PROZESSKETTE-AFS

Problemstellung
Die Erhöhung der Energiekosten und Anforderungen zur Reduzierung des Flottenverbrauchs der Automobilhersteller führen in der Industrie zu einem massiven Umdenken in Richtung Leichtbau. Die Forderung nach Rücknahme von Automobilen am Ende der Nutzungsphase erfordert zusätzlich den Einsatz von gut rezyklierbaren Werkstoffen. Das Aluminiumschaum-Sandwich (AFS) besteht aus zwei Deckschichten aus Aluminiumblech mit einer dazwischen liegenden Schicht aus Aluminiumschaum. Die Deckschichten sind mit der Kernlage aus Aluminiumschaum stoffschlüssig verbunden. AFS verfügt über eine sehr hohe Steifigkeit bei geringem Gewicht, ein sehr gutes Dämpfungsverhalten für mechanische Schwingungen und gute Isolationseigenschaften. Da AFS nur aus Aluminium und Aluminiumlegierungen besteht und auf Beimengungen anderer Werkstoffe komplett verzichtet wird, ist AFS im Gegensatz zu den herkömmlichen Kernverbundwerkstoffen zu 100 % rezyklierbar. Bisher war AFS nur als Plattenmaterial verfügbar und wurde trotz der Vorteile nicht als Leichtbauwerkstoff eingesetzt, da die Fertigungstechnologien zum Trennen, Umformen und Fügen fehlten.

Projektziele
Um den Einsatz von AFS zu ermöglichen und das Material für die Industrie zu qualifizieren, mussten geeignete Fertigungsverfahren bewertet werden. Dazu wurde die gesamte Prozesskette einschließlich geeigneter Qualitätsprüfungen am Beispiel von zwei Anwendungen erforscht. Dabei war darauf zu achten, dass alle erforderlichen Spezifikationen der Automobil und Baumaschinenindustrie eingehalten werden. Ziele bei der Anwendung Schiebehebedachdeckel waren Gewichtsreduktion, Erhöhung der Steifigkeit, Kostenreduktion, Reduktion der Montagekosten und Außenhautfähigkeit (Class-A-Surface). Beim Hubarmhalter für eine mobile Hubarbeitsbühne sollte die Auslegerhöhe unter Einhaltung der Gewichtsobergrenze von 3,5 t um circa 5 m und die Steifigkeit des Hubarmhalters erhöht werden. Die allgemeinen Kosten sollten durch verringerte Bauteilanzahl und die Montagekosten aufgrund von verringerten Montagezeiten reduziert werden. Außerdem sollten innerhalb des Projektes wärmearme Fügetechnologien, neue zerstörungsfreie Qualitätsprüfungs-Systeme erarbeitet werden.

Ergebnisse
Eine neue Umformtechnologie wurde entwickelt: das Kaltumformen der aufgeschäumten AFS-Bauteile. Durch die vollmetallische Verbindung aus Kern- und Decklage kann das Sandwich nach dem Aufschäumen innerhalb gewisser Grenzen umgeformt werden. Dies reduziert die Anzahl der Werkzeuge und Arbeitsschritte und führt so zu einer deutlichen Reduzierung der Kosten. Dieses Verfahren wurde von Karmann als Patent angemeldet.
Bei den angelieferten AFS-Platten und den fertigen Bauteilen wurde erstmals eine Qualitätsprüfung durch Röntgen mit anschließender digitaler Bildbearbeitung angewendet. Das ursprüngliche Ziel ein Bauteil in 120 Sek. zu prüfen und anschließend zu bewerten, wurde mit einer Gesamtprüfzeit von circa 60 Sek. deutlich unterboten.
Bei der ersten Anwendung, dem Schiebehebedeckel, konnten die vorgegebenen Ziele nicht erreicht werden. Es war dem Materialzulieferer nicht möglich, ein qualitativ hochwertiges AFS-Material reproduzierbar herzustellen. Insbesondere die aufgeschäumte Kernlage konnte bis zum Abschluss nicht qualitativ hochwertig hergestellt werden, so dass eines der Hauptkriterien eines Schiebehebedeckels, die Außenhautfähigkeit, nicht realisiert werden konnte. Der Herstellungsprozess wird weiter optimiert. Der Partner BMW arbeitet weiter am Einsatz
dieses Leichtbauwerkstoffes, um ihn in seinen Automobilen einzusetzen.
Bei der zweiten Anwendung, dem Hubarmhalter einer mobilen Hubarbeitsbühne, wurde das Zielgewicht, eine erhöhte Steifigkeit, eine optimierte Verbindungstechnik und eine verbesserte Wirtschaftlichkeit erreicht. Durch die massive Gewichtsreduktion im Hubarmhalter konnte das eingesparte Gewicht in die Erhöhung der Auslegerlänge des Hubarms investiert werden: die Auslegerhöhe konnte von 20,5 m auf 25 m erhöht werden. Für Hubarbeitsbühnen der Fahrzeugklasse von 3,5 t ist dies ein Alleinstellungsmerkmal. Der Prototyp wurde von dem Projektpartner Teupen weiterentwickelt. Der AFS-Hubarmhalter wird mittlerweile als EURO B25 Hubarbeitsbühne in Serie produziert und ist ein Standbein der Fa. Teupen.

Anwendungspotenzial
Insbesondere die mittlerweile etablierte Technologie der Kaltumformung von AFS nach dem Aufschäumen hat mehrere Projekte bei Karmann ermöglicht. Einsatzbereiche sind zurzeit der Schiffsbau, die Marinetechnik und die Transportindustrie. Unter der Voraussetzung, dass der Materialpreis einen Preis von circa 12,- bis 15,- EUR/kg erreicht, können nach internen Schätzungen von Karmann bis zu 10 % des gesamten industriellen Strukturleichtbaupotentials in Deutschland mit AFS abgedeckt werden.

Prozesskette AFS (Schlussberichte des Forschungsprojekts "Prozesskette AFS")

Autor: Beichelt, C.; Mehn, R.; Klausecker, R.; Ahlers-Hestermann, G.; Leusder, H.

Verlag: Fa. Karmann, Osnabrück

Erscheinungsjahr: 2005, November

Beschreibung: Das Entwicklungskonsortium entwickelte exemplarisch an zwei konkreten industriellen Anwendungen, wie die AFS-Technologie in die jeweilige Unternehmens- bzw. Produkt- und Fertigungsstruktur der Entwicklungspartner integriert werden kann. Entwicklungsziel dieses Projektes war die Herstellung von exemplarischen Bauteilen mit allen erforderlichen Spezifikationen der Anwender, um die AFS-Technologie auf breiter Basis sowohl bei kleinen und mittelständischen, als auch bei großen Unternehmen prozessicher und wirtschaftlich einzusetzen. Es wurden zwei konkrete Demonstrator-Bauteile, eine AFS- Hubarmhalter für eine mobile Hubarbeitsbühne und ein AFS- Schiebehebedachdeckel für ein Automobil entwickelt. Weiterhin wurden Lösungen für konkrete Aufgaben, wie beispielsweise optimierte Verbindungstechniken und Qualitätsprüfverfahren, für den Einsatz der AFS-Technologie in den unterschiedliche Unternehmensformen entwickelt. Einer der Haupteinsatzbereiche der AFS-Sandwiche wird die Automobilindustrie sein. Da in dieser Branche der Kraftstoffverbrauch und somit das Fahrzeuggewicht massiv reduziert werden muß, werden, wenn die AFS-Technologie ausreichend prozessicher ist, in Zukunft AFS- Bauteile den Weg in den Serieneinsatz finden.