MA-4, 10. Oktober 2013 J-M. SÉGAUD GANZHEITLICHE BETRACHTUNG VON EFFIZIENTEM LEICHTBAU.

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1 MA-4, 10. Oktober 2013 J-M. SÉGAUD GANZHEITLICHE BETRACHTUNG VON EFFIZIENTEM LEICHTBAU.

2 LEICHTBAU ALS SCHLÜSSELFAKTOREN ZUR SENKUNG DES CO2-AUSSTOßES VON FAHRZEUGEN. BMW GROUP FLOTTE NEUWAGEN g/km CO 2 BMW GROUP FLOTTE NEUWAGEN g/km CO 2 ZIELWERT EU g/km CO 2

3 EVOLUTIONÄRER ANSATZ: MATERIALSUBSTITUTION AM BEISPIEL ALU-GUSSTEILE.

4 EVOLUTIONÄRER ANSATZ: DER TREND ZU INTEGRALBAUTEILEN AUS ALUMINIUMGUSS TREIBT DEN MISCHBAU. Integration Guss, am Beispiel FBS hinten Integration Guss, am Beispiel Längsträger ZB Federbeintopf in Stahl: = 12 Teile Gewicht: 7,40 kg Federbeintopf in Aluminium: = 1 Teil Gewicht: 4,30 kg ZB Längsträger in Stahl: = 12 Teile Gewicht: 15,50 kg Längsträger in Aluminium: = 1 Teil Gewicht: 9,80 kg

5 LEICHTBAU. GRENZE DER MATERIALSUBSTITUTION. Stahl Alu E-Modul Dichte 7,85 2,7 Streckgrenze ~1 kg/m St-Rohr: D = 40mm, s = 1mm ~ 1kg/m Al-Profil: D = 40mm, s = 3mm ~ 0,98kg/m Bei Iso-Steifigkeit ist allein durch Materialsubstitution kaum noch Gewichtsvorteil mit Leichtmetall zu erreichen.

6 BMW LEICHTBAUANSATZ: AUF EVOLUTION UND REVOLUTION ZU SETZEN.

7 REVOLUTIONÄRER ANSATZ: NEUE KOMPONENTEN UND PROZESSE.

8 FUNKTIONSINTEGRATIONS- UND TOPOLOGIE OPTIMIERUNG BEIM GUSS. DIE RICHTIGE TECHNOLOGIE AN DER RICHTIGEN STELLE Topologie Optimierung Aluminium Strangpressprofil Gewicht: 100% Kosten: 100% Alu Druckguss Gewicht: 90% Kosten: 90% Hinterachsträger mit integrierten Federbeinaufnahme Motorträger 5-Lenkeranbindung Crash box Aufnahme Wagenheber

9 TROTZ DES INTEGRATIONS- UND LEICHTBAU-POTENZIALS BEIM GUSS ZWINGT DIE KOSTENSITUATION ZU DRASTISCHEN OPTIMIERUNGEN. 1. Die Auslegung des neuen Konzeptes muss den Funktionalitäten, Crash-, Akustik-, Festigkeits- und Steifigkeitsanforderungen genügen. 2. Die Gießtechnik muss angepasst werden. 3. Neuartige Fügetechnik in den Rohbau- und Montageprozessen muss integriert werden. Der Korrosions-schutz im Mischbau wird aufwändiger und muss abgesichert werden.

10 GLOBALE TECHNISCHE UND WIRTSCHAFTLICHE BETRACHTUNG BEI DER ANWENDUNG VON DRUCKGUSSKOMPONENTEN. Virtuelle Auslegung und Absicherung Steifigkeit Festigkeit Statische und dynamische Eigenschaften Crash Akustik Legierungsauswahl Gießprozess Werkzeugtechnik Trennmittel Maschinenverfügbarkeit Folgeprozesse Wärmebehandlung Bearbeitung Oberflächenbehandlung Schweißbarkeit Klebstoffhaftung Kaltfügetechnik Korrosionsschutz Logistik

11 GLOBALE TECHNISCHE UND WIRTSCHAFTLICHE BETRACHTUNG BEI DER ANWENDUNG VON DRUCKGUSSKOMPONENTEN. FK prop:15% Logistikkosten: 1-4% FK fix: 15% Ca. 35% Beeinflussung über optimalen Vergabemix d.h. Anlauf Haus und Befähigung externes Lieferantenetzwerk (Reduzierung Anlaufund Entwicklungskosten / Versorgungssicherheit) (optimaler Betriebspunkt Haus und externes Lieferantennetzwerk) Werkzeugkosten Ca. 4% Ca. 25% Beeinflussung über Fügetechnik und Rohbau. Ca. 40% Beeinflussung über frühzeitige gießgerechte Konstruktion und Berechnung (Gewicht / Legierung) Material (Aluminium): 38% KTL / Oberfläche 6% HelicoilEinsätze: 2% Mechanische Bearbeitung: 10% Wärmebehandlung 8%

12 GLOBALE TECHNISCHE UND WIRTSCHAFTLICHE BETRACHTUNG BEI DER ANWENDUNG VON DRUCKGUSSKOMPONENTEN. Virtuelle Auslegung und Absicherung Steifigkeit Festigkeit Statische und dynamische Eigenschaften Crash Akustik Legierungsauswahl Gießprozess Werkzeugtechnik Trennmittel Maschinenverfügbarkeit Folgeprozesse Wärmebehandlung Bearbeitung Oberflächenbehandlung Schweißbarkeit Klebstoffhaftung Kaltfügetechnik Korrosionsschutz Logistik

13 CRASHAUSLEGUNG VON GUSSBAUTEILEN SCHLIESSUNG DER SIMULATIONSKETTE. Virtuelle Auslegung und Absicherung Konstruktionsdaten Formfüllungs- und Erstarrungssimulation Werkstoff/ Crash- Charakterisierung Crashberechnung Methodik Verifizierung Crashprüfstand Komponenten- Crashberechnung Abgleich und Validierung am Fallturm

14 ANPASSUNG DER GIEßTECHNIK. PROZESSSTABILITÄT GEHT VOR. Bauteileigenschaften werden durch gute Gießeigenschaften der Legierung sichergestellt. Die weltweite Verfügbarkeit einer Legierung mit guten Gießeigenschaften ist Voraussetzung. Skalierbarkeit der Eigenschaften durch Variation des Mg-Gehaltes und Wärmebehandlung. Hierzu wurden bekannte Ansätze aus der Legierungsfamilie AlSi10MgMn kombiniert und optimiert. Virtuelle Auslegung und Absicherung Si Fe Mn Mg Sonstige AlSi10MgMn 10,0 10,8 0,25 0,47-0,57 0,38 0, ppm Sr Die Spuren- und Begleitelemente der Legierungen nach Norm Rm in MPa Rp 0,2 in MPa Bruchdehnung in % 0 3 mm 7 mm 0 Wandstärke Legierungszusammensetzung Statische Kennwerte Zustand F

15 GLOBALE TECHNISCHE UND WIRTSCHAFTLICHE BETRACHTUNG BEI DER ANWENDUNG VON DRUCKGUSSKOMPONENTEN.. Virtuelle Auslegung und Absicherung Steifigkeit Festigkeit Statische und dynamische Eigenschaften Crash Akustik Legierungsauswahl Gießprozess Werkzeugtechnik Trennmittel Maschinenverfügbarkeit Folgeprozesse Wärmebehandlung Bearbeitung Oberflächenbehandlung Schweißbarkeit Klebstoffhaftung Kaltfügetechnik Korrosionsschutz Logistik

16 WERKZEUGANFERTIGUNG. STÄHLE, VERGÜTUNG UND BESCHICHTUNGEN. Ursachen: Spannungen im Werkzeug Spannungen im Bauteil Hohe Fließgeschwindigkeiten Geringe Formschrägen Auswirkungen: Formrisse Bauteilrisse Konturverschleiß, Ausbrüche Klebeneigung Gezielter Einsatz von: Stählen mit hoher Kerbschlagzähigkeit Stählen mit hoher Wärmeleitfähigkeit Sonderabläufen in der Stahlvergütung PVD-Beschichtungen Seite 17

17 BESCHICHTUNGSARTEN VON DRUCKGIEßFORMEN. Nitrierung (hellgrau) und PVD-Beschichtung Gießprozess Typische Abnutzung: Normaler Oberflächenverschleiß Materialanhaftungen / Klebeneigung Spannungsrisse / Brandrisse Reduzierung Entformungskraft Massiver Oberflächenverschleiß Beschichtung: Nitrieren (nur Wechselteile) PVD-Beschichtung (nur Wechselteile) Hartmetallbeschichtung (im kompletten Konturbereich möglich) Hartmetallbeschichtung Oberflächenhärte HRC Hochhitzebeständig Seite 18

18 AKTUELL IST DRUCKGUSS NUR BEI BESCHRÄNKTEN STÜCKZAHLEN GEGENÜBER KONVENTIONELLEN KONZEPTEN SINNVOLL. Gießprozess Aufgabe: - Sprunginvest senken - Sprunginvest später Hauptfaktor für Werkzeuglebensdauer: Brandrisse durch Thermoschock beim Sprühen BMW Antwort: Konzentratsprühen

19 ANPASSUNG DER GIEßTECHNIK WERKZEUGTEMPERATUREN FAHRENDE SEITE. Gießprozess Konventionelles Sprühen (22l) Konzentratsprühen (100 ml) Beginn Formfüllung Beginn Formfüllung Entformzeitpunkt Entformzeitpunkt

20 FÜR DAS KONZENTRATSPRÜHEN IST DIE GENAUE THERMISCHE AUSLEGUNG DES WERKZEUGS VON ENTSCHEIDENDER BEDEUTUNG. Gießprozess Materialanhäufungen z. B. Schraubenbutzen Erstarrungslunker Konturnahe Kühlung durch Jet-Cooling Verkleinerung bzw. Verschiebung der Fehlstelle Mit Jet-Cooling nach 7 s Erstarrungszeit Ohne Jet-Cooling nach 7 s Erstarrungszeit Bilder Schaufler Tooling GmbH & Co. KG Seite 21

21 BAUTEILAUSLEGUNG WÄHREND DER GIESSWERKZEUGKONSTRUKTION STUFE 3: SIMULATION MIT SCHWERPUNKT TEMPERIERUNG. Input: - Aktueller Bauteilstand der Entwicklung - Positionen der Kühlkanäle - Gießform als einzelne Werkzeugkomponenten Seite 22

22 ANPASSUNG DER GIEßTECHNIK KONZENTRATSPRÜHEN, WASSER- UND ABWASSERMENGE. Gießprozess Einsparung von ca. 12 Liter Wasser und 6s Taktzeit ca. 5% mehr Anlagenkapazität Millionen Liter Vermeidung von ca. 1,3 Mio Liter Wasser+Abwasser ca Einsparung / Maschine / Jahr konventionelles Konzentratsprühen Sprühen konventionelles Konzentratsprühen Sprühen

23 GLOBALE TECHNISCHE UND WIRTSCHAFTLICHE BETRACHTUNG BEI DER ANWENDUNG VON DRUCKGUSSKOMPONENTEN. Virtuelle Auslegung und Absicherung Steifigkeit Festigkeit Statische und dynamische Eigenschaften Crash Akustik Legierungsauswahl Gießprozess Werkzeugtechnik Trennmittel Maschinenverfügbarkeit Folgeprozesse Wärmebehandlung Bearbeitung Oberflächenbehandlung Schweißbarkeit Klebstoffhaftung Kaltfügetechnik Korrosionsschutz Logistik

24 UNTERSCHIEDLICHE GROB-ENTGRATPROZESSE FLEXIBILITÄT REDUZIERT DIE EINMALAUFWENDUNG UND DIE RÜSTVORGÄNGE. Folgeprozesse Stanzen (klassisch) einer Heckklappe Plasmaschneiden einer Federbeinstütze (Erste Optimierung)

25 INNOVATIVE TRENN- UND ENTGRATPROZESSE ZUR REDUZIERUNG VON EINMALAUFWAND UND FLÄCHENBEDARF. Folgeprozesse Quelle: Fill Quelle: KUKA Quelle: CLEANLaser Quelle: Dölfes Robotergeführte Trennung Roboterfräsen Oberflächenbehandlung Fügetechnik

26 LEICHTBAU MIT DRUCKGUSSTEILEN. BEI VOLUMINÖSEN STRUKTURTEILEN IST DER TRANSPORT EIN ENTSCHEIDENDER KOSTENFAKTOR. Folgeprozesse Werk Berlin Werk Regensburg Werk München FIZ Werk Landshut Werk Dingolfing Werk Steyr Auftragsfertigung Magna Steyr Graz BMW Leichtmetallgießerei Landshut Lieferwege zu den direkten Kunden Forschungs- und Ingenieurszentrum Direkter Kunde der Leichtmetallgießerei Lieferanten für Schmelze, Masseln, Sand, Buchsen 100 km 2,50 W4.1 Beispiel: Logistikkosten je Teil / Instrumententafelträger Cockpit (Teile schlecht stapelbar).

27 GANZHEITLICHE BETRACHTUNG VON EFFIZIENTEM LEICHTBAU. FAZIT. Leichtbau wird durch die Notwendigkeit, die Emissionen zu reduzieren, immer wichtiger. Einer der zentralen Befähiger für den Leichtbau ist der Einsatz von Aluminiumgusskomponenten. Bei optimaler Nutzung der Vorteile von Guss wird dessen Anteil in modernen Fahrzeugkonzepten stark steigen. Die neuen Konzepte bringen neue Herausforderungen bei Design, Fertigung, Fügetechniken und Korrosionsschutz. Die gesamte Prozesskette inkl. Logistik muss neu überlegt werden.

28 VIELEN DANK FÜR IHRE AUFMERKSAMKEIT. Impressum: BMW Werk Landshut Leichtmetallgießerei Ohmstraße Landshut Tel: Wiedergabe, auch auszugsweise, nur mit Genehmigung 2012 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft