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ProduktpiraterieApp checkt Echtheit von Wälzlagern

Fotodokumentation mit der OriginCheck App

Original oder Fälschung? Diese Frage stellt sich mittlerweile auch beim Kauf von Maschinenteilen wie zum Beispiel Wälzlagern. Die OriginCheck App unterstützt den Käufer bei der Echtheitsprüfung vor Ort und vereinfacht bei Verdachtsmomenten die Klärung. 

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Dispersionsverstärktes Aluminium , Hochfeste Warmbandstähle, Hochleistungskunststoffe, Innovationszentrum Ingenieurwerkstoffe und Zentrum für Kunststofftechnik , Magnesium-Halbzeuge, Offenporiger MetallschaumDiät ohne Reue

Mehr Anwendernutzen und geringere Kosten – das sind die Ziele jeder Produktentwicklung. Eine der Möglichkeiten, sie zu erreichen, ist das Senken der Bauteilgewichte. Der einfachste Weg, das Verringern der Einsatzmengen von Primärwerkstoffen, liegt der Hauptvorteil auf der Hand: die Werkstoffkosten sinken linear mit der Gewichtsreduktion. Dazu gesellen sich Auswirkungen wie günstigere Transportkosten, einfacheres Handling oder erhöhte Kundenakzeptanz. Im Gegenzug ist mit erhöhten Aufwendungen in der Konstruktion, in der Fertigung und eventuell in der Qualitätssicherung zu rechnen.

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Zulieferleistungen und Zulieferteile (ZU): Diät ohne Reue

Lässt sich eine bestehende Konstruktion nicht einfach durch Geometrieveränderungen ,,abspecken", sind die Werkstoffspezialisten gefragt. Schlussendlich ist es in vielen Anwendungen weitgehend gleichgültig, welcher Werkstoff zum Einsatz kommt – das Ergebnis in Form von Anforderungserfüllung und Kosten ist entscheidend. Die verschiedenen Fraktionen, von den Verarbeitern von Aluminium über die Vertreter der Kunststoffbranche bis zu den Verarbeitern des Klassikers Stahl geben sich nichts im Wettbewerb um die bessere Lösung. Und schließlich mischen auch die Werkstoffgruppen Magnesium, Keramik und spezielle Ingenieurwerkstoffe mit, wie sich besonders deutlich im Bereich Subcontracting der Hannover Messe (7. bis 12. April 2003) zeigt.

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Aluminium noch leichter

Üblicherweise verbinden Techniker und Anwender gleichermaßen die Begriffe Leichtigkeit und Aluminium ganz selbstverständlich. Mit üblichen Aluminiumwerkstoffen lassen sich bei vielen Bauteile, beispielsweise Gehäusen und Verbindungselementen, Stahl oder andere ,,schwere" Werkstoffe mit vergleichsweise geringem konstruktiven und fertigungstechnischen Aufwand substituieren. Klassischerweise kommen Press- und Gießverfahren zum Einsatz.

Es geht aber auch noch leichter, ohne die Werkstoffgruppe zu wechseln: Porösität ist eine beim Gießen im Prinzip sehr unerwünschte Eigenart der Bauteile. Man kann sie jedoch auch gezielt nutzen. Nach ersten Anwendungen meist geschlossenporiger Aluminiumschäume in der Automobilindustrie erobern nun offenporige Metallschäume zunehmend Anwendungen auch in anderen Branchen.

Hinsichtlich Legierungsauswahl, Geometrien, Dichte und Zellstruktur sind diese in einem modifizierten Feingussverfahren verarbeiteten Werkstoffe in weiten Grenzen variierbar. Zudem können massive Bauteile in einem Guss angebunden werden. Damit stehen mehrere ,,Stellschrauben" zur Verfügung, um den Bauteilen optimale angepasste Parameter zu erzielen. Die Dichte wird bis auf zehn Prozent des Ausgangsmaterials verringert. Trotzdem erreichen die dreidimensional vernetzten Strukturen hohe Festigkeiten.

Kompetente Zulieferer gefragt

Da es in diesem Bereich bislang kaum Normen zur Darstellung von Werkstoffkennwerten wie Festigkeiten und Dehnung gibt, müssen potenzielle Anwender auf den Sachverstand entsprechender Zulieferer zurück greifen. Das gilt nicht nur für die Konstruktion, sondern bereits bei der Konzeption von Bauteilen. Gestaltung und weitere Bearbeitung werden aufgrund der Neuartigkeit des Verfahrens weitestgehend beim Hersteller liegen.

Aber auch auf ,,traditionellen" Wegen sind dem Werkstoff Aluminium Reserven zu entlocken. Über die Kombination verschiedener pulvermetallurgischer Produktionsverfahren und gezielter Steuerung der Legierungen können Halbzeuge mit spezielle Eigenschaften versehen werden, die den Bauteilen ansonsten unübliche Kombinationen technischer Daten verleihen.

Bei bewegten Bauteilen und Baugruppen geht es häufig um das Reduzieren der Massen – gesteigerte Dynamik der Systeme ist gewünscht. Das Ablösen von Bauteilen, die bisher aus Stählen gefertigt wurden, hat jedoch seine Tücken: Je nach Einsatz sind spezielle Werkstoff-Kennwerte erforderlich, die Aluminiumlegierungen üblicherweise nicht zugetraut werden, für die Funktionsfähigkeit des Gesamtsystems aber unabdingbar sind. So werden beispielsweise Steuerkolben für hydraulische Anlagen als Drehteile gefertigt, die sich durch extreme Härte und Verschleißfestigkeit auszeichnen. Sie kommen auch im Dauereinsatz ohne Verschleißschutzbeschichtung aus. Schleif- oder Entgratvorgänge entfallen ebenfalls bei der Fertigung. Und selbstverständlich sind diese Kolben deutlich leichter, als die ,,Konkurrenten" aus Stahl. Ähnliches gilt für einen Positionierschlitten: Drastische Gewichtsreduktion sorgt für deutlich höhere Dynamik und sinkende Belastung des Gesamtsystems. Dabei verhält sich die Mechanik aufgrund der entsprechenden Auswahl von Fertigungsprozess des Basiswerkstoffs und der Legierung für ein thermisches Verhalten ähnlich der Stahlvariante.

Dispersionsverstärktes Aluminium bietet eine Fülle von Möglichkeiten, bestimmte Eigenschaftskombinationen zu erzielen. Härte, Resistenz gegen Verschleiß, geringe thermische Dehnung und außergewöhnliche Steifigkeit sind nur einige der beeinflussbaren Parameter. In der richtigen Kombination sind sogar höhere Leistungen möglich, als das bei Stahlbauteilen – mit sinnvollem Aufwand – möglich ist: Sorgt man dafür, dass Zahnräder und Gehäuse hohe Warm- und Verschleißfestigkeit aufweisen, können Ölpumpen mit sehr geringe Spaltmaßen realisiert werden. Das ermöglicht höhere Drücke und in der Folge ein geringeres Bauvolumen der Pumpe. Um solche Erfolge zu erzielen, ist einiges Know-how in Sachen Werkstoffwahl und -verarbeitung notwendig, um es sachgerecht in die Konstruktion einbringen zu können.

Leichtmetall der anderen Art

Noch leichter als Aluminium, zumindest als Aluminium-Vollwerkstoffe, sind Magnesiumlegierungen. Serienteile aus Magnesiumguss sind bereits im Serieneinsatz. Bislang kaum verwendet werden Magnesium-Halbzeuge. Aufgrund seines interessanten technologischen Eigenschaftsprofils ist Magnesiumblech jedoch ein neuer Konstruktionswerkstoff mit hohem Leichtbaupotential. Der bisher begrenzte Einsatz von Magnesiumblech hat verschiedene Ursachen, unter anderem Qualitäts- und Verfügbarkeitsprobleme bei den Halbzeugen. Aus der Vergangenheit sind allerdings eine Vielzahl anspruchsvoller Strukturanwendungen des Magnesiumblechs aus dem Fahrzeug- und Flugzeugbau bekannt.

Das Magnesiumblech bietet auch heute beste Voraussetzungen für komplexbelastete Ultraleichtbauteile mit hohen mechanischen und oberflächentechnischen Anforderungen. Damit eröffnen sich dieser Werkstoffgruppe neue Einsatzbereiche, die mit Wettbewerbsprodukten aus Magnesiumguss nicht oder nur schwer zu erreichen sind. Die für den Anwender interessanten Punkte des Leistungsprofils von Magnesiumblech betreffen vor allem die hohe gewichtsspezifischen Festigkeits- und Steifigkeitseigenschaften, besonders unter Biege- und Beulbeanspruchung. Daraus ergeben sich gegenüber Stahl und Aluminium Gewichtsvorteile am Bauteil von bis zu 60 Prozent beziehungsweise 25 Prozent.

Auch in diesem Bereich des Leichtbaus ist die Automobilindustrie der stärkste ,,Treiber" und Nutzer der Innovationen. Einsatzfelder ergeben sich deshalb zunächst im Innenraumbereich von Pkw, bei großflächigen Anbauteilen, aber auch Strukturkomponenten der Rohkarosserie, im Antriebsstrang (Zylinderkopfabdeckung, Ölwanne) sowie auch im Fahrwerk. Noch sind die Erfahrungen aus der Großserien-tauglichen Verarbeitung von Magnesiumblechen nicht umfassend genug. In enger Zusammenarbeit von Hersteller Salzgitter Magnesium Technologie, potenziellen Anwendern wie der Volkswagen AG und Hochschulen werden derzeit in Pilotprojekten die Verfahren erprobt und verbessert.

Im Bereich der Rohkarosserie und sonstiger Impactkomponenten werden künftig auch funktions- und gewichtsoptimierte Magnesium-Schweißkonstruktionen aus Blechformteilen auch in Verknüpfung mit Strangpressprofilen oder Druckguss eingesetzt. Gleiches gilt für dünnwandige, beispielsweise laserschweißbare Blechrohrprofile, die per Innen-Hochdruckumformung und Biegeoperationen geformt werden.

Auch für automobilfremde Anwendungen können Magnesium-Grobbleche eine interessante Basis für ultraleichte Strukturanwendungen darstellen. So wurde bereits der Prototyp eines Radioteleskop-Panels spanend aus einem Mg-Grobblech gefertigt. Leichtbau, Steifigkeit und geringe Formtoleranzen sind hier optimal kombiniert.

Klassiker in der Light-Version

Während Aluminium und zunehmend eben auch Magnesium sozusagen von Natur aus für die Gewichtsreduktion bei Bauteilen und -gruppen sorgt, bleiben den Stahlverarbeitern zwei Möglichkeiten, im Wettbewerb um die leichteren Konstruktionen Der Einsatz höherfester Stahlsorten und Geometrieoptimierungen, um bei der Erfüllung der Festigkeitsanforderungen weniger Material einsetzen zu müssen.

Mit Erfahrung, vor allem aber geballtem Technikeinsatz setzen Halbzeughersteller und Verarbeiter neue Konstruktionen auf Diät. Auch hier ist einer der größten Stahlverbraucher, die Automobilindustrie, treibende Kraft. Derzeit wird versucht, mit neuen Fertigungs-, Berechnungs- und Simulationsverfahren größere Schritte in Richtung Leichtbau zu vollziehen. Recht weit gediehen ist das Atlas-Projekt (Advanced Technologies for Lightweight Autobodies in Steel), eine Kooperation zwischen Salzgitter AG und der Wilhelm Karmann GmbH. Die Idee dieses Projektes war die Entwicklung einer Spaceframestruktur mit innovativen Stahlsorten und neuen Fertigungs- und Fügeverfahren.

Ausgehend von einer Potenzialanalyse von Spaceframestrukturen wurde ein virtueller Prototyp konstruiert. Daneben wurden Prototypen in Serienfahrzeuge integriert und getestet. Der Einsatz seriennaher Fertigungsverfahren für das Prototyping, intensive Untersuchungen zur Fügetechnologie bis hin zur Validierung der Betriebsfestigkeitseigenschaften und des Crashverhaltens durch Versuche machen aus dem Projekt mehr als eine weitere Leichtbaustudie.

Die Auswahl der Werkstoffe wurde eng auf die Fertigungsverfahren abgestimmt. Das Rollprofilieren erwies sich für den Einsatz von höchstfesten Strukturwerkstoffen als besonders günstig. Hier kamen Werkstoffe mit Streckgrenzen von über 700 MPa zum Einsatz. Andererseits wurde im Umformprozess der Anstieg der Streckgrenze durch den Work hardening Effekt in der Umformung zielgerichtet genutzt und bereits in der Simulation berücksichtigt. So sind auch mit hervorragend umformbaren Stahlsorten höhere effektive Bauteilfestigkeiten einstellbar.

Wie die Projektergebnisse zeigen, stieg die Steifigkeit der Karosserie. Das Gewicht der betrachteten Struktur sank um bis zu 40 Prozent. Bezogen auf die Gesamtkarosserie bedeutet dies eine Gewichtsreduzierung von nahezu 20 Prozent. Die Kostenanalyse für den Einsatz der neuen Technologien in der Serie zeigt aufgrund der erheblichen Teilereduzierung bei den Einzelteilkosten deutliche Kostenvorteile. Verbunden mit einer möglichen Reduzierung von Zusammenbau-Stationen können die aufwändigeren Fertigungs- und Fügetechnologien mehr als überkompensiert werden.

Auch dieses Beispiel zeigt, dass in der Kooperation von Anwender, Werkstofflieferant, Fertigungsspezialisten, Konstrukteuren und mit Einsatz moderner Simulationsmethoden in vergleichsweise kurzer Zeit selbst aus dem ,,Klassiker" Stahl enorme Potenziale zu entlocken sind.

Kunststoffe gut im Rennen

Verstecken müssen sich hinter den Metallverarbeiten aller Couleur auch die Kunststofftechniker nicht. So erschließen sich vor allem mit dem zunehmenden Einsatz von Hochleistungskunststoffen weitere Chancen zur Senkung von Bauteilgewichten. Damit treten sie in Konkurrenz zu Stahl, Aluminium und mitunter sogar Glas. So lassen sich durch den Einsatz von Polyarylamid Compounds von Solvey Adavanced Polymers, Düsseldorf, Anwendungen mit hohen Ansprüchen an die Oberflächenanmutung bei gleichzeitig hoher mechanischer Beanspruchung realisieren. Das war bislang nur mit Einsatz verschiedener Werkstoffkombinationen erzielbar. Sobald Polyarlyamid seine thermischen Grenzen erreicht, ist Polyphtalamid der Werkstoff der Wahl- sofern hohe mechanische Beanspruchungen über einen großen Temperaturbereich benötigt werden. Seine Wärmeformbeständigkeit reicht bis 300 Grad Celsius. Ebenso sind bisher nicht mögliche Kombinationen von Bauteilfeatures wie hohe Temperatur-, Hydrolyse- und Sterilisierungsbeständigkeit erzielbar.

Leicht missverständlich

Wenn das Telefon vom Schreibtisch rutscht, weil man nur leicht am Hörerkabel zieht, wurde das Thema Leichtbau offenbar missverstanden. In aller Regel geht es um das Verringern von Gewichten aus technischen oder wirtschaftlichen Erwägungen. Bei den Fahrzeugbauern stehen das Senken des Treibstoff-Verbrauchs und das Steigern der Fahrleistungen im Mittelpunkt. Maschinenbauer streben bei bewegten Teilen nach verbesserter Dynamik, ruhigem Laufverhalten und anderen Zielen.

Der Trend ist, wie auch andere längerfristige Entwicklungen in den großen Abnehmerbranchen der Zuliefererindustrie, nicht neu, bringt aber immer wieder überraschende Lösungen. Er zeigt prägnant, dass sich optimale Lösungen nur selten ad-hoc finden lassen, sondern in längeren Prozessen immer wieder neue Chancen erarbeitet werden. Im Zusammenspiel von Grundlagenforschern, Werkstoffspezialisten, Konstrukteuren, Verarbeitern, Spezialisten für Oberflächenbehandlungen aller Art, vielen anderen Fachleuten – und natürlich den Anwendern – werden aus Wünschen und Visionen marktfähige Produkte.

Wer solche Trends auf die Leichte Schulter nimmt, wird künftig schwer zu tragen haben.Meinolf Droege

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