„30 bis 40 Prozent der Gesamtmasse eines Autos stecken in der Karosserie“, sagt Manfred Wischnewski, Geschäftsführer beim Göppinger Pressen-Hersteller Schuler. „Entsprechend hoch sind die Einsparpotenziale.“ Eine Gewichtseinsparung von zum Beispiel 100 Kilogramm in der Karosserie führt zu weiteren Gewichtseinsparungen an Motor, Getriebe, Fahrzeug und Bremsen in Höhe von etwa 16 Kilogramm – schließlich muss weniger Masse bewegt werden. Am Ende sinkt der Verbrauch um 0,3 bis 0,6 Liter pro 100 Kilometer. Auch Elektrofahrzeuge sind auf Leichtbauteile angewiesen, die das Gewicht der schweren Batterien, ca. 250 bis 300 Kilogramm, ausgleichen.
Das Leichtbau-Potenzial des hochinnovativen CFK kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff) gewinnt hier zunehmend an Bedeutung. Bereits 1998 entwickelte das Unternehmen die ersten Pressen zur Verarbeitung von CFK, mit dem sich im Vergleich zu herkömmlichen Stahl bis zu 60 Prozent Gewicht einsparen lässt – und das bei höherer Festigkeit. Allerdings ist Carbon derzeit wesentlich teurer als Stahl.
Auch die Verarbeitung von CFK zu Bauteilen ist im Vergleich zu Stahl wesentlich aufwendiger. Bei dem Resin-Transfer-Moulding-Verfahren (RTM) werden die zu Matten gewebten Kohle-fasern in eine Pressenform gelegt, mit Harz gefüllt und unter Wärme und hoher Kraft geformt und ausgehärtet. Bis zur Entnahme des fertigen Bauteils aus der RTM-Presse vergehen mehrere Minuten.
2009 erhielt das Unternehmen von einem Premium-Automobilhersteller einen Großauftrag über mehrere Kunststoffpressen, die eine wirtschaftliche Serienfertigung von CFK-Teilen ermöglichen. Insgesamt sind derzeit mehr als zehn CFK-Pressen von Schuler im Einsatz, die unter anderem Dächer und Bauteile für Fahrgastzellen fertigen. Doch das ist erst der Anfang: Der Bedarf wird in den nächsten Jahren deutlich steigen.
Die Möglichkeiten zur Gewichtseinsparung beim automobilen Leichtbau sind mit dem Einsatz von Carbon noch lange nicht ausgeschöpft. Der Einsatz von höchstfesten Stählen und hybrider Materialien wird bei neuen Fahrzeugmodellen weiter zunehmen. „Schuler bietet Technologien und automatisierte Pressensysteme für alle wesentlichen Umformverfahren zur Leichtbaufertigung“, stellt Geschäftsführer Manfred Wischnewski klar. Dazu gehören neben Carbon die Warm-umformung – das sogenannte Formhärten -, die Umformung von höchstfesten Stählen und Aluminium sowie hochfesten Rohrprofilen mit Hilfe des Innendruckverfahrens.
Dünnere Bleche dank hochfester und formgehärteter Stähle
Je fester ein Werkstoff ist, desto weniger Material wird benötigt, um dieselbe Stabilität zu erzielen und das Gewicht verringert sich: Das trifft nicht nur bei Carbon zu, sondern auch bei hochfesten und formgehärteten Stählen. Mit ihnen als Ausgangsmaterial können mit der Kalt- und Warmumformung Bauteile mit dünneren Blechdicken und höherer Steifigkeit produziert werden. Beim Formhärten werden die Bauteile in einer Ofenstrecke auf ca. 930 Grad Celsius erwärmt, unmittelbar danach in einer hydraulischen Presse umgeformt und gleichzeitig auf circa 200 Grad Celsius abgekühlt. Der hier eingesetzte mikrolegierte Borstahl erreicht mit diesem Verfahren Festigkeiten bis zu 1.500 Newton/mm². Neben der Festigkeit steigt bei der Warmumformung auch die Freiheit in der Gestaltung und im Design der Bauteile.
Bedarf an CFK-Pressen steigt
Schuler hat für dieses Fertigungsverfahren eine besondere Ziehtechnik entwickelt: Pressure-Controlled-Hardening (PCH). Die PCH-Technik wird mit einem intelligenten Ziehkissen mit Mehrfachkrafteinleitung realisiert, die zu einem weit besserem Wärmeübergangskoeffizienten beim Abkühlprozess führt und damit die Kühlzeit des Bauteils wesentlich reduziert. Mit dieser Funktionalität wird die Ausbringung einer Warmformanlage erhöht. Derzeit gibt es weltweit etwa 200 installierte Warmformanlagen, davon wurde rund ein Drittel von Schuler geliefert. Die erforderlichen Kapazitäten für das Formhärten von Bauteilen wird in den nächsten Jahren weiter steigen, sodass der Bedarf für Warmformanlagen weiter zunimmt.
Bei der Kaltumformung von Bauteilen aus hochfesten Stahl kann das Unternehmen die Vorteile seiner Servo-Direkt-Technologie voll ausspielen, da sich diese Pressen perfekt auf die besonderen Anforderungen des Umformprozesses abstimmen lassen. Weil der Stößel frei programmierbar ist, kann der Umformprozess bei Servopressen auf den Werkstoff und das Bauteil individuell optimiert werden. Bei hochfesten Stählen mit ihren geringen Dehnungen kommt es besonders darauf an, die Auftreffgeschwindigkeiten auf das Material zu reduzieren und die Umformgeschwindigkeit konstant zu halten.
Innenhochdruck-Umformung von höherfesten Werkstoffen
Auch die mit Hilfe der Innenhochdruck-Umformung (IHU) hergestellten Bauteile für den Automobilbau kommen vermehrt höherfeste Werkstoffe zum Einsatz. Diese Tendenz ist ebenso der Forderung nach Gewichtsreduzierung geschuldet. Daraus ergeben sich für das IHU-Verfahren neue Herausforderungen hinsichtlich der Anpassung des Umformprozesses einschließlich der Pressentechnik. In Zusammenarbeit mit dem in Detroit ansässigen Competence Center zum Thema IHU wurde die Werkzeug- und Pressentechnik zur Verwendung von hochfestem Material weiterentwickelt. „Für Anlagen, die auf Grundlage des weiterentwickelten Stützdruck-Verfahrens arbeiten, haben wir in den vergangenen Monaten Aufträge aus der Automobil-und Zulieferindustrie erhalten“, so Wischnewski.
Fast schon ein Klassiker im Leichtbau ist Aluminium. Dieser Werkstoff ist etwa 40 Prozent leichter als Stahl. Werden konsequent alle Karosseriebauteile aus diesem Leichtmetall hergestellt, können wesentliche Gewichtsreduzierungen erreicht werden. Schuler blickt beim Bau von Pressenlinien für Aluminium-Außenhautteile auf eine jahrelange Erfahrung zurück.
Der automobile Leichtbau ist ein Mega-Thema und wird das auch in den nächsten Jahren bleiben. Die gesetzlichen Bestimmungen für deutlich verringerte CO²-Emmissionen sind eine Herausforderung für die gesamte Automobilindustrie. „Die Zukunft zur Erreichung der gesetzten Ziele beim Leichtbau liegt im Materialmix“, fasst Wischnewski zusammen: „Der richtige Werkstoff muss an der richtigen Stelle eingesetzt werden.“ Das Unternehmen hat bereist für alle Leichtbau-Materialien die benötigten Umformanlagen zur industriellen Serienproduktion im Angebot. Auf der Fachmesse JECeurope in Paris, präsentierte man Hochdruck-RTM-Pressen. Diese ermöglichen nicht nur eine kürzere Zykluszeit für komplexe Bauteile mit hohen Anforderungen an Geometrie und Festigkeit, sondern auch eine gleichmäßige, wiederholbar Bauteilqualität und Oberflächengüte. Dabei sind sogenannte Voids, harzfreie Vakuum-Poren oder Lücken innerhalb oder am Rand des Bauteils, nahezu ausgeschlossen.
