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Aug 15, 2023

Stahl-Aluminium-Laminat ist ein alternatives Material für den Fahrzeugleichtbau

Dieses Kfz-Paketregal ist aus MSC Smart Steel gestanzt

Dieses Kfz-Paketregal wird mit einer normalen Matrize aus MSC Smart Steel gestanzt und durch Widerstandspunktschweißen zusammengebaut. Bild mit freundlicher Genehmigung von Material Sciences Corp.

Material Sciences Corp. hat ein neues Material in Produktion genommen, um die Leichtbaubemühungen im Automobilbereich zu unterstützen. MSC Smart Steel® ist ein leichtes Laminat, das einen formbaren, schweißbaren und lackierbaren Ersatz für monolithischen, kohlenstoffarmen Stahl darstellt und bei gleicher Dicke bis zu 35 % Gewicht einspart. Es wird als Spule hergestellt.

Das leichte Laminatmaterial war eine natürliche Erweiterung des MSC-Portfolios an akustisch laminierten Metallen zur Geräuschdämpfung von Fahrzeugen, die seit Jahren hergestellt werden. Die Forschung und Entwicklung begann im Jahr 2012 und die Produktion begann im Frühjahr 2019.

Eines der in den 1990er Jahren entwickelten Vorgängerprodukte des Herstellers heißt Quiet Steel® und ist ein Laminat für Akustikanwendungen. Typische Anwendungen sind Karosserieteile wie Armaturenbretter und Bodenbleche sowie Motorkomponenten wie Ölwannen, Ventildeckel und Steuergehäusedeckel. Kürzlich führte das Unternehmen Quiet Aluminium® ein, das alle mit Aluminium verbundenen Gewichtseinsparungen bietet, aber auch die Dämpfungseigenschaften bietet, die für Aluminium-Karosseriestrukturen und Anwendungen unter der Motorhaube erforderlich sind.

Laut Matt Murphy, Chief Technology Officer für Materialwissenschaften, ist MSC auf das Laminieren von Metallen spezialisiert. „Da die CAFE-Standards (Corporate Average Fuel Economy) die Automobilhersteller dazu veranlassten, den Kraftstoffverbrauch zu senken, wurden Materialien attraktiv, die leichte Lösungen ohne Kompromisse bei der Leistung bieten. Unsere Expertise im Laminieren von Akustiklaminaten diente als guter Ausgangspunkt für die Entwicklung von MSC Smart Steel.“

Das Material ist ein dreischichtiges Laminat. Die Außenhäute bestehen aus Stahl und die Innenschicht ist ein leitfähiger, verstärkter Polymerkern mit geringer Dichte. Die Dichte des Polymerkerns ist geringer als die von Aluminium.

Typische Dicken für Automobilanwendungen liegen zwischen 0,68 mm und 2,5 mm. Das Verhältnis der äußeren Stahlhäute zum inneren Kern hängt von vielen Faktoren ab, darunter Schweißbarkeit, Formbarkeit und Biegesteifigkeit des Teils.

Ein aktuelles, in der Entwicklung befindliches Beispiel ist ein aus 1,0 mm starkem Stahl gestanztes Automobilinnenteil mit einem Gewicht von 3 Pfund. „MSC Smart Steel wurde so konstruiert, dass es mit einer Gesamtdicke von 1,08 alle gleichen Fahrzeuganforderungen erfüllt, aber ein Gesamtgewicht von 2 Pfund ergibt“, so Murphy weiter.

Das Material ist so konzipiert, dass es die Leistungsanforderungen jeder Anwendung erfüllt, und der Aufbau jeder Schicht wird individuell angepasst. Die Stahldicke und -sorte sowie die Dicke des Polymerkerns variieren von Produkt zu Produkt. „Wir möchten die Gewichtseinsparungen maximieren, deshalb entwickeln wir jedes Produkt für die jeweilige Anwendung“, sagte Murphy.

Da das Polymer eine geringe Dichte aufweist, kann laut Murphy umso mehr Gewicht eingespart werden, je weniger Stahl und mehr Polymer in der Laminatstruktur enthalten sind. „Aber die Berechnung zur Bestimmung der Dicke des Metalls und des Polymers hängt von den Leistungsanforderungen des Teils ab.“

Steif. Die Struktur des Laminats ermöglicht es, die Masse zu reduzieren und gleichzeitig die Biegesteifigkeit beizubehalten – eine Eigenschaft, die in vielen Bereichen des Fahrzeugs von entscheidender Bedeutung ist. Das Unternehmen entwickelt das Verhältnis der Metallhäute zum Kern, um die Steifigkeit bzw. Biegesteifigkeit dieses Teils aufrechtzuerhalten und gleichzeitig Gewicht zu sparen.

Ein neu entwickeltes Laminatmaterial aus Stahl oder Aluminium und einem Polymerkern kann das Teilegewicht um ein Drittel reduzieren. Bild mit freundlicher Genehmigung von Material Sciences Corp.

MSC Smart Steel sei mit bestehenden Fertigungs- und Lackierprozessen kompatibel, so das Unternehmen. Nach Angaben des Unternehmens kann es in typischen Formen ohne Modifikationen gestanzt, mit vorhandener Ausrüstung punktgeschweißt und durch Standard-Elektrobeschichtungs- und Lackiersysteme mit nahtloser Integration in bestehende Fertigungssysteme verarbeitet werden.

Schweißbar.„Der Polymerkern ist so konstruiert, dass er leitfähig ist. Dadurch kann das Produkt, wenn es zwischen die beiden Stahlhäute gelegt wird, mit Schweißgeräten, die in jeder Karosseriewerkstatt zu finden sind, mit nahezu jeder Stahlsorte punktgeschweißt werden“, sagte Murphy.

Der OEM gibt die Design- und Leistungsanforderungen jeder Komponente im Fahrzeug vor. Daher arbeiten die MSC-Ingenieure bei der Materialauswahl, dem Gelenkdesign, den Ermüdungs- und Festigkeitskriterien sowie den Gewichtszielen eng mit den OEM-Designteams zusammen, sagte Murphy.

Ein leitfähiges Partikel im Inneren des Polymers macht das Material schweißbar. Nach Angaben des Unternehmens handelt es sich hierbei um das erste punktschweißbare Stahlverbundlaminat mit niedriger Dichte, das in einer Karosserieanwendung zum Einsatz kommt.

Natürlich stellen sich Fragen zu den Unterschieden zwischen MSC Smart Steel und monolithischem Stahl

Werkzeuge.Bei den Prägestempeln ist es wichtig, scharfe Beschnittstempel und enge Abstände am Beschnitt einzuhalten, um alle drei Schichten des Laminats zu durchschneiden, sagte Murphy.

Umformsimulation. Murphy sagte, dass Werkzeugkonstrukteure in der Vergangenheit viele ihrer Entscheidungen auf Erfahrung und Versuch und Irrtum stützten, um Aspekte wie Rückfederung und Formbarkeit vorherzusehen. Moderne Werkzeugkonstrukteure verlassen sich jedoch in hohem Maße auf Umformsimulationssoftware, um die gesamte Form zu entwerfen. „Heutzutage ist unsere Branche stark auf Vorhersagefähigkeiten angewiesen. Automobilstanzer verwenden Werkzeuge wie PAMSTAMP® oder AutoForm® für ihre Formkonstruktionen. Sehr oft konstruieren Formenbaubetriebe die Werkzeuge zu 100 % auf der Grundlage der Softwarevorhersage“, sagt er sagte.

Da es sich bei einem Laminat um ein mehrschichtiges Material handelt und jede Schicht deutlich unterschiedliche Eigenschaften aufweist, ist es wichtig, dass die Eigenschaften jeder Schicht separat und korrekt mit dem Umformsimulationsprogramm modelliert werden. Schlüsselattribute wie Rückfederung und Formbarkeit zeigen eine höhere Korrelation zwischen den Vorhersagen der Software und den tatsächlichen Prägungen, wenn Smart Steel in Schichten modelliert wird. „MSC arbeitet eng mit AutoForm-Ingenieuren sowie mehreren Werkzeug- und Formenbauern zusammen, um die Korrelation zwischen der Softwarevorhersage und dem tatsächlich gestanzten Teil zu optimieren“, sagte er und fügte hinzu, dass der Hauptfokus jetzt auf dem Ziehprozess und der Rückfederung liegt.

Finite-Elemente-Modellierung. Bei vielen gestanzten Fahrzeugteilen ist die Einhaltung der Blechbiegesteifigkeit von entscheidender Bedeutung. Ähnlich wie bei der Modellierung von Smart Steel für die Umformsimulation wird das Laminat auch mit drei diskreten Schichten für Finite-Elemente modelliert. Während die Eingabeeigenschaften für die Finite-Elemente-Analyse (FEA) unterschiedlich sind, ist die Kernschicht, die typischerweise 40 % der Querschnittsdicke des Materials ausmacht, von Bedeutung. Daher ist es erforderlich, dass beide Eigenschaften des Stahls und des Kerns in den Datenkarten enthalten sind. MSC führt häufig FEA für alle Zielanwendungen durch, stellt diese Daten aber auch Kunden für deren interne Analyse zur Verfügung, sagte er.

Die gleichen Verfahren zur Prüfung der Eigenschaften der Spannungs-Dehnungs-Kurve und der Umformgrenzkurve, die zur Bewertung von monolithischem Stahl und Aluminium verwendet werden, werden zur Bewertung von MSC Smart Steel und Smart Aluminium verwendet, sagte Murphy. „Für unsere prädiktive Stanzkorrelation stanzen wir Teile, scannen sie als 3D-Bild und vergleichen dann den Scan mit der Umformvorhersage. Durch die Bewertung verschiedener Modellierungsverfahren und Materialeigenschaften haben wir große Fortschritte gemacht.“

Wenn MSC Smart Steel anstelle von monolithischem Stahl zur Herstellung der Stoßstangenschale eines Lastkraftwagens verwendet wird, kann das Gewicht um 15 Pfund gesenkt werden. Bild mit freundlicher Genehmigung von Material Sciences Corp.

Recycelbar. Obwohl es sich um ein gemischtes Material handelt, kann das gesamte Laminat recycelt werden, da seine Polymer-Innenschicht aus leitfähigen Partikeln und Polymeren auf Kohlenstoffbasis besteht, sagte Murphy. Um die Recyclingfähigkeit in einem Test nachzuweisen, wurde das Laminat zu einem geschmolzenen Zustand geschmolzen und der Rest zur chemischen Analyse an ein Labor geschickt. Anschließend wurde die chemische Zusammensetzung mit einer monolithischen Stahltestprobe verglichen.

„Wir haben im recycelten Smart Steel nach etwas gesucht, was in monolithischem Stahl nicht zu finden wäre. Die Ergebnisse zeigten, dass die Proben sowohl in der chemischen Zusammensetzung als auch in der Menge ähnlich waren. Einige sind geringfügig höher oder niedriger, aber die Ergebnisse sind sehr konsistent.“ sagte Murphy.

Die Automobilindustrie habe sich stark auf die Notwendigkeit einer Gewichtsreduzierung konzentriert, aber jedes Fahrzeug habe andere Gewichtsziele, sagte Murphy. „Es kommt darauf an, wie hoch ihr Massenschwellenwert ist? Abhängig von der Größe der Lücke zwischen tatsächlichem Gewicht und Zielgewicht können Autohersteller extremere Maßnahmen ergreifen, um Gewicht zu sparen. Zum Beispiel den Umbau der Ford F-150-Karosserie von.“ „Stahl zu Aluminium“ war eine ziemlich mutige Strategie, um in diesem Segment Gewicht zu sparen.

Fords Einführung von Aluminium im Ford F-150 löste in der gesamten Branche viele Spekulationen aus, fügte er hinzu. „Würden General Motors und Dodge bei der bevorstehenden Neugestaltung ihrer Lkw komplett auf Aluminium umsteigen? Das haben sie nicht getan“, sagte Murphy. „Obwohl sie Aluminium selektiv verwendeten, verfolgten sie jeweils Strategien mit gemischten Metallen. Sie verwendeten Aluminium in bestimmten Teilen des Autos, wie Türen, Kotflügeln, der Heckklappe und der Motorhaube, während die Ladefläche selbst weiterhin aus Stahl besteht.“

Für die Gestaltung jedes Subsystems eines Fahrzeugs gibt es viele Materialoptionen. „Zum Beispiel könnten möglicherweise alle Kunststoffe, Aluminium, hochfester Stahl [AHSS] oder Magnesium für die gleiche Anwendung verwendet werden. Es gibt jedoch Kompromisse bei der Auswahl des einen gegenüber dem anderen. Während ein Material möglicherweise das niedrigste hat „Kostengünstig, es fügt möglicherweise die meiste Masse hinzu, erfordert die teuersten Werkzeuge oder hat die längste Zykluszeit. OEMs berücksichtigen all dies, wenn sie Materialien für Fahrzeuge auswählen“, sagte Murphy.

Ein weiterer wichtiger Faktor ist die Materialverträglichkeit. Obwohl Aluminium und Stahl weit verbreitete Fahrzeugmaterialien seien, erfordere ihre Verbindung äußerste Aufmerksamkeit, sagte er. Aufgrund des unterschiedlichen Elektrodenpotentials zwischen Aluminium und Stahl kommt es zu galvanischer Korrosion. Um dieses Problem zu lösen, werden typischerweise eines oder beide Materialien vor dem Zusammenbau beschichtet, um Korrosion zu verhindern.

„Alle diese Materialien können nicht überall verwendet werden“, fuhr Murphy fort. „Zum Beispiel würde man normalerweise keinen ultrahochfesten Stahl für eine Motorhaube verwenden. Er ist schwer zu formen und die Oberfläche wird nicht den Anforderungen an das Erscheinungsbild gerecht. Es gibt also andere Kriterien als das Gewicht, die bestimmen, wo all diese verschiedenen Materialien verwendet werden können.“ ."

Das Material sei in erster Linie für Anwendungen konzipiert, die Steifheit erfordern, und nicht für solche, die eine hohe Festigkeit erfordern, sagte Murphy. „Es gibt viele Stellen an einem Fahrzeug, an denen Smart Steel bei einer Gewichtsreduzierung von 35 % die gleiche oder eine höhere Steifigkeit aufweist. Wir zielen nicht auf die A-Säule, die B-Säule und Strukturkomponenten aus AHSS ab“, sagte Murphy.

„Die Teile, die wir ersetzt haben, sind bereits so dünn wie möglich, und wir können mit diesem Material sogar noch mehr Gewicht einsparen.“

Aufgrund seines hohen Steifigkeits-Gewichts-Verhältnisses ist das Laminat eine praktikable Option für Stanzteile, die Steifigkeit benötigen, wie z. B. Dachspriegel, geprägte Stoßstangen und Rohbau-Stanzteile, die typischerweise aus kaltgewalztem Stahl hergestellt werden Murphy.

In der Regel verfolgen Automobilhersteller für jede Fahrzeugkomponente eine Mischmaterialstrategie. MSC Smart Steel oder MSC Smart Aluminium können Teil dieser Strategie sein. Bild mit freundlicher Genehmigung von Material Sciences Corp.

Der erste Produktionsversuch des Smart Steel waren Anti-Flatter-Dachspriegel für Dachpaneele. „Die Dachpaneele von SUVs sind massiv und sehr dünn. Bei Autobahngeschwindigkeiten flattert das Dach tatsächlich im Mikrobereich und die Passagiere spüren einen lästigen Druckabfall in ihren Ohren, der als Dröhnen bezeichnet wird“, sagte Murphy. „Diese Spriegel versteifen also grundsätzlich das Dach und verhindern, dass es flattert. Ein steifer Dachspriegel ist für die Lösung dieses Problems von entscheidender Bedeutung, und MSC Smart Steel bietet ihn.“

Eine aktuelle Anwendung für das Material ist eine Stahlstoßstange für einen großen Lkw wie einen F-150 oder einen Silverado. „Im Allgemeinen verwendet der Markt für große Lkw in den USA immer noch eine Stoßstangenschale aus Stahl, die 35 bis 45 Pfund wiegt. Sie werden seit 100 Jahren so hergestellt. Stellen Sie sich eine Gewichtseinsparung von 30 % bei dieser Anwendung vor. Also statt.“ „Wenn Sie ein halbes Pfund bei einem Dachspriegel einsparen, sparen Sie bis zu 10 Pfund bei einer vorderen Stoßstange. Hier wird derzeit erheblich weiterentwickelt“, sagte Murphy.

Die maßgeschneiderte Stoßfängerschale ist asymmetrisch aufgebaut. Die sichtbare Oberfläche bzw. Außenhaut besteht aus HSLA 340 MPa und ist dicker als die Rückseitenhaut. Diese Qualität und Dicke wurden ausgewählt, da die Oberfläche des Stoßfängers kosmetischer Natur ist und den Anforderungen an Beulen genügen muss. Der Polymerkern ähnelt dem Dachspriegelkern mit einer Rückseitenhaut. Die daraus resultierende Gewichtseinsparung beträgt 30 bis 35 %. „Man sieht 8 bis 9 Pfund weniger vorne und wahrscheinlich noch einmal 6 Pfund hinten, also etwa 15 Pfund Gewichtseinsparung bei einem vollwertigen Lkw“, sagte Murphy.

MSC Smart Steel wurde für seine Materialinnovation mit drei Preisen ausgezeichnet: dem Award for Steel Excellence im Jahr 2014 vom American Metal Market, dem PACE Award von Automotive News im Jahr 2019 und dem Altair Enlighten Award im Jahr 2019.

Bild mit freundlicher Genehmigung von Material Sciences Corp.