müller. „Wir streben an, unseren Stahl praktisch ohne CO2-Emissionen zu erzeugen. In Luleå (Schweden) bauen wir eine experimentelle HYBRIT-Anlage, auf der im Hochofen Wasserstoff anstelle von Kohlenstoff verwendet wird. Der Wasserstoff wird mit Hilfe von neuen und vorhandenen Wasser- und Windkraftanlagen erzeugt.“

SSAB plant, bis 2045 fossilfreien extra- und ultrahochfesten Docol® Stahl auf den Markt zu bringen. Zwischenzeitlich experimentiert SSAB mit Biokohlenstoff und wird einen Teil eines Werks auf vollständig elektrischen Betrieb umstellen, wodurch die Verwendung von Kohle und Koks eliminiert wird.

Leichtbau bei Elektroautos als Prozess

Als Beispiel für den „Leichtbau als umfassenden Prozess“ stellte SSAB ein Konstruktionskonzept für den Aufprallschutz von Batterien in Elektroautos vor. Unter Verwendung von ausgewählten extra- und ultrahochfesten Docol® Stählen entsteht ein Batteriegehäuse mit folgenden Merkmalen:

  • auslaufsicher
  • äußerst robust
  • gewichtsarm und effizient

 

„Dieses Batteriegehäuse hat großes Interesse geweckt“, bemerkt Müller, „nicht nur bei deutschen, sondern besonders bei chinesischen Autoherstellern.“

„Dieses Batteriegehäuse für Elektroautos ist ein Beispiel dafür, was SSAB bewirken kann, wenn es früh im Entwicklungsprozess einbezogen wird“, sagt Müller. „Für eine optimale gewichtsarme Konstruktion und Komponentenleistung ist diese frühe Einbeziehung ausschlaggebend. Je nach Anwendungsbereich konnte unser Knowledge Service Center den Autoherstellern helfen, das Gewicht der Komponenten um bis zu 50 % zu reduzieren.“

Das Docol® Knowledge Service Center hilft Autokonstrukteuren bei ihren täglichen Aufgaben, indem es umfassende Auskünfte über extra- und ultrahochfeste Stähle gibt. Dabei kann es sich um Konzept- und Konstruktionsstudien, Services bei Berechnungen und Computersimulationen (zum Beispiel digitale Modellierungen der Umformprozesse und Crashleistung) oder Vorschläge für Werkzeugdesign, Werkzeugausstattung oder das Schweißen der extra- und ultrahochfesten Stähle handeln.

Zum Team des Docol® Knowledge Service Centers zählen hochspezialisierte Ingenieure für Computersimulationen, Konstrukteure, Schweiß- und Umformexperten. Das Team hat Zugang zu hochmodernen Umformmaschinen und Modellierprogrammen. Damit potenzielle Kunden die Vorteile von SSAB-Stählen in einem früheren Stadium selbst erleben können, betreibt SSAB ein Testmateriallager, das weltweit einmalig ist. Es umfasst Bleche und Coils von vielen der extra- und ultrahochfesten Docol® Stahlgüten, die SSAB innerhalb von zwei Wochen ablängen und versenden kann – und oft sogar innerhalb von zwei Werktagen. Dieser umfassende, hochspezialisierte und schnelle Musterservice ist unter den Herstellern von extra- und ultrahochfesten Stählen unerreicht.

Thomas Müller
Thomas Müller, Head of Automotive Business Development bei SSAB

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