Superstahl: Fahrzeuge der Zukunft werden leichter und sicherer

Ein Konsortium aus Autoherstellern, Zulieferern und Stahlproduzenten arbeitet mit Maschinenbauern an der Entwicklung von hochfestem Stahl, der in den Autos der Zukunft verbaut werden soll. Die Bauteile werden mit Lasern zusammengeschnitten. Die Fahrzeuge werden leichter und dennoch sicherer im Crashverhalten.

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Entwicklung der Zahl der im Straßenverkehr getöteten Personen. (Grafik: Destatis)

Entwicklung der Zahl der im Straßenverkehr getöteten Personen. (Grafik: Destatis)

Fahrzeuge müssen bei Unfällen einem harten Aufprall standhalten und dürfen dabei aber nicht zu viel wiegen. Sonst steigt der Kraftstoffverbrauch. In der Automobilindustrie sind aufgrund ökonomischer, ökologischer wie auch politischer Zwänge Maßnahmen zum effizienteren Energieeinsatz gefordert. Eine wichtige Stellschraube ist die Reduzierung des Fahrzeuggewichts, wobei gleichzeitig die Anforderungen an die Fahrzeugsicherheit steigen. Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, kommen zunehmend Bauteile aus pressgehärteten hochfesten Stählen zum Einsatz.

Gemeinsam mit Automobilherstellern und -zulieferern, Partnern aus dem Bereich Stahlherstellung sowie Laser- und Anlagenbau und dem Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT soll das Konsortium neben verbesserter Crashperformance zur Reduzierung des Gewichts von Fahrzeugen und somit zur Erhöhung der Energieeffizienz im Automobilbereich beitragen.

Der Trend zum sicheren Autofahren lässt sich bereits erkennen: Trotz der gestiegenen Zahl an Unfällen starben auf deutschen Straßen 2013 so wenig Menschen wie noch nie seit Beginn der Erhebung im Jahr 1953: Insgesamt waren 3.339 Unfalltote zu beklagen, das waren 261 Personen oder 7,3 Prozent weniger als im Jahr davor. Im Vergleich zum bisher schwärzesten Jahr der Unfallstatistik 1970 mit 21.332 Todesopfern ist das sogar ein Rückgang um über 80 Prozent. Dennoch kamen im Straßenverkehr 2013 täglich durchschnittlich neun Menschen ums Leben. Bei der Zahl der Verletzten gab es im Jahr 2013 ebenfalls einen Rückgang, und zwar um 3,4 Prozent bei den Schwer- und um 2,5 Prozent bei den Leichtverletzten.

Das häufigste Fehlverhalten bei Unfällen mit Personenschaden waren Fehler beim Abbiegen, Wenden, Rückwärtsfahren, Ein- und Anfahren (15,8 %). Vorfahrtsfehler standen an zweiter Stelle (14,6 %), gefolgt von nicht angepasster Geschwindigkeit (13,9 %), berichtet das Statistische Bundesamt.

Laserstrahlschneiden einer B-Säule. (© Fraunhofer ILT, Aachen)

Laserstrahlschneiden einer B-Säule. (© Fraunhofer ILT, Aachen)

Die moderne Fertigungstechnik der Fahrzeugkarosserien verspricht mehr Sicherheit durch extrem harten Stahl. Diese Stähle erreichen bei einer geringeren Blechstärke und damit geringerem Gewicht ein gleich gutes oder sogar verbessertes Crashverhalten von Pkw-Strukturen wie zum Beispiel in B-Säulen oder im seitlichen Schweller. Die hohe Festigkeit dieser Werkstoffe hat jedoch auch zu notwendigen Änderungen bei der Weiterbearbeitung wie dem Beschneiden und dem Fügen geführt.

Als Beschnittverfahren hat sich das Laserschneiden etabliert, da mechanische Verfahren zu raschem Werkzeugverschleiß führen und bei neuen Gütern mit einer weiter gestiegenen Festigkeit nicht mehr einsetzbar sind. Allerdings entstehen beim Laserschneiden Aufhärtungen in der Randzone der Schnittkante.

Das Fügen erfolgt im Wesentlichen durch das weitverbreitete Punktschweißen. Beim Punktschweißen wiederum entsteht eine Wärmeeinflusszone mit deutlicher Härtereduzierung um den Schweißpunkt. Mechanische Verfahren für den Mischbau wie Clinchen oder Stanznieten sind aufgrund der hohen Festigkeit bei pressgehärteten Stählen kaum noch möglich.

Beide Effekte beeinträchtigen die Crasheigenschaften des Bauteils. Durch eine lokale Wärmebehandlung der Bauteile im Schnittkantenbereich und in den Fügezonen können die Eigenschaften des Werkstoffs lokal angepasst und somit seine Crasheigenschaften verbessert werden. Dieser zusätzliche Prozessschritt verursacht jedoch Mehrkosten. Aus ökonomischen Gründen ist es daher sinnvoll, die lokale Wärmebehandlung mit dem Schneidprozess zu kombinieren.

Gefördert vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) und begleitet vom Projektträger VDI hat sich ein Konsortium aus zwei Automobilherstellern (AUDI und Ford), einem Automobilzulieferer (KIRCHHOFF AUTOMOTIVE), zwei Stahlanbietern (ThyssenKrupp Steel Europe und BILSTEIN), einem Laserhersteller (Laserline), einem Anlagenbauer (Arnold), einem Prüflabor (F+K) sowie einem Forschungsinstitut (Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT) zum Ziel gesetzt, ein Kombinationsverfahren zum Laserschneiden und zur lokalen Wärmebehandlung zu entwickeln.

Im Rahmen des Verbundvorhabens werden bis zum Jahr 2017 nicht nur die Verfahrensgrundlagen erarbeitet, sondern auch eine Demonstratoranlage aufgebaut und erprobt.

Für das Kombinationsverfahren wird eine hybride Laserstrahlquelle bestehend aus einem Diodenlaser für die Wärmebehandlung und einem Faserlaser für das Schneiden entwickelt. Weiterhin arbeitet das Konsortium an der Entwicklung eines hybriden Schneid-Wärmebehandlungs-Kopfes. Beide Komponenten werden in einem Anlagenkonzept für die 3D-Bearbeitung integriert.

Das Fügen der entfestigten Zonen wird an einfachen Modellgeometrien untersucht, das Crashverhalten anhand von ausgewählten Demonstratorbauteilen durch Crashtests analysiert. Parallel zu den experimentellen Untersuchungen erfolgt eine Simulation des Werkstoffverhaltens, um das Verfahren später in die Fahrzeugentwicklung integrieren zu können.

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