Leichte und crashsichere Autos für die Automobilbranche
Die Entwicklung leichter und zugleich unfallssicherer Fahrzeuge ist eine der dringendsten Aufgaben der überaus wettbewerbsfähigen Automobilindustrie. Umweltbelange und die öffentliche Meinung machen es immer deutlicher, dass die Automobilhersteller umdenken und den schweren, "spritschluckenden" Fahrzeugen leichtere Autos mit geringem Kraftstoffverbrauch entgegensetzen müssen. Der Kompromiss zwischen leichten und unfallsicheren Fahrzeugen ist teilweise für die steigende Beliebtheit von Hybridfahrzeugen auf Europas Straßen verantwortlich. Da jedoch die europäischen Vorgaben zu Kohlenstoffemissionen eingehalten und gleichzeitig die Herstellungskosten gesenkt werden müssen, wurde jetzt eine Leichtbautechnologie entwickelt, mit der sich die Fahrzeugmasse senken und gleichzeitig eine ausreichende Crashsicherheit garantieren lässt. Die von Forschern vom Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS in Dresden, Deutschland, entwickelte Innovation vereint zwei divergierende Ziele: ein schlankes Fahrzeugdesign und die Gewährleistung der Sicherheit der Fahrzeuginsassen. Hierfür verfolgten sie einen neuartigen Ansatz, nämlich die "Lokale Laserverfestigung". Dabei setzen die Experten auf kostengünstige, niedrigfeste Stahlbleche mit minimierter Wanddicke. Diese werden lediglich in den stark beanspruchten Bereichen lokal verfestigt. Hierfür führen die Experten einen fokussierten Laserstrahl über die Oberfläche des unbehandelten Blechs. Die so behandelten Zonen erwärmen sich oder schmelzen sogar auf und erstarren anschließend. Die Wärme wird schnell ins angrenzende kalte Material abgeleitet, wodurch sich die Spur rasch abkühlt. Dadurch entstehen harte Phasen und der Werkstoff wird deutlich verfestigt. "Wir erreichen Festigkeiten von bis zu 1500 MPa (Megapascal). Das entspricht etwa dem Zweifachen des unverfestigten Grundwerkstoffs", sagt Markus Wagner, Wissenschaftler am IWS. "Vor allem vordere und hintere Stoßträger am Fahrzeug sowie die B-Säule und diverse Versteifungsprofile können wir so gewichts- und belastungsoptimiert gestalten", fährt er fort. Bisher bestand die Fahrzeugkarosserie überwiegend aus einer homogenen Stahlblechkonstruktion mit konstanten Bauteilblechdicken. Besonders lokal beanspruchte Bauteile werden dabei häufig überdimensioniert, da die Wandstärke entsprechend der höchsten lokalen Belastung ausgelegt werden muss. Das heißt, in niedrig belasteten Bereichen ist die Blechdicke höher als erforderlich, was ein unnötig hohes Bauteilgewicht zur Folge hat. Zudem setzt die Branche verbreitet preisintensive hochfeste Stahlbleche ein, weshalb stets ein Kompromiss zwischen Bauteilmasse, -kosten und Crashsicherheit eingegangen wird. "Sicherheit und Leichtbau müssen kein Widerspruch sein", sagt Markus Wagner. Um die Eigenschaften von Karosseriebauteilen präziser auf die wirkenden Belastungen abzustimmen, streben der Ingenieur und seine Kollegen durch die Simulation von Zusammenstößen einen höheren Widerstand gegenüber Unfallschäden an Bauteilen an. Je weniger sich das Karosserieteil durchbiegt, desto geschützter ist der Autofahrer. Damit dies gelingt, müssen die Forscher die optimale Lage und Geometrie der Verfestigungsspuren ermitteln. "Mit unseren Simulationen sind wir in der Lage, Praxistests abzubilden. Versuch und Simulation weichen nur um wenige Millimeter voneinander ab", so Wagner. Mithilfe der numerischen Simulation haben der Wissenschaftler und sein Team ein crashoptimiertes Spurdesign für Unfälle entwickelt, wie sie beispielsweise beim Frontalaufprall auf einen Baum oder beim Seitencrash auftreten kann. Unter Einsatz des Lasers wurde das Spurdesign auf reale Bauteile übertragen. "Wir konnten die Durchbiegung eines lokal laserverfestigten Rohrprofils im Vergleich zur Referenz halbieren - und das, obwohl wir nur drei Prozent des Bauteilvolumens lokal verfestigt haben. Die Crashperformance wurde also verdoppelt", resümiert Wagner die Ergebnisse. Die Forscher des IWS haben das Verfahren bereits auf diverse Crashprofile und Sitzkomponenten angewendet. Durch die neue, belastungsgerechte Gestaltung können sie bis zu 20 Prozent Bauteilgewicht einsparen, ohne dabei die Crashsicherheit zu vernachlässigen.Weitere Informationen sind abrufbar unter: Fraunhofer http://www.fraunhofer.de
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