Der Leichtbau wird hybrid

VDMA

Marc Kirchhoff, neuer Vorsitzender der VDMA-AG Hybride Leichtbau Technologien, über den sinnvollen Materialmix bei Mischbauweisen im K-Magazin

Die VDMA-Arbeitsgemeinschaft Hybride Leichtbau Technologien wählte Ende Januar einen neuen Vorstand mit Marc Kirchhoff als ihrem neuen Vorsitzenden. Kirchhoff  ist Head of Industry- and Key Account-Management Automotive beim Hochtechnologieunternehmen Trumpf, dem Laserspezialisten aus Ditzingen. Laser werden zunehmend auch für das Fügen unterschiedlicher Werkstoffe eingesetzt. Das K-MAGAZIN befragte Marc Kirchhoff , wohin die Reise beim Mischbau mit Metallen, Kunststoffen und Faserverbundwerkstoffen geht.

Herr Kirchhoff , wozu braucht man eigentlich Bauteile aus hybriden Werkstoffen?
Marc Kirchhoff: Hybride Bauteile kombinieren Werkstoffe zu robusten leichten Produkten mit hoher Funktionsintegration. Darin vereinigen sich die optimalen Eigenschaften der jeweiligen Werkstoffe.

Das hört sich gut an, doch häufig bleiben die beteiligten Akteure aus der Metall- und Kunststoffbranche in ihren eigenen Werkstoff welten und schauen selten über den Tellerrand.
Marc Kirchhoff: Genau hier setzt die Arbeitsgemeinschaft Hybride Leichtbau Technologien des VDMA an. Im VDMA mit seinen Fachverbandsstrukturen sind die Ver- und Bearbeitung aller Werkstoffe und die zugehörigen Produktionstechnologien vertreten. In der AG bringen wir diese Kompetenzen werkstoffübergreifend entlang der Wertschöp-fungskette zusammen. Der Erfahrungsaustausch mit Anwendern und der Zulieferindustrie sowie Forschungseinrichtungen aus dem Mitgliederkreis trägt dabei wesentlich zur Entwicklung innovativer Produktionsprozesse bei.

Beim hybriden Leichtbau geht es um mehr, als nur Gewicht zu sparen. Welche Funktionen sind nur hybrid möglich?
Marc Kirchhoff: Eine Werkstoffkombination bietet an sich bereits einen funktionalen Vorteil, da damit die jeweiligen Werkstoffeigenschaften optimal genutzt werden können. Dies führt in der Regel zu einer Reduktion an Einzelteilen und erhöhter Produktivität. So lässt sich etwa die Auslegung crashrelevanter Bauteile im Automobilbau wesentlich vereinfachen oder in der Elektromobilität die Einhausung von Batteriemodulen konstruktiv neu gestalten.

Dennoch sieht man hybride Bauteile noch relativ selten.
Marc Kirchhoff: Das wird sich ändern, wenn serientaugliche Prozesse zum Einsatz kommen, auf die insbesondere die Automobilindustrie setzt. Entsprechend wurden Thermoformverfahren für Organobleche in Kombination mit Spritzguss, unidirektionalen Tapes und metallischen Werkstoffen entwickelt, die genügend kurze Zykluszeiten gewährleisten. Mittler weile kann man auf automatisierte Fügetechnologien für thermoplastische Faserkunststoffverbunde und Metallstrukturen zurückgreifen. Anwendungsbeispiele sind Frontend-Systeme, Cockpitträger, Leichtbausäulen und -türen in Fahrzeugen.

Was sind denn dabei die derzeit noch größten Herausforderungen?
Marc Kirchhoff: Die grundsätzliche Herausforderung besteht in der Kombination unterschiedlicher Materialien. Eine Fertigung im Multi materialdesign muss automatisiert und flexibel gestaltet werden. Dabei sollten die Verbindungen zwischen verschiedenen Werkstoffen bereits im Prozess integriert sein. Resultierende Fertigungslinien setzen sich modular aus Einzelkomponenten zusammen und benötigen eine Basissteuerung mit vereinheitlichten Schnittstellen.
Das kürzlich abgeschlossene BMBF-Projekt „Modulare Produktionsanlage für hochbelastbare Hybridbauteile – Mopahyb“ hat sich unter Beteiligung von Trumpf und der VDMA-AG mit diesen Fragestellungen befasst.

Gibt es Fertigungs- und Fügeverfahren, die sich bereits etabliert haben?
Marc Kirchhoff: Abhängig von den Werkstoffen kommen Fertigungsverfahren wie Druck- und Spritzgießen, Formpress-, Harzinjektions- und additive Verfahren zum Einsatz. Die Fügeverfahren teilen sich abhängig von den Werkstoffkombinationen in die Bereiche Umformen, Schweißen, Löten und Kleben auf. Die Arbeitsgemeinschaft hat dazu 2018 einen Leitfaden Hybride Leichtbautechnologien mit aktuell 31 Technologiesteckbriefen zu Fertigungs- und Fügeverfahren veröffentlicht.

Können Sie einzelne Technologietrends beim hybriden Leichtbau ausmachen?
Marc Kirchhoff: Zielsetzung im hybriden Leichtbau ist die Serienfertigung von Bauteilen mit hoher Funktionsintegration und Stabilität in einer Fertigungszelle. Daraus leiten sich als Technologietrends ein stoffschlüssiger Verbund zwischen Thermo- und Duroplasten und die Verbindung thermoplastischer Faserverbundstrukturen mit Metallen ab.
Verfahren der intrinsischen Hybridisierung, in der Formgebung und Verbindungen von Metall und Faserverbund in einem Prozessschritt erfolgen, sind in der Fertigung derzeit wegweisend. Zum Tragen kommen dabei thermoplastische Prozesse mit kurzen Zykluszeiten. Zu den neueren Entwicklungen im metallischen Leichtbau zählt das Innenhochdruckverfahren kombiniert mit Spritzgießprozessen.

Den 3D-Druck haben Sie nicht genannt. Spielen additive Fertigungsstrategien beim hybriden Leichtbau keine Rolle?
Marc Kirchhoff: Doch. Außerhalb der Großserie bieten additive Fertigungsverfahren ein hohes Leichtbaupotenzial sowohl für metallische als auch für Kunststoffanwendungen. Die Technologie erlaubt neben der Materialeinsparung konstruktionsbedingt die Einbindung bisher nicht möglicher Funktionalitäten. Mittlerweile wird auch an qualitativ hochwertigen additiv gefertigten Faserverbundbauteilen gearbeitet.

Richten wir den Blick einmal weg von der Technik hin zu den Anwendungen. Wo sind hybride Bauteile sinnvoll? Und wo nicht?
Marc Kirchhoff: Hybride Bauteile sind dann besonders sinnvoll, wenn sie Produktionsprozesse vereinfachen, neue Funktionen oder eine erhöhte Funktionsintegration ermöglichen und Nachhaltigkeitsansprüchen gerecht werden. Der Mobilitätsbereich ist hier besonders prädestiniert, zumal alternative Antriebe Möglichkeiten für neue Konstruktionsprinzipien eröffnen. So bringt die Einbindung von Batterien für Elektrofahrzeuge hohe Anforderungen etwa an die Crashsicherheit oder an das Thermomanagement mit sich. Entsprechende Leistungsprofile übertragen sich auf die Verwendung geeigneter Werkstoffe und deren Verarbeitung.

Da stellt sich die Frage: Wie hybrid wird der Leichtbau der Zukunft sein?
Marc Kirchhoff: Der hybride Leichtbau wird sich in dem Maße etablieren, wie sich die jeweiligen Werkstoffe und die Fertigungs- und Fügetechnologien weiterentwickeln. Beides bedingt sich wechselweise. Zudem unterliegen Leichtbaulösungen bestimmten Anforderungen, die erfüllt werden müssen. Nur dort, wo die Kombination verschiedener Materialien neben einer Gewichtsreduktion auch Funktions- oder Kostenvorteile bietet, sind Mischbauweisen gefragt. Sie setzen sich durch, sofern sie Ressourcen und Energie bei der Produktion und im Produktlebenszyklus effizienter einsetzen. Hierbei werden künftig auch Recyclingfragen ausreichend Berücksichtigung finden.

Stichwort Recycling: Hat ein stoff schlüssiger Multimaterialmix nicht gerade hier seine Schwäche? Schließlich könnte das Trennen der verschiedenen Stoffe sehr aufwendig sein.
Marc Kirchhoff: Die Produktionsprozesse im hybriden Leichtbau werden zunehmend auf Abfallvermeidung und Recyclingmöglichkeiten am Ende vom Lebenszyklus ausgelegt. Zudem entwickelt sich nicht nur die Fügetechnik, sondern auch die Entfügetechnik weiter. Doch sollten wir bei hybriden Bauteilen den Blick nicht nur auf das Recycling richten, sondern auf deren Nachhaltigkeit während der Nutzungsphase erweitern.

Das dürfen Sie näher erläutern …
Marc Kirchhoff: Man denke nur an Kraftstoffverbrauch und Schadstoffausstoß. Im Flugzeugbau hat der hybride Leichtbau den Nachhaltigkeitsanspruch bereits eindrucksvoll bestätigt. Derzeit übernimmt die Automobilindustrie die Treiberfunktion für den Wettbewerb unter den Werkstoffen. Es gilt, das enorme Potenzial zur Einsparung von Rohstoffen und zur Reduktion der Schadstoffe durch den Einsatz von Multimaterialdesign im Pkw- und Nutzfahrzeugbereich, aber auch für Schiene und Schiffbau zu heben.

Wie entwickelt sich derzeit der Markt für hybriden Leichtbau insgesamt? Welche Technologien und welche Anwendungen sind besonders gefragt?
Marc Kirchhoff: Bei den Werkstoffen sehen wir im Faserverbundbereich eine stark wachsende Bedeutung thermoplastischer Anwendungen gegenüber Duroplasten, da Treibermärkte wie der Automobilbau auf kurze Zykluszeiten setzen. Vom Marktvolumen wesentlich größer ist allerdings der Einsatz von hochfesten Stählen und Aluminium. Bei den Anwendungen sehen wir eine besondere Dynamik durch Elektromobilität, hier beobachten wir weltweit entsprechend hybride Leichtbaulösungen. Und bei den Technologien sind derzeit die Warmumformung, das Innenhochdruckverfahren und thermoplastische Faserverbunde mit Metallanbindung gefragt.

Welche wesentlichen Innovationen braucht es noch, dass sich die Hybridtechnologie weitläufiger durchsetzen kann?
Marc Kirchhoff: Das Portfolio der Fertigungs- und Fügeverfahren für hybride Leichtbaulösungen ist bereits sehr umfangreich. Es fehlt allerdings häufig noch an Umsetzungen für Serienanwendungen. Dazu müssen Einzelprozesse in einer Fertigungslinie modular integriert werden. Flexible Konfigurationen mit vereinheitlichten Kommunikationsprotokollen und -schnittstellen öffnen hier den Weg zu Plug-and-Work-Architekturen, die künftig in einem Produktionsumfeld unter Industrie-4.0-Bedingungen unerlässlich sind.

Richten wird den Blick noch weiter in die Zukunft: Was sind die hybriden Bauteile in 15 oder 20 Jahren?
Marc Kirchhoff: Die Zukunft sind funktionale Oberflächen und solche mit Selbstheilungsfunktion. Sie reagieren auf die Umgebung und ermöglichen nach Nutzung ein problemloses Entfügen und Trennen der Komponenten zur Aufbereitung in Recyclingprozessen.

Matthias Gutbrod

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