Werkstoffe im Automobilbau - nmwp.nrw.de

Werkstoffe im AutomobilbauJürgen Wesemann

Ford Research & Innovation Center AachenManager Vehicle Systems Engineering & Technologies

NMWP e.V. Innovation2Go Webinar 8. Oktober 2020

2Jürgen Wesemann | Werkstoffe im Automobilbau | NMWP e.V. Webinar, 8. Oktober 2020

Werkstoffe im Automobilbau

1915 Ford Model T 2017 Ford Fiesta

Holz 19%

Eisenguss 14%

Sonstige 4%

Stahl 62%

Kunststoffe 19%

Nicht-Eisen Metalle 7%

Sonstige 12%

Stahl und Fe-Metalle

62%


Stahlgüten im Automobilbau

Das Festigkeitsniveau von Stahl ist um den Faktor Fünf gestiegen!

UTS 200 – 300 MPa UTS < 250 – 1500 MPa

Ford Fiesta1980

Ford Fiesta 2017

5x


Werkstoffe und Leichtbau

Werkstoffe mit

niedriger Dichte

Werkstoffe mit

hoher Festigkeit

und hohem E-

Modul

Leichtbau mit Werkstoffen


Hochfeststähle Aluminum

Mixed Materials

Ford Focus Ford F150

Multi Material Light

Vehicle Concept „MMLV“

Werkstoffoptionen für die

Karosseriestruktur

Werkstoffe für Großserienkarosserien


Werkstoffe und Leichtbaupotential in der Karosserie

Source: JLR, Global Automotive Lightweight Materials, 24th-25th April, 2013


Stahlgüten im Automobilbau

200 400 600 800

50

01000 1200 1400

20

10

30

40

1600

Bru

chd

eh

nu

ng

A8

0[%

]

Zugfestigkeit Rm [MPa]

1800 2000

Aust. SS

IF

DP

CP

BHIF-HS

C-Mn

LC

HSLA

med. Mn

Q&P / TBF

TRIP

MS

DH

PHS

60

3rd gen AHSS

1st gen AHSS

Mild Steel HSLA Dual Phase (DP) PHS

UTS: 600 – 1200 MPa UTS: 1400 – 1900 MPaUTS: 300 – 600 MPaUTS: 140 – 300 MPa

25 µm 25 µm 25 µm 25 µmSource: TKS Source: TKS Source: TKS


Stahlgüten in der Rohkarosserie

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

39.0%

61.0%

Focus I

1998

21.0%

30.0%

40.2%

Focus III

2009

8.8%

22.5%

34.7%

Focus IV

2018

30.6%

12.2%

43.2%

52.4%

4.4%

C-MAX I

2003(Focus II platform)

Mild Steel(CR1-CR4)

Conv. HSS (HSLA, BH)

AHSS/UHSS(DP, DH, MS)

Hot-formed(PHS)


Warmumformstähle – Massives Wachstum

Source: Schu le r


Warmumformstähle in der Karosseriestruktur

Ford Galaxy/S-MAX 2006

• Standard Warmumformtechnologien

• Konstante Dicke und Eigenschaften

Weight save

• Borstahl vs. DP600

(B-Säule Galaxy/S-MAX):

Dm = 5.2 kg (28%)/Fahrzeug



Ford Focus 2011

• Tailor Rolled Blanks, warm umgeformt

Zusätzliche Gewichtsreduktion

Im Vergleich zu B-Säule

Mit konstanter Dicke:

Dm = 1.4 kg/Fahrzeug

Lokale Anpassung der Festigkeit durch Blechdickenvariation



Nächster Technologieschritt:

• Partiell gehärtete Warmumformstähle

Ford Kuga 2012

• Partiell gehärteter hinterer Längsträger

high ductility

transition zone

high strength

Lokale Anpassung von

Festigkeit und Duktilität

für optimiertes

Crashverhalten


Form Blow Hardening

Hydroforming

• Hochfeste, geschlossene Profile

• Kaltumformprozess

• Zugfestigkeit bis zu 1000 MPa

Warm umgeformte Borstähle

• Extrem hohe Festigkeit:

Zugfestigkeit > 1500 MPa

• Komplexe Geometrien möglich

• Kleine Toleranzen

Form blow hardening

• Kombiniert das beste aus beiden

Welten

• Geschlossene Profile mit extrem

hoher Festigkeit

• Komplexe Geometrien möglich

• Kleine Toleranzen

A-Pillar Ford

Fusion/Mondeo

B-Säule

Ford Focus

BMBF Projekt “Light-eBody”


Form Blow Hardening

Source: Linde+Wiemann


Hot Die Forming

Source: HoDforming GmbH

Werkstück und Werkzeuge

sind temperiert

Niedrige Umformkräfte

Kurze Zykluszeiten

Aktives Nachschieben

Anwendbar für Aluminium

und andere Metalle

Erhöhte Freiheit in der

Bauteilgestaltung

Flexible Gestaltung der

Eigenschaften und Dicke

im Bauteil

Großserientauglich


F-Series sind die am häufigsten

verkauften Pickup Trucks in

Amerika seit

43 Jahren.

F-Series sind die am häufigsten

verkauften Fahrzeuge in Amerika

seit

38 Jahren.

Aluminium Karosserie des Ford F150


Au

sh

ärt

bar

Mg

Mg,

Si

Zn

5xxx

6xxx

7xxx

Haupt-

Legierungselemente

Legierungs-

gruppe

Al-Mg

Al-Mg-Mn

Al-Mg-Si-Mn

Al-Zn-Mg

Al-Zn-Mg-Cu

Nic

ht a

ush

ärt

bar

Streckgrenze

in MPa

100 - 155

220 - >300

> 25

< 22

> 430 < 5

Bruchdehnung

in %

Aluminiumlegierungen im Automobilbau

Al


Aluminiumlegierungen im Automobilbau

Aluminum 6xxx

55%

Aluminum

5xxx

11%

Steel

8%

Aluminum

6xxx PFHT

26%

1992 AIV Sable Karosseriestruktur 2015 F-150 Karosseriestruktur

Aluminum

6xxx

7%

Steel 3%

Aluminum

5xxx

90%

Ford F150 – Werkstoffe in der Karosseriestruktur


F150

2008F150

2015

Wei

ght

incl

. clo

sure

s[k

g]

45%Gewichtsreduktion in der

Karosserie

Box

Türen und Klappen

Karosseriestruktur

51%

39%

43%

Ford F150 – Leichtbau


F150 – Warum Aluminium?

• Nutzlast

• Body on Frame:

Aluminium wird dort

verwendet, der Einsatz am

effizientesten ist:

→Stahl-Rahmen

→Aluminium Karosserie


Das Aluminium Recyclingkonzept

Vermischung von Al-Legierungen Sortenreine Trennung

von Al-Legierungen

Geringer Schrottwert

Vier unterschiedliche chemische Zusammensetzungen / Schrott-Verarbeitungslinien wurden definiert.

Hoher Schrottwert

„Multi Supplier Tolling“

10 verschiedene Al-Güten


Einführung neuer Werkstoffe

Materials CAE

Manu-facturing

Design

En

gin

ee

rin

g S

tre

ss σ

[MP

a]

Engineering Strain ε [%]

Tensile test (acc. DIN EN ISO)Tensile test (shear cutted edges)

80

120

160

200

Lochaufw

eitung

/%

Werkstoffe

40



Materials CAE

Manu-facturing

Design


Bedeutung der Umformhistorie für die Produktsimulation

350 –

530 –

620 –

670 –

710 –

740 –

760 –

780 –

790 –

800 –

810 –

[ MPa ]

350 –

530 –

620 –

670 –

710 –

740 –

760 –

780 –

790 –

800 –

810 –

[ MPa ]

Yield Strength Plastic Strain

> 750 MPa Local Yield Strength

350 MPa

Local Yield Strength

200

300

400

500

600

700

800

0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10

True Plastic Strain

Tru

e S

tre

ss

[ M

Pa

]

After forming

W/O forming history

DP600

HSLA340


Kopplung von Fertigungs- und Produktbewertungs-CAE

Blechumformung Produktbewertung

• Blechdicke

• Spannung

• Dehnung

• …

Dauerfestigkeit

Crash

NVH

Mapping


Optimierung von Design und Prozess

Optimiertes Produkt

Werkstoff

Fertigungsprozess

Produkt-

bewertung

Lokale

Eigenschaften

Optimierung

Design-, Werkstoff-,

Prozessänderung


„Lab meets reality“

Kann die Blechdicke bei

Verwendung des TWIP Stahls

reduziert werden, ohne das

Crashverhalten zu verschlechtern?

ATWIP1000

AB

oro

n1500

ATWIP1000 = 3.4 x ABoron1500

Im Zugversuch nimmt der TWIP-

Stahl 3,4-mal soviel Energie auf

wie der Borstahl.


„Lab meets reality“

Der Wechsel von Borstahl zu TWIP-

Stahl für crashrelevante Bauteile der

Seitenstruktur erfordert die Erhöhung

der Blechdicke um

31%

ATWIP1000

AB

oro

n1500

ATWIP1000 = 3.4 x ABoron1500

Im Zugversuch nimmt der TWIP-

Stahl 3,4 mal mehr Energie auf

als der Borstahl.



Materials CAE

Manu-facturing

Design

Werkzeuggeometrie

Rückfederung


Bauteil-geometrie

WerkzeugDesign

Prozess-parameter

Rückhaltekräfte

Rückfederung - Gegenmaßnahmen

Versteifungselemente

Rückfederung

im Bauteil

Kompensation

im Werkzeug

Springback nach

der Kompensation


Einfluss der Geometrie auf die Rückfederung - DP600

Rückfederung - Gegenmaßnahmen

Area A Area B Area C - Section 1 Area D - Section 1

Area A Area B Area C - Section 1 Area D - Section 1Area A Area B Area C - Section 1 Area D - Section 1


Hochfeststähle – Herausforderungen in der Fertigung

• Rückfederung

• Umformbarkeit

• Presskräfte

• CAE

• …Ist es angebracht, zu sagen:

“Hochfeststähle erschweren die Fertigung“ ?


m, v0

YS (MPa) / UTS (MPa)

Mild steel: 175 / 305

DP780: 525 / 780

Das Ersetzen von DP800 durch Mild Steel

erfordert die Erhöhung der Blechdicke um 50%

DP800 vs. Mild Steel – Axial Crush

Axial Crush


m, v0

22MnB5 Borstahl vs. Mild Steel - 3-Punkt-Biegung

YS (MPa) / UTS (MPa)

Mild steel: 175 / 305

22MnB5: 1200 / 1500

Das Ersetzen von 22MnB5 Borstahl durch Mild Steel

erfordert die Erhöhung der Blechdicke um 94%

3-Point-Bending


Dicke einer Fügeverbindung: Borstahl vs. Mild Steel

Die gleiche Fügeverbindung könnte unter Berücksichtigung heutiger Spezifikation aus Mild Steel nicht hergestellt werden

2,9 mm

2,6 mm

2,7 mm

Σ = 8,2 mm

1,5 mm

1,35 mm

1,4 mm

Σ = 4,25 mm

Mild SteelUHSS Vs.



Materials CAE

Manu-facturing

Design

38

Prozessgerechtes Design

Initiales

Design

Angepasstes

DesignInitiales

Design

Angepasstes

Design

Produktgerechtes Design

Für Produkt und Prozess optimiertes Design

Optimierte Designs unter Berücksichtigung von Produkt- und Prozessanforderungen



Materials CAE

Manu-facturing

Design

Der ganzheitliche Ansatz ermöglicht die effiziente Implementierung neuer Werkstoffe


Kunststoff-Karosserieteile für das Model T im Jahr 1930

Bereits um 1930 waren

Karosserieteile aus verstärktem

Kunststoff für das „Model T“

verfügbar


Aktuelle Nutzung von CFK

Aktuelle Nutzung von

CFK im

Automobilbau

Intensive CFK-Nutzung in

Nischenprodukten und

Produkten mit geringer oder

mittlerer Stückzahl

CFK Einsatz für einzelne

Bauteile in Fahrzeugderivaten

geringer und mittlerer Stückzahl


CFK Einsatz in der Automobilindustrie

2015

Starke Zunahme der Verwendung von CFK-Bauteilen für die nächsten

Jahre erwartet, da CFK eine erhebliche Gewichtsreduktion ermöglicht.

<0,3 kg CFK Bauteile/Fahrzeug

* Source: Composites Marktbericht 2016, Nov 2016, T . Kraus, M. Kühnel/ CCeV, E. W itten AVK,

http://www.carbon-composites.eu/media/2448/marktbericht_2016_ccev -avk.pdf

** Source: Mike Jackson, IHS Automotive, Globalization of the Auto Industry, Ann Arbor, MI, 13 April 2016

• Verwendung von CFK Bauteilen in der Automobilindustrie: 25.500.000 kg*

• Weltweite PKW Produktion: 88.000.000 vehicles **


CFK – Szenario für die nächsten Jahre

2025Annahmen

• Zunahme der Verwendung von CFK bis 2025: 20% pro Jahr

• Weltweite PKW Produktion in 2025: 110.000.000 Fahrzeuge

* Source: Ducker W orldwide, Aluminum Content in Cars, Summary Report, June 2016,

http://european-aluminium.eu/media/1721/european-aluminium-ducker-s tudy-summary-report_sept .pdf

Selbst in einem sehr optimistischen Szenario bezüglich der verstärkten Verwendung

von CFK Bauteilen wird CFK keinen wesentlichen Beitrag zur Verringerung des

Gewichts der Fahrzeugflotte leisten.

<2 kg CFK Bauteile/Fahrzeug (Schätzung für die Verwendung von Aluminium für in Europa hergestellte PKW: 187 kg in 2025*)


Verwendung von faserverstärkte Kunststoffen in der Großserie

FocusKuga S-MAX

Kunststoff-Metall-Hybridbauteil (“GOR” ),Erste Einführung: Focus I in 1998


Faserverstärkte Kunststoffe im Fahrwerk

Stahl

GfK


Was ist der Leichtbauwerkstoff für Motorblöcke?

Grauguss-Block Aluminium-Block

Blockgewicht100% 62%

Ist Aluminium also der bessere Leichtbau-Werkstoff?



Motorengewicht100% 100%

Grauguss-Block Aluminium-Block

Blockgewicht100% 62%



Grauguss statt

Aluminium

Block

Gewicht

Größe

Kosten



Grauguss statt

Aluminium

Block

Gewicht

Größe

Kosten

Gewicht

Größe

Kosten

Gesamtmotor



Einsparungen werden

in andere Leichtbauteile

investiert (Aluminium

Motorhaube, Radträger,…)

Grauguss statt

Aluminium

Block

Gewicht

Größe

Kosten

Gewicht

Größe

Kosten

Gesamtmotor

Gewicht

Kosten

Gesamtfahrzeug



Einsparungen werden

in andere Leichtbauteile

investiert (Aluminium

Motorhaube, Radträger,…)

Grauguss statt

Aluminium

Effizienteres Package Gewicht

Kürzerer Vorderwagen Kosten

Gesamtfahrzeug

Der Motor ist der

größte der Baureihe

Block

Gewicht

Größe

Kosten

Gewicht

Größe

Kosten

Gesamtmotor

Gewicht

Kosten

Gesamtfahrzeug


Danke für Ihr Interesse!

Documents

Werkstoffe im Automobilbau - nmwp.nrw.de