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Lightness.NRW

Investition in unsere Zukunft
Lightness.NRW

Lightness.NRW – Material- und Prozessentwicklung für den Einsatz von höchstfesten, recyclebaren sowie umweltfreundlichen Aluminiumlegierungen im großserientauglichen Ultraleichtbau für die Mobilität der Zukunft.

Überblick

Die Automobilindustrie steht aus zahlreichen Gründen unter hohem Druck, ihre Fahrzeuge – kurz- bis mittelfristig – deutlich leichter zu konstruieren.

Die Aluminiumhersteller entwickeln daher mit hohem Einsatz neue hochfeste Aluminiumlegierungen und erhoffen sich, mit diesen Legierungen – im Wettbewerb zum Stahl – zukünftig Großaufträge zu erhalten. Die Hürde die bei hochfesten Aluminiumlegierungen in den Konstruktionen zu berücksichtigen ist, ist jedoch die fehlende, auf die hochfesten Legierungen angepasste, wirtschaftliche Fertigungstechnologie, die auch für die Großserie geeignet ist. Die großen Gewinne für die Gesellschaft liegen nicht in Entwicklungen, welche nur für Oberklassefahrzeuge implementiert werden können, sondern es braucht Leichtbausysteme die in allen Fahrzeugsegmenten Einzug finden können.

Das entstandene Konsortium ist so gezielt zusammengestellt, dass von der Entwicklung der hochfesten, prozessangepassten Aluminiumlegierungen bis zur Konstruktion der Bauteile und dem Bau der erforderlichen Fertigungsstraße – in diesem Fall erstmalig z.B. für den in Köln entwickelten und produzierten Ford Fiesta – alle notwendigen Entwicklungsschritte inklusive einer patentfähigen neuen Fertigungstechnologie mit namhaften Global-Playern besetzt sind.

Von der Entwicklung dieser großserientauglichen Leichtbautechnologie für die neuen hochfesten Aluminiumlegierungen können auch die NRW-Zulieferer (z. B. aus der Region Attendorn) profitieren, indem sie weitere Produkte mit den hochfesten Aluminiumlegierungen konstruieren und anbieten.

Implementierung

Laufzeit

→ 01.07.2018 bis 30.06.2021

Das durch den Leitmarktwettbewerb „Neue Werkstoffe" geförderte Verbundvorhaben wird von der SMS group GmbH koordiniert.

Projektpartner

  • FH Aachen, Aachen
  • Ford-Werke GmbH, Köln
  • Hydro Aluminium Rolled Products GmbH, Bonn
  • RWTH Aachen/IBF, Aachen
  • Hydro Extruded Solutions GmbH, Remscheid
  • HoDforming GmbH, Düsseldorf

Ergebnisse

Im Projekt Lightness.NRW wurde das Hot-Die-Forming (HDF)-Verfahren entwickelt, welches eine Umformung von hoch- und höchstfesten Aluminiumlegierungen – vorliegend als blech- oder rohrförmige Halbzeuge – zu extrem leichten Strukturbauteilen mit hochkomplexen Geometrien ermöglicht. Das Potential der HDF-Technologie für Leichtbaustrukturen in der automobilen Großserie wurde anhand von Labor- und Demonstratorbauteilen sowie Bauteilstudien demonstriert. Um das technologische Potential im Hinblick auf extreme Leichtbaustrukturen voll ausschöpfen zu können wurden zudem eine Prozesssimulation sowie eine auf experimentellen Ergebnissen basierende Bauteilsimulation für statische und dynamische Anwendungsfälle entwickelt.

Durch Zusammenspiel aus FEM-Simulation und Experiment erstellte Bauteile Durch Zusammenspiel aus FEM-Simulation und Experiment erstellte Bauteile Durch Zusammenspiel aus FEM-Simulation und Experiment erstellte Bauteile Durch Zusammenspiel aus FEM-Simulation und Experiment erstellte Bauteile

Im Projekt durch Zusammenspiel aus FEM-Simulation und Experiment erstellte Bauteile. Sowohl blech- als auch rohrbasierte Bauteile konnten erfolgreich mittels der HDF-Technik aus hochfesten Legierungen geformt werden.

Nur durch das umfassende Projektkonsortium, welches entlang der gesamten Wertschöpfungskette aufgestellt ist, konnten die komplexen Fragestellungen entlang der Prozesskette beantwortet werden. Die im Konsortium vorhandenen Partnerkompetenzen reichten von der Legierungs-, Prozess- und Anlagenentwicklung über die Etablierung einer begleitenden Simulationsmethodik zur Beschreibung des Umformvorgangs und des Bauteilverhaltens bis hin zur realen Demonstratorenentwicklung und -fertigung, wie auch deren finalen experimentellen Charakterisierung. Ausgehend von der Entwicklung und Auswahl einer für die HDF-Technologie geeigneten hochfesten Aluminiumlegierung wurde die Leistungsfähigkeit der innovativen Umformtechnik zur Fertigung von komplex geformten Aluminium-Strukturbauteilen durch die Herstellung von zwei Technologiedemonstratoren – Kreuzprobe und Rohrknoten – demonstriert und experimentell validiert.

Dieser Prozess wurde durch FE-basierte Prozess- und Bauteilsimulationen gestützt, um eine schrittweise Optimierung des Werkzeugs und der Bauteilgeometrie zu erreichen. Basierend auf den ermittelten mechanischen Kennwerten (statisch und dynamisch) wurde eine Materialkarte entwickelt, die eine gezielte Auslegung von Aluminium-Leichtbaustrukturen ermöglicht.

Hierdurch konnte einerseits eine mächtige CAE-Simulationsmethodik sowie eine Materialkarte bzw. Materialdatenbank entwickelt und validiert werden, die auch über das Projekt hinaus Anwendung finden kann. Auf Basis der Ergebnisse der experimentellen Versuche und der Erkenntnisse aus dem Herstellungsprozess der Demonstratorbauteile im Hinblick auf die maximalen Umformgrade, konnten weiterhin Konstruktionsrichtlinien und somit potentielle Anwendungsbereiche im Fahrzeugbereich erarbeitet werden.

Eine große Anzahl von statischen und dynamischen Tests an den Technologiedemonstratorbauteilen diente als solide Datenbasis zur Bewertung des Potentials der HDF-Technik. Die Effekte der Nachbehandlung auf die Bauteileigenschaften wurden ebenso mittels Simulation und Experiment untersucht, um eine optimierte Wärmebehandlung zur gezielten Einstellung der mechanischen Bauteileigenschaften zu gewährleisten.

Anlagenkonzepts zur Integration der HDF-Technologie Anlagenkonzepts zur Integration der HDF-Technologie Anlagenkonzepts zur Integration der HDF-Technologie Anlagenkonzepts zur Integration der HDF-Technologie

Mit dem Entwurf eines Anlagenkonzepts zur Integration der HDF-Technologie in eine Großserienumgebung wurde innerhalb des Projekts ein wichtiger Schritt vom Labormaßstab zur Serienfertigung erfolgreich umgesetzt. Hierzu wurde eine Prozessanlage inklusive aller Anlagen-, Vorbereitungs- und Versorgungseinheiten sowie der dazugehörigen Handlingsysteme am Beispiel der Fertigung des Rohrknotens unter Beachtung von Taktzeiten in der automobilen Großserie virtuell realisiert. Auf Basis dieser virtuellen Repräsentation der Gesamtanlage konnte die Bewertung der Fertigungskosten sowie der Umweltbilanz erfolgen und begleitet durch den Endanwender aus der Automobilindustrie eine generelle Eignung für die Großserie festgestellt werden.

Auf diese Weise wurde ein Grundstein für die Etablierung der HDF-Technologie in Großserienanwendungen gelegt. Dies wird durch die abschließende Bewertung der erreichten Bauteilkennzahlen gestützt, welche zeigen, dass die HDF Technik eine große Chance für den energie- und ressourceneffizienten Leichtbau bietet. In den kommenden Jahren kann diese Technik einen großen Beitrag dazu leisten, dass bisher nicht oder nicht-wirtschaftlich herstellbare komplexe (Struktur-)Bauteile aus hochfesten Aluminiumlegierungen breite Anwendung in der Serienfertigung finden und somit extremen metallischen Leichtbau ermöglichen.

Downloads

Lightness.NRW: Abschlussbericht
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Ihr Kontakt

SMSgroup van Putten, Koos

Koos van Putten

SMS group GmbH
Research & Development
Ohlerkirchweg 66
41069 Mönchengladbach
Germany

Telefon : +49 2161 350 2434

Dieses Projekt wird durch die Europäische Union und das Land Nordrhein-Westfalen gefördert.