Hochleistungswerkstoffe zur Reduzierung der CO2- Emissionen im Werkstoffprogramm des BMBF

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1 Hochleistungswerkstoffe zur Reduzierung der CO2- Emissionen im Werkstoffprogramm des BMBF (Ausführungen zur Broschüre Klimaschutz durch Werkstoffinnovationen im Automobilbau )

2 2 Einleitung Anliegen der Broschüre ist es, die gegenwärtig im Werkstoffprogramm des BMBF geförderten Materialentwicklungen zu dokumentieren, die einen Beitrag zur Kraftstoff- bzw. CO 2 -Einsparung im Automobilbau liefern. Aktuell mit dem Stand von August 2007 leisten zu dem Thema 20 industriegeführte Verbundvorhaben mit 117 Partnern innovative Forschungsarbeiten. Der Förderanteil an den Gesamtkosten von ca. 82 Mio. Euro beträgt ca. 44 Mio. Euro. Die Zielrichtung der Vorhaben konzentriert sich dabei überwiegend auf Materialentwicklungen für: Antrieb (Zylinderlaufbahn, Kolben, Diesel-Einspritzsysteme, Pumpen, Pleuel), Abgasstrang (Partikelfilter, Rußfilter, Abgassensor), Transport/Speicherung von Energie (Batterien in Hybridfahrzeugen, Hochleistungselektroden für automobile Brennstoffzelle), Strukturbauteile (Karosserie). Einerseits zeigen die Fördervorhaben den dringenden Handlungsbedarf nach einer verbesserten Fahrzeugtechnologie, einem verstärkten Einsatz von alternativen Kraftstoffen und Leichtbaumaßnahmen. Auf der anderen Seite zeigen sie deutlich, dass die deutsche Automobilindustrie substanzielle Anstrengungen zum Umweltschutz unternimmt und schon seit längerer Zeit begonnen hat, CO 2 - Emissionen überproportional zu senken. Beispielsweise wird für neue Antriebskonzepte in breiter Front Forschungs- und Entwicklungsarbeit geleistet. Dabei setzt die Automobilindustrie neben Alternativen Kraftstoffen auch auf neue Potenziale der Dieseltechnologie mit zukunftsweisenden Downsizing- Konzepten, die zu hohen Leistungen bei niedrigem Verbrauch führen. Notwendigerweise ist die Werkstoff-Forschung die Basis für die Entwicklungen dieser neuen Technologien, die hohe Forschungsleistungen aus mehreren Branchen und Forschungseinrichtungen erfordern. Das BMBF trägt mit dem Werkstoffprogramm WING diese risikoreichen Entwicklungen im Vorfeld der Anwendung mit. Die Bundesregierung leistet dadurch einen erheblichen Beitrag zum Energie- bzw. Kraftstoffsparen und zum Klimaschutz. Dipl.-Ing. Madeleine Dietrich Projektträger Jülich - Geschäftsbereich NMT Forschungszentrum Jülich GmbH D Jülich Telefon: / Telefax: / m.dietrich@fz-juelich.de

3 3 Mit Materialeffizienz und neuen Materialentwicklungen zu weiterer Reduzierung von Kraftstoffverbrauch und CO2-Emissionen Die Bundesregierung will mit einem umfangreichen Programm künftig Energie sparen und dem Klimawandel entgegensteuern. Dass Forschung ein zentraler Bestandteil der Energiepolitik ist, wird vom BMBF im Dialog mit der deutschen Automobilindustrie besonders deutlich gemacht. Auf einem Treffen mit Forschungs- und Entwicklungschefs deutscher Automobilhersteller und Zulieferer im März 2007 wurde von Frau Dr. Schavan, Bundesministerin für Bildung und Forschung, dazu aufgerufen, das enorme Innovationspotenzial der Branche noch stärker für den Klimaschutz zu mobilisieren. Verbesserung der Fahrzeugtechnik und Einsatz von alternativen Kraftstoffen waren u.a. die identifizierten Forschungsfelder zur CO2-Einsparung im Automobilbereich. Die Vertreter der Automobilindustrie und das BMBF definierten drei Bereiche auf die künftig die Forschungsaktivitäten zur weiteren CO2- Reduzierung konzentriert werden sollen: Effizienzsteigerung bei Fahrzeug- und Antriebstechnologien, Stärkung von alternativen Kraftstoffen zum Beispiel Biokraftstoffe der zweiten Generation und Wasserstoff, -Optimierung von Verkehrsmanagement und Infrastruktur. Vor allem im Bereich der Fahrzeug- und Antriebstechnik kann durch die konsequente Fortführung des Leichtbaus, die weitere Verbesserung der motorischen Antriebe, die Entwicklung neuer Verbrennungsverfahren, ein intelligentes Energiemanagement und Hybridkomponenten der Kraftstoffverbrauch deutlich gesenkt werden. Beispiel für metallischen Leichtbau im Antrieb: Aluminium-Magnesium-Verbundkurbelgehäuse (Quelle: Fa. BMW) Das BMBF hat schon frühzeitig auf diesen Entwicklungstrend reagiert und mit dem Start des neuen Werkstoffprogrammes Werkstoffinnovationen für Industrie und Gesellschaft WING im Jahr 2004 Leichtbauwerkstoffe als eines der Handlungsfelder definiert. Als eigenes Handlungsfeld im Werkstoffprogramm WING nimmt der Leichtbau mit hoher Hebelwirkung für eine Ressourcenschonung eine besondere Stellung ein. Leichtbau reduziert über direkte und indirekte Effekte den Energieverbrauch und die Schadstoffemissionen nicht nur in der Automobilindustrie sondern auch in anderen industriellen Anlagen und im Turbinenbau.

4 4 Anteil von Al-Mg-Leichtbauwerkstoffen im Porsche (Quelle: Fa. Porsche) Beispiele für metallischen Leichtbau: Getriebegehäuse aus Magnesium, Pleuel aus Titan, Ventile und Turboladerrotoren aus Titanaluminid und Bremsscheiben aus partikelverstärktem Aluminium (Quelle: Fa. DaimlerChrysler) Zu Beginn des Jahres wurde eine Bekanntmachung des Projektträgers Jülich PtJ-NMT im Auftrag des BMBF zum Thema Funktionsintegrierter Leichtbau initiiert, die auf sehr großes industrielles Interesse stieß. Die Begutachtung der 92 eingegangenen Projektvorschläge für diese Fördermaßnahme ist abgeschlossen. 15 Verbundprojekte mit einem Gesamtzuwendungsbedarf von 25 Mio. Euro wurden zur Förderung ausgewählt. Die 15 Konsortien mit insgesamt 98 Partnern, davon 67 aus der gewerblichen Wirtschaft, befinden sich derzeit in der Antragsphase. Neben 25 Klein- und Mittelständigen Unternehmen und 13 Hochschulinstituten werden weitere 17 Forschungseinrichtungen und eine Fachhochschule gefördert. Mit dem Start der meisten Verbünde ist zum zu rechnen. Wälzlager mit keramischen Komponenten: Minimierung der Reibung und des Schmierstoffeinsatzes, Energie- und Gewichtseinsparung (Quelle: Fa. CEROBEAR)

5 5 Vor dem Hintergrund mangelnder Verfügbarkeit von Rohstoffen, steigendem Energiebedarf, Gesundheits- und Umweltschäden wie z. B. durch Abgase und Treibhausgase wird für die Unternehmen in Deutschland die Herstellung von energie- und materialeffizienten Produkten zwingend notwendig. Auf dem VDI-Expertenforum gemeinsam mit dem BMWi im Februar 2007 in Dresden wurde festgestellt, dass Material- und Energiekosten im verarbeitenden Gewerbe fast 50 % der Gesamtkosten eines Produktes betragen (vergleichsweise ca. 20 % der Kosten entfallen auf den Einsatz von Personal). Aus diesen Gründen fördert das BMWi ein Impulsprogramm Materialeffizienz (hier: konstruktive und produktionstechnische Herangehensweise) und den Aufbau entsprechender Netzwerke. Schichten aus Kubischem Bornitrid: Hochleistungsschichten tragen im zunehmenden Maße dazu bei, Reibungsverluste zu vermeiden, damit Energie zu sparen und Leichtbau in der Automobilindustrie zu betreiben. (Quelle: Fraunhofer IST) Immer noch wird das Materialeffizienzpotenzial, vor allem vor dem Hintergrund der Energieeinsparung, deutlich unterschätzt. Gerade ein materialeffizienter Einsatz von Bauteilen trägt wesentlich zur Energieeffizienz d. h. zu einem sparsamen Umgang mit Energie bei. Das betrifft vorrangig auch die bisher kommerziell eingesetzten Werkstoffe in der Automobilindustrie (z. B. Stahl, Aluminiumlegierungen und Kunststoffe), die durch die Entwicklung neuer Herstellverfahren oder Legierungsoptimierungen eine deutliche Steigerung ihres Einsatzpotenzials erfahren können. Das BMBF beabsichtigt daher FuE-Projekte im Werkstoffprogramm WING zum Thema "Höchstleistungswerkstoffe für mehr Energieeffizienz und CO2-Einsparungen: Leistungssprünge in energetischen Umwandlungsprozessen" zu fördern und damit einen Beitrag zum Klimaschutz zu leisten. Es ist erwiesen, dass nur durch eine deutliche Einsatzpotenzialsteigerung der Materialien auch Effizienzsteigerungen bei der Stromerzeugung und bei Antriebstechniken von Straßenfahrzeugen und Flugzeugen erreicht werden können. Im Zentrum der Bekanntmachung stehen Entwicklungen neuer oder entscheidend verbesserter Werkstoffe, die aufgrund erweiterter Belastungsgrenzen Steigerungen der Leistungsdichten und des Wirkungsgrades energetischer bzw. motorischer Umwandlungsprozesse ermöglichen. Die industriellen Verbundprojekte sollen auch zu einer deutlichen Erhöhung von Zuverlässigkeit, Sicherheit und Lebensdauer kritischer Komponenten besonders in der Energie- und Fahrzeugtechnik, im Maschinenbau und in der Luftfahrt beitragen. Der Projektträger PtJ-NMT erwartet im Dezember 2007 die Projektvorschläge zu dieser Förderinitiative.

6 6 Beispiel für Abgasnachbehandlung: Lambdasonde: Bei Bosch lief kürzlich die 400millionste Lambdasonde vom Band. Vor 30 Jahren brachte Bosch den Abgassensor auf den Markt. Die Innovation ermöglichte den geregelten Katalysator und half so, Benzinmotoren äußerst sauber zu machen. Bosch produziert jährlich mehr als 40 Millionen Lambdasonden in Deutschland, in den USA, in Korea sowie in China und ist damit Weltmarktführer. Bosch entwickelt im WING-Fördervorhaben NanoHoch (Beschreibung im Anhang) neue Abgassensoren auf der Basis von Halbleitern. (Quelle: Fa. Robert Bosch)

7 7 Auflistung der vom BMBF in WING geförderten Werkstoffentwicklungen mit dem Ziel der Reduktion des Kraftstoffverbrauches und der CO2-Emissionen im Automobil Akronym Förderkennzeichen Bekanntmachung Bauteil, Werkstoff Anwendung 03N3122 TiAl Initiativprojekt 03X0003 NaCoLab Leitinnovation Nanomobil 03X0004 NanoHoch Leitinnovation Nanomobil 03X0509 OPTI-MAT Werkstoffsimulation 03X2015 KonnEkt Neue katalytische Prozesse 03X2508 HYDRANO Leitinnovation NanoMobil 03X2512 OTRISKO Ressourceneffiziente Werkstoffe 03X2513 Hydroglide Ressourceneffiziente Werkstoffe γ-tial für den ultraleichten Kurbelbetrieb (Pleuel) Benzin-, Dieselmotor, beschichten der Zylinderlaufbahnen mit Nanopartikel (Eisenkarbide, Eisenboride) Für PKW und Nutzfahrzeuge, hochtemperaturstabile Abgassensoren auf Halbleiterbasis Entwicklung und Validierung industriell einsetzbarer Softwaretools zur Simulation des Werkstoffverhaltens in thermisch und mechanisch hoch belasteten Motor-Komponenten Automobile Brennstoffzellen, Entwicklung langzeitstabiler Hochleistungselektroden, Membran-Elektrode-Einheiten (MEA) der Katalysatorschichten Gleitkontakte in Radialkolbenpumpen für Steuerung und Regelung der Fahrdynamik (ABS, ASR, Bremse, ESP), nanotribologische Beschichtungssysteme Benzin-, Dieselmotor, Kohlenstoffschichten in Getrieben und Hilfsaggregaten, Beschichtung von Wälzlagern für den Antriebsstrang, auch für Turbolader, Pumpen, Gebläse Hochbeanspruchte Motorenbauteile (Tassenstößel, Steuerkolben), DLCBeschichtung mit hydrophilen Eigenschaften Gewichtseinsparung, Leichtbau, Kraftstoffeinsparung Deutliche Senkung der Reibungsverluste im Motor, geschätzte Kraftstoffeinsparung bis 4% Neue Plattformtechnologie für zukünftig kostengünstigere, leistungsfähigere Abgasnachbehandlungssysteme Gewichtseinsparung, Leichtbau, Kraftstoffeinsparung Alternative Antriebskonzepte, Energie- und Kraftstoffeinsparung Senkung der Reibungsverluste, Wirkungsgradverbesserung, Steigerung von Drehzahl, Erhöhung der Einsatzgrenzen Deutliche Senkung der Reibungsverluste, Ersatz der Gleitlager (hoher Schmiermittelbedarf) durch höher belastbare Wälzlager, Kraftstoffeinsparung Deutliche Senkung der Reibungsverluste im Motor, Einsatz von Bauteilen, die unter Ölmangelschmierung und in additivem Wasser reibungsarm laufen, Wirkungsgradverbesserung

8 8 Akronym Förderkennzeichen Bekanntmachung Bauteil, Werkstoff Anwendung 03X3002 EIS Gradientenwerkstoffe Schwerkraft- oder Niederdruckgießtechnik, in-situ Herstellung abrasiver Verstärkung an der Lauffläche von Aluminium-Motorblöcken (Zylinderkurbelgehäuse) Senkung der Reibungsverluste im Motor, Kraftstoffeinsparung 03X3004 Hohlkugeln Initiativprojekt Abgasnachbehandlungseinrichtungen (Schalldämpfer, Partikelfilter), metallische Hohlkugelstrukturen Abgasnachbehandlung, Emissionsbegrenzung, erheblicher Beitrag zur CO2- Reduktion bei Dieselmotoren 03X3007 Nano-MMC Leitinnovation Nanomobil Motor, neuer, leichter Al- MMC-Kolben (auch Pleuel und Einlassventil möglich) Gewichtseinsparung bis 15 %, Leichtbau, Kraftstoffeinsparung 03X3008 PM-Alu- Hochleistungswerkstoffe Leitinnovation NanoMobil Entwicklung eines PM- Aluminium-Leichtbaustößels, Kombination mit leichten Ventilen weitere sekundäre Gewichtseinsparungen sind Teil der Untersuchungen Leichtbau im Ventiltrieb, Kraftstoffeinsparung 03X3010 Thermoplast Initiativprojekt Kraftfahrzeugsicherheitskomponenten (für Kraftstoffverteiler, Ventile, Hauptbremszylinder u.a.), hochfeste und zyklisch kriechbeständig verstärkte Thermoplaste Gewichtseinsparung, Leichtbau, Kraftstoffeinsparung 03X3011 Thermoplastische FKV Initiativprojekt Großflächige Strukturbauteile für Verkehrstechnik (Blattfedern, Lenkerfedern), Thermoplastische FKV mit gezielter nanotechnologischer Modifikation Gewichtseinsparung, Leichtbau, Kraftstoffeinsparung 03X3012 3M Initiativprojekt Magnesiumblech- Umformung, Herstellung als Karosseriebauteil und andere Blechanwendungen im Auto 03X3013 LEA Initiativprojekt unter Berücksichtigung moderner Simulationswerkzeuge Test des Werkstoffpotentials von ADI für den Bereich der Großgetriebe Gewichtseinsparung, Ultraleichtbau, Kraftstoffeinsparung Gewichtseinsparung, Leichtbau, Kraftstoffeinsparung 03X3502 CorTRePa Ressourceneffiziente Werkstoffe 03X3505 REALIBATT Ressourceneffiziente Werkstoffe Dieselpartikelfilter, Cordierit- Werkstoff als Substratmaterial, mit integrierter katalytischer Funktionalität Lithium-Ionen-Batterien für Anwendungen in Hybridfahrzeugen Abgasnachbehandlung, erheblicher Beitrag zur CO2- Reduktion bei Dieselmotoren Höhere Energiedichte, Verbesserung der elektrochemischen Eigenschaften, Reduzierung des Verbrauchs an fossilen Energieträgern

9 9 Akronym Förderkennzeichen Bekanntmachung Bauteil, Werkstoff Anwendung 03X3506 KREM Ressourceneffiziente Werkstoffe 03X3509 HPMat Ressourceneffiziente Werkstoffe Rußfilter für Diesel- und Ottomotoren Hydraulikkomponenten im Bereich der Dieseleinspritzsysteme, Stahl-Hartstoff- Verbund mit neuen Formgebungsverfahren Abgasnachbehandlung, deutliche Einsparung von Kraftstoff im Motor (Verkürzung der Warmlaufphase, Kraftstoffeinsparung beim Kaltstart) Beherrschung höchster Einspritzdrücke, signifikante Reduzierung der Emissionen

10 10 WING-Fördervorhaben zur Kraftstoffeinsparung im Automobilbau Mit dem aktuellen BMBF-Werkstoffprogramm WING soll vor allem die Innovationskraft der Unternehmen in Deutschland, unter Berücksichtigung des gesellschaftlichen Bedarfs und der Nutzung von Forschung/Technologie für nachhaltige Entwicklungen, gestärkt werden. In einem ganzheitlichen Ansatz werden werkstoffbasierte Produktinnovationen generiert und gleichzeitig dem gesellschaftlichen Bedarf an aktuellen Werkstoffentwicklungen, aber auch Nachhaltigkeitsaspekten, Rechnung getragen. Mit den in der Tabelle aufgelisteten Forschungsvorhaben werden Werkstoffinnovationen gefördert, die dazu beitragen, die Wettbewerbsfähigkeit der deutschen Industrie vor allem auf technologiegetriebenen und leistungsstarken Gebieten wie der Automobilindustrie weiter zu stärken und damit qualifizierte Arbeitsplätze zu erhalten und weitere zu schaffen. Beispiel: Zurzeit ist der Einsatz von ultraleichten CFK-Strukturen (grün) aus Kosten- und Verfügbarkeitsgründen nur in Luxus-Limousinen oder in Formel-1-Rennwagen möglich (Quelle: Fa. Ford) In den dargestellten 20 industriegeführten Materialentwicklungsvorhaben sind 117 Projektpartner involviert, wobei es sich um 38 Forschungseinrichtungen, 16 KMU und 8 in Deutschland ansässige Automobilunternehmen handelt. Demnach werden anteilmäßig etwa 50 % Großunternehmen gefördert überwiegend Zulieferfirmen der Automobilindustrie, wobei sich die Fa. Robert Bosch, als größter Automobilzulieferer, federführend an 6 unterschiedlichen Entwicklungsvorhaben beteiligt. Die gegenwärtigen Fördervorhaben Materialentwicklung zur Kraftstoffeinsparung in WING können statistisch wie folgt zusammengefasst werden: Von den 20 Verbundvorhaben wurden 14 Vorhaben über Bekanntmachungen im Bundesanzeiger ausgeschrieben und 6 Vorhaben als Initiativprojekte eingereicht. In ca. der Hälfte der Fördervorhaben werden Hochleistungswerkstoffe mit Hilfe der Nanotechnologie entwickelt. In 5 Verbundvorhaben finden Werkstoffentwicklungen mit Hilfe von Hochleistungsschichten statt.

11 11 Die Gesamtzuwendungssumme für die 20 Fördervorhaben zur Kraftstoffeinsparung im Automobilbau beträgt ca. 44 Mio. Euro bei einer Gesamtsumme der veranschlagten Kosten von ca. 82 Mio. Euro. Die Laufzeiten der dargestellten Vorhaben bewegen sich von 2004 bis 2010 (Laufzeiten der Einzelvorhaben: 3 Jahre). Innerhalb des Werkstoffprogramms WING fördert das BMBF insgesamt Vorhaben mit einem jährlichen Budget bis zu ca. 85 Mio. uro, d.h. zurzeit werden ca. 17 % der Zuwendungssumme für Fördervorhaben zur Kraftstoffeinsparung im Automobilbau ausgegeben. Der Anteil wird sich ab 2008 auf geschätzte 25 % erhöhen mit den bis Januar zur Bewilligung gebrachten Forschungsvorhaben aus der BMBFBekanntmachung Funktionsintegrierter Leichtbau und den Fördervorhaben aus der neuen Bekanntmachung Höchstleistungswerkstoffe für mehr Energieeffizienz und CO2-Einsparungen. Durch diese deutliche Erhöhung der Zuwendungssumme für zukünftige Werkstoffanwendungen mit einem hohen Emissions- und Kraftstoffeinsparpotenzial in der Automobilindustrie reagiert das BMBF direkt auf das Programm der Bundesregierung, künftig Energie zu sparen und dem Klimawandel entgegenzusteuern. Zylinderlaufbahn nach Nano-Beschichtung mit dem PTWA-Prozess im Ford-Motor (Fördervorhaben NaCoLab) (Quelle: Ford) Der überwiegende Teil der zurzeit geförderten Werkstoffentwicklungen beschäftigt sich mit einem der genannten Entwicklungsziele in der Automobilindustrie: Effizienzsteigerung bei Antriebstechnologien. Die Materialforschungsaktivitäten dazu befassen sich mit der deutlichen Steigerung des Einsatzpotenzials der identifizierten Bauteile: Zylinderlaufbahnen, Kolben, Diesel-Einspritzsysteme, Pumpen, Tassenstößel, Turbolader und Steuerkolben. Um die übergeordneten Ziele in der Automobilindustrie - Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs und der CO2-Emissionen in den nächsten Jahren zu erreichen, sind enorme Entwicklungsarbeiten zur Reduzierung des Fahrzeuggewichts, zur Realisierung von Downsizingkonzepten und zur Senkung der motorischen Reibungsverluste notwendig. Die Automobilindustrie ist sich einig darüber, dass die Kolbengruppe zu den größten Reibungsverlusten im Motor beiträgt und das größte Potenzial für Maßnahmen zur Reduzierung der Reibung und damit zur Kraftstoffeinsparung bietet. Im Zuge des Leichtbaus wurden in den letzten beiden Jahrzehnten die schweren Graugussmotorblöcke durch Aluminiumblöcke mit eingegossenen Grauguss-Linern ersetzt. Diese Liner haben jedoch

12 12 den Nachteil (neben den hohen Kosten und dem immer noch hohem Gewicht) der unterschiedlichen Ausdehnung und daher der inhomogenen Deformation der Zylinderbohrungen. Um die Eigenschaften des tribologischen Systems Zylinderlauffläche, Kolbenringe und Schmierstoff zu verbessern, werden in den letzten Jahren viele Entwicklungsansätze verfolgt (Gegenstand der Vorträge auf der MTZ-Konferenz, 22. und 23. Mai 2007 in Neckarsulm: Der Antrieb von Morgen ). Ein Lösungsansatz besteht im Aufbringen einer geeigneten Schicht. In dem zurzeit geförderten WING-Vorhaben NaCoLab (03X0003) wird versucht, das Reibungsproblem der Zylinderliner zu lösen, indem durch verschiedene thermische Spritzverfahren eine Nano- Funktionsbeschichtung auf der Laufbahn von Aluminium-Motorblöcken aufgetragen wird. Mikrostruktur der nanokristallinen PTWA-Schicht, Aufrauprofil: Schwalbenschwanz (Quelle: RWTH Aachen IOT, Fa. DURUM) In diesem interdisziplinären Förderprojekt haben sich die Automobilindustrie (DaimlerChrysler, Ford, GM Powertrain Europe und Porsche) mit Automobil-Zulieferfirmen (Federal Mogul und Gehring) und Vertretern aus dem Bereich der Thermischen Beschichtungstechnik (DURUM als Hersteller von Nanodrähten und GTV als Hersteller von Thermischen Spritzanlagen) zusammengefunden, um gemeinsam mit den entsprechenden Forschungseinrichtungen der RWTH Aachen, der Universitäten Kassel, Duisburg-Essen und Braunschweig eine wirtschaftlich herstellbare Funktionsschicht zu entwickeln. Hierbei kommen aber auch neueste Entwicklungen auf dem Gebiet der Nanotechnologie zum Tragen, die zu einer neuen Klasse von sehr harten, verschleiß- und korrosionsbeständigen Werkstoffen führen, die zusätzliches Potenzial zu einer weiteren Reduktion der Reibungsverluste bieten. Erste vielversprechende Motorlauf-Verschleißtests zeigen, dass es zu einer deutlichen Senkung der Reibungsverluste im Motor kommt und danach Kraftstoff bis 4% eingespart werden kann. Exemplarisch soll dieses Fördervorhaben verdeutlichen, welches Potenzial Werkstoffentwicklungen haben. In folgendem sind die insgesamt 20 zurzeit in WING geförderten Vorhaben zur Kraftstoffeinsparung im Automobilbau mit einer Kurzbeschreibung und Ansprechpartnern genauer nachzulesen.

13 Kurzbeschreibungen der Fördervorhaben 13

14 14 03N3122 (TiAl) Gamma TiAl für den ultraleichten Kurbelbetrieb Gesamtzuwendung: E Gesamtkosten: E Laufzeit: Verbundpartner: BMW AG, Vorentwicklung, Innovationsmanagement (TA-161), München BMW M AG, Gesellschaft für individuelle Automobile (ZS-E-41), München Leistritz Turbinenkomponenten Remscheid GmbH, Remscheid GfE Metalle und Materialien GmbH, Nürnberg Universität Dortmund (ISF), Dortmund BTU Cottbus (Lehrstuhl für Konstruktion und Fertigung), Cottbus Vor dem Hintergrund des weiterhin stark anwachsenden Individualverkehrs ist die Automobilindustrie bestrebt, die Schadstoffemission und den Flottenverbrauch ihrer Fahrzeuge zu senken. Dies gelingt im Wesentlichen durch konsequenten Einsatz von Leichtbauwerkstoffen unter der Ausnutzung werkstoffgerechter Gestaltung. Bei dem Projekt γ-tial-pleuel soll der bisher übliche Pleuelwerkstoff Stahl bzw. Gusseisen für Hubkolben-Motoren durch intermetallisches γ-titan-aluminid ersetzt werden. Dieser Leichtbauwerkstoff besitzt hervorragende spezifische Materialeigenschaften wie hohen EModul, geringe Dichte, hohe Warmfestigkeit und Streckgrenze und ist hierbei den bekannten Aluminium-, Magnesium- und Titan-Legierungen überlegen. Der Einsatz von γ-tial-pleuel führt zur Verringerung von Massenkräften sowie innerer Reibung im Motor und damit zur Senkung des Kraftstoffverbrauches und verbessert das Abgasverhalten und die Agilität des Motors. Ziel des Projektes ist der Nachweis, dass Herstellung und Einsatz von γ-tial als Pleuelwerkstoff unter Kleinserienbedingungen grundsätzlich möglich und wirtschaftlich vertretbar sind. γ-tial-pleuel, Schmiederohlinge (Quelle. Fa. Leistritz Turbinenkomponenten Remscheid) Dipl.-Ing. Eckart Schillo Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Neue Technologien Motor und Fahrwerk (TA-15) München Tel.: / Fax: / eckart.schillo@bmw.de

15 15 03X0003 (NaCoLab) Nanokristalline Composite-Beschichtung für Zylinderlaufbahnen mit nano strukturierter Oberfläche und Verschleißvorhersage für hochbelastete Benzin-und Dieselmotoren Gesamtzuwendung: E Gesamtkosten: E Laufzeit: Verbundpartner:..... Gehring GmbH & Co. KG, Ostfildern DURUM Verschleiß-Schutz GmbH, Willich-Schiefbahn GTV mbh, Luckenbach Opel Powertrain GmbH, Rüsselsheim Porsche Engineering Group GmbH, Weissach DaimlerChrysler AG, Ulm Ford Werke GmbH, Köln Ford FZ Aachen GmbH Federal-Mogul Burscheid GmbH RWTH Aachen (IOT) Uni Duisburg (WTII) Uni Kassel (IMK) Uni Braunschweig (IWF) Nanokristalline PTWA-Beschichtung eines Sigma- Blockes (Quelle: Ford) Die Forderungen an moderne Verbrennungsmotoren bestehen in einer Reduzierung von Herstellkosten, Kraftstoffverbrauch und Schadstoffemission. Aufgrund der Erfahrungen mit bisherigen Laufbahnbewehrungen besteht der Lösungsansatz im Auftragen einer thermischen Drahtbeschichtung aus Eisen, Chrom, Molybdän und Bor. Im Prozess entsteht eine harte Schicht, die sowohl aus einer Matrix als auch aus Carbiden und Boriden der Kristallgröße nm besteht. Beginnend bei der Optimierung der Substratvorbehandlung enthält das Arbeitsprogramm die Entwicklung des Beschichtungsprozesses und tribologische Untersuchungen bis hin zum befeuerten Prüfstandstest. Ziel ist die Entwicklung einer vollständigen Prozesskette von der Behandlung des Substrates bis zur Herstellung einer funktionsfähigen Laufflächentopographie. Aufgrund der bisherigen Ergebnisse lässt sich abschätzen, dass mit dem Projekt NaCoLab eine verlässliche Basis für nanokristalline Laufbahnbeschichtungen von Leichtmetallzylinderkurbelgehäusen geschaffen wird, die unter technologischen, ökonomischen und ökologischen Aspekten den gesteigerten Anforderungen im Automobilbau gerecht wird. Werkstoffforschung, Bearbeitungsverfahren, Schichtcharakterisierung und Funktionstests sind die wichtigsten Arbeitsgebiete

16 16 im Projekt. Das Design von Fülldrähten, der Aufbau einer Anlage zum PTWA- und HVOF-Spritzen, der Nachweis nanokristalliner Ausscheidungen, die Entwicklung eines mechanischen Aufrauprozesses mit hoher Haftzugfestigkeit, eine funktionsgerechte Honbearbeitung sind die wesentlichen Ergebnisse des Projektes. Tribologische Untersuchungen werden z. Zt. durchgeführt, Laufversuche am befeuerten Motor sind in Vorbereitung. Honen von thermisch gespritzten Schichten in der Zylinderlaufbahn (Quelle: Fa. Gehring) Dipl.-Ing. Gerhard Flores Gehring GmbH & Co.KG Nielsenstr. 6D Ostfildern Tel.: / Fax: /

17 17 03X0004 (NanoHoch) Nanostrukturierte Hochtemperatur-Halbleiter für integrierte Abgassensoren in Dieselmotor- und Magermotorapplikationen Gesamtzuwendung: E Gesamtkosten: E Laufzeit: Verbundpartner: Robert Bosch GmbH, Gerlingen-Schillerhöhe MAN Nutzfahrzeuge AG, Nürnberg MicroGaN GmbH, Ulm Fraunhofer IKTS Dresden und IAF Freiburg (Unterauftragnehmer: Universität Karlsruhe IWE, FZ Rossendorf bei Dresden, TU Dresden IfW) Hochtemperaturstabile GaN- oder SiC-Feldeffekttransistoren (FET) können mit katalytisch aktiven Nanopartikeln funktionalisiert werden, um selektiv Schadstoffe im Diesel-Abgas nachzuweisen. Zur Herstellung thermisch stabiler hochporöser Elektroden werden unkonventionelle Ansätze der Nanotechnologie zur chemischen Synthese von hochdispersen Metallclustern in situ, wie auch an Bio-Templaten verfolgt. Gleichzeitig sollen neue nanoskalige Keramiken die Betriebstemperatur der Lambda-Sonde (LS) deutlich absenken, um die Integration von solchen gassensitiven FETs auf der LS zu ermöglichen. Dieser integrierte Sensor öffnet den Weg für neue Regelkonzepte zur Abgasnachbehandlung. Nanostrukturierter Abgassensor (Quelle: Fa. Robert Bosch) Dr. Alexander Martin Robert Bosch GmbH, CR/ARC1 Postfach Stuttgart Tel.: / Fax: / alexander.martin2@de.bosch.com

18 18 03X0509 (OPTI-MAT) Entwicklung und Validierung industriell einsetzbarer Softwaretools zur Simulation des Betriebsverhaltens neuer Werkstoffe in thermisch und mechanisch hoch belasteten Komponenten Gesamtzuwendung: E Gesamtkosten: E Laufzeit: Verbundpartner: Rautenbach-Aluminium-Technologie GmbH, Wernigerode DLR e.v. - Institut für Werkstoff-Forschung, Köln Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg - Studiendepartment Fahrzeugtechnik und Flugzeugbau, Hamburg INTES-Ingenieurgesellschaft für technische Software mbh, Stuttgart MTU Aero Engines GmbH, München Technische Universität Darmstadt - FG und Institut für Werkstoffkunde Ziel des Gesamtprojekts ist die Entwicklung von Softwaretools zur Simulation und Optimierung neuer Werkstoffe in einer durchgängigen Prozesskette von der Herstellung bis zum Betriebsverhalten. Gegenstand der Arbeiten sind Gusswerkstoffe für PKW-Motoren und Turbinenteile für Triebwerke. Dabei stehen die Generierung der experimentellen Datenbasis für die Werkstoffmodelle und die Validierung der Simulationsergebnisse im Mittelpunkt der Untersuchungen. Nach der mikrostrukturellen und mikroanalytischen Charakterisierung der Gusswerkstoffe wird das Schädigungsverhalten der Werkstoffe in thermomechanischen Versuchen betriebsnah charakterisiert. Beispiel für OPTMAT-Projekt: Bewertung von Gussproben (Quelle: Fa. MTU) Die Schädigungsmechanismen der Werkstoffe im Betrieb und in den Laborversuchen werden mit mikroskopischen Methoden identifiziert und der Schädigungsverlauf parametrisiert beschrieben. Die in OPTI-MAT entwickelten Methoden der Versuchsplanung, der mathematischen Optimierung und Robustheitsanalyse von Simulationsund Optimierungsergebnissen sollen für eine schnellere Bewertung experimentell ermittelter Kenndaten und zur Verkürzung der Entwicklungszeiten neuer Hochleistungswerkstoffe genutzt werden.

19 19 Verschiedene Ansichten von gegossenen Zylinderköpfen (Quelle: Fa. Rautenbach- Aluminium-Technologie) Dipl.-Ing. Martin Sobczyk Rautenbach-Aluminium-Technologie GmbH Gießerweg Wernigerode Tel.: / Fax: /

20 20 03X2015 (KonnEkt) Konzeption und Entwicklung langzeitstabiler Hochleistungs-Elektroden für automobile Brennstoffzellen Gesamtzuwendung: E Gesamtkosten: ,986 E Laufzeit: Verbundpartner: DaimlerChrysler AG, Ulm Umicore AG & Co. KG, Hanau Degussa GmbH, Köln Universität Ulm (Oberflächenchemie und Katalyse) Technische Universität Darmstadt (FG Strukturforschung) SolviCore GmbH & Co. KG, Hanau Ziel des Vorhabens ist es, ein grundlegendes Verständnis zum Zusammenhang zwischen Struktur, Langzeitstabilität und Leistung der Membran-Elektrode-Einheiten (MEA), insbesondere der Katalysatorschichten zu erarbeiten. Zunächst werden die besonderen Anforderungen an eine automobile MEA festgelegt. Dann sollen iterativ mehrere Versuchsreihen mit jeweils auf Basis der vorherigen Experimente angepassten Schichten durchgeführt werden. Es sollen die Einflussgrößen auf Lebensdauer und Leistung der MEA identifiziert werden. Die auf Basis dieser Resultate hergestellten MEA werden in einen experimentalen Brennstoffzellenstapel integriert und so unter fahrzeugrelevanten Testbedingungen hinsichtlich Lebensdauer und Leistung bewertet. Durch die Simulation der Alterungsprozesse mit fahrzeugrelevanten Modellen soll die Verbesserung der Schichten bei den Zulieferern unterstützt werden. Im Erfolgsfall können dann auf Basis dieser Erkenntnisse MEA entwickelt werden, welche die automobilen Anforderungen hinsichtlich Lebensdauer (3000h), Robustheit (Temperatur -25 C bis +90 C) und Leistung (spez. Leistung 2,5 kw/g Pt) erfüllen können. REM-Aufnahme von zwei Katalysatorschichten (hell) auf einer Membran (Quelle: Fa. DaimlerChrysler) Dr. Florian Finsterwalder Manager MEA Development DaimlerChrysler AG GR/VFM Fuel Cell MEA and Stack Technology HPC 096/U800 Wilhelm-Runge-Str Ulm Tel.: / Fax: / florian.finsterwalder@daimlerchrysler.com

21 21 03X2508 (HYDRANO) Leistungssteigerung hydraulischer Verdrängereinheiten durch Nanocomposites Gesamtzuwendung: E Gesamtkosten: E Laufzeit: Verbundpartner: Bosch Rexroth AG, Lohr Robert Bosch GmbH, Heilbronn ZF Lenksysteme GmbH, Schwäbisch Gmünd FUCHS Europe Schmierstoffe GmbH, Mannheim CemeCon AG, Würselen RWTH Aachen (IFA) Hydraulische Antriebe zeichnen sich durch eine hohe Kraftdichte und gute dynamische Eigenschaften aus. Die hohe Kraftdichte verursacht hohe Belastungen der eingesetzten Materialien, speziell in Gleitkontakten zwischen sich bewegenden Bauteilen. Mit den in den Gleitpaarungen eingesetzten Buntmetallen wird das Alterungsverhalten der Fluide, auch der biologisch schnell abbaubaren, negativ beeinflusst. Ein Lösungsansatz, tribologische Systeme zu realisieren und die Nachteile zu eliminieren, sind Dünnschichtbeschichtungen, beispielsweise mit Nanocomposites, bei denen Nanopartikel als dünne Schichten auch auf temperaturempfindliche Bauteile aufgebracht werden können. Für die optimale Gestaltung des Tribokontakts muss das Tribosystem ganzheitlich betrachtet werden: Konstruktion, Schichtsystem und Druckflüssigkeit. Die an diesem Projekt beteiligten Unternehmen lassen mit ihrem Know-how, vor allem aber durch dessen Verknüpfung, die erfolgreiche Lösung der Aufgabenstellung erwarten. Beschichtete Nockenwelle (rechts), beschichtete Ventile (links) (Quelle: Fa CemeCon) Dr. Volker Seifert Bosch Rexroth AG Partensteiner Str Lohr Tel.: / Fax: / volker.seifert@boschrexroth.de

22 22 03X2512 (OTRISKO) Optimales tribologisches System mit Kohlenstoffschichten Gesamtzuwendung: E Gesamtkosten: E Laufzeit: Verbundpartner:..... Robert Bosch GmbH, Stuttgart Fraunhofer IWS, Dresden Fraunhofer IWM, Freiburg LEYBOLD Vacuum GmbH, Köln ASMEC GmbH, Radeberg Inprotec AG, Heitersheim BMW AG, München Cerobear GmbH, Herzogenrath FUCHS Europe Schmierstoffe GmbH, Mannheim Keiper GmbH & Co. KG, Remscheid Das Projekt OTRISKO hat die ganzheitliche Optimierung geschmierter Tribosysteme auf der Basis diamantartiger Kohlenstoffschichten zum Ziel. Im Zusammenspiel von Materialentwicklung, Analyse, rechnergestützter Modellierung und Praxistest in exemplarischen Schlüsselanwendungen sollen die beiden eng miteinander verzahnten Aufgabenkomplexe "Entwicklung belastungs- und schmiermittelangepasster Kohlenstoffschichten und Oberflächenstrukturen" und "Entwicklung schichtangepasster Schmiermittel" bearbeitet werden. Das Verbundkonsortium umfasst neben zwei Fraunhofer-Instituten Unternehmen der gesamten Wertschöpfungskette von der Schmiermittelherstellung über die Bauteilbeschichtung, die Schichtprüfung und die Komponentenfertigung bis zum Automobilproduzenten. Wälzlager (Quelle: Fa. CEROBEAR) Dr. Michael Fraune Robert Bosch GmbH, CR/ART1 Postfach Stuttgart Tel.: / Fax / michael.fraune@de.bosch.com Eine der Aufgaben im Forschungvorhaben: Entwicklung des Beschichtungs- und Schmierstoffsystems (Quelle: Fa. CEROBEAR)

23 23 03X2513 (Hydroglide) Entwicklung, Optimierung und Erprobung von reibungsarmen Kohlenstoffschichten mit hydrophilen Eigenschaften Gesamtzuwendung: E Gesamtkosten: E Laufzeit: Verbundpartner: INA-Schaeffler KG, Herzogenaurach CemeCon AG, Würselen H-O-T Tribotechnik GmbH & Co. KG, Schmölln Stiftung Institut für Werkstofftechnik, Bremen Ziel des Verbundvorhabens ist die Entwicklung von reibungsarmen diamantartigen Kohlenstoffschichten (DLC- Schichten) mit hydrophilen Eigenschaften für hoch beanspruchte Motoren- und Wälzlagerbauteile zur Einsparung von Energiereserven. Mit diesem neuen Werkstoffansatz soll ein tribologisches System realisiert werden, in dem neben Öl auch wässrige Lösungen als Schmiermittel verwendet werden können. Die mechanisch-tribologischen Eigenschaften von hoch beanspruchten Motoren- und Wälzlagerbauteilen, die unter Mangelschmierung und/oder auch ohne Öl sowie mit wasserbasierten Schmierstoffen reibungsarm laufen, werden somit verbessert und die Tragfähigkeit bzw. Lebensdauer der genannten Bauteile erhöht. Die Erhöhung der Effizienz, Lebensdauer und Leistungsfähigkeit von Motoren in der Automobilindustrie korreliert direkt mit der Entwicklung neuer, verschleißfester und reibungsarmer Schichtsysteme. Mit diesem Entwicklungsvorhaben wird erwartet, dass die erforderliche Schmierstoffmenge durch den Einsatz von reibungsarmen Kohlenstoffschichten reduziert werden kann. Aufgrund der großen Stückzahl der später zu beschichtenden Teile führt schon eine geringe Schmierstoffeinsparung pro Teil zu einem großen ökologischen Vorteil. Verschiedene Tassenstößel, beschichtet von der Fa. Schaeffler (Quelle: Fa. Schaeffler Gruppe)

24 24 Die Automobilindustrie stellt mit ihren Zulieferbetrieben einen der bedeutendsten Wirtschaftszweige in der Bundesrepublik Deutschland dar. Die mit der PVD/PACVDBeschichtungstechnologie herstellbaren Kohlenstoffschichten weisen ein extrem breites Einsatzspektrum auf. Das Vorhaben stellt eine gute Möglichkeit dar, innovative Schichtsysteme mit neuen, bisher nicht bekannten bzw. industriell in großem Umfang eingesetzten Eigenschaften zu entwickeln. Gelingt es, die Verschleißfestigkeit und den Wirkungsgrad von beschichteten Motorkomponenten durch die Entwicklung neuer Kohlenstoffschichten und geeigneter wasserbasierter Fluide zu steigern, so entsteht ein unmittelbarer Wettbewerbsvorteil, der die Innovationskraft deutscher Unternehmen und Zulieferer stärkt. Dr. Tim Hosenfeldt INA- Schaeffler Gruppe KG - Abt. IT/HZA-TMWS Industriestr Herzogenaurach Tel.: / Fax: / tim.hosenfeldt@de.ina.com

25 25 03X3002 (EIS) Entwicklung eines Gießverfahrens zur Erzeugung elektromagnetisch induzierter Gradierungen primärer Siliziumausscheidungen in Aluminiumbauteilen während der Erstarrung Gesamtzwendung: E Gesamtkosten: E Laufzeit: Verbundpartner: KS Aluminium-Technologie AG, Neckarsulm ACCESS e.v., Aachen Bayerische Motoren Werke AG, München Gottfried Wilhelm Leibniz Universität Hannover (ETP) Ziel des Projekts ist die Entwicklung einer neuen Laufflächentechnologie für monolithische Aluminium-Zylinderkurbelgehäuse mittels elektromagnetisch induzierter Seigerung (EIS) von Primärsilizumkristallen. Dabei müssen alle Funktionsmerkmale und Anforderungen erfüllt werden, die heute an eine solche Lauffläche gestellt werden. Die Hauptaufgaben im Projekt sind die Entwicklung eines Induktorkonzepts und der Gießtechnik, die es ermöglichen, diese Seigerung während der Erstarrung einer leicht übereutektischen AlSi-Legierung darzustellen. Nach den Vorversuchen mit einem Einzylindersandmodell der vorhergehenden Jahre, lag der Schwerpunkt der Arbeiten nun bei den Gießversuchen mit einer entsprechend angepassten V8- Serienkokille im Niederdruckgussverfahren. Hier konnten die Ergebnisse der Vorversuche noch übertroffen werden und eine hohe Anreicherung von Primärsilizium in der Lauffläche dargestellt werden. BMW-8-Zylinder-Kurbelgehäuse, neue Laufflächentechnologie mit Hilfe von EIS (Quelle: Fa. KS Aluminium-Technologie) Anreicherung von Primärsilizium in der Lauffläche (Quelle: Fa. KS Aluminium-Technologie) Dr.-Ing. Bernd Sommer KS Aluminium-Technologie AG Postfach Neckarsulm Tel.: / Fax: / bernd.sommer@kolbenschmidt.de

26 26 03X3004 (Hohlkugeln) Hohlkugelstrukturen für die Emissionsbegrenzung von Verbrennungskraftmaschinen Gesamtzuwendung: E Gesamtkosten: E Laufzeit: Verbundpartner: Glatt Systemtechnik Dresden GmbH Plansee GmbH, Reutte ArvinMeritor Emissions Technologies GmbH, Augsburg Süd-Chemie AG, Bruckmühl Hochschule für Technik und Wirtschaft Dresden (FH) TU München (Lehrstuhl II für Technische Chemie) Das Gesamtziel des Verbundprojektes besteht darin, multifunktionale metallische Hohlkugelstrukturen für die parallele Absenkung der Schall- und Schadstoffemission von Verbrennungskraftmaschinen zu entwickeln. Sie sollen zur Einhaltung zukünftiger Umweltschutzgrenzwerte beitragen und in ihrer Gesamtheit Wettbewerbsvorteile gegenüber herkömmlichen modular aufgebauten Abgasanlagen aufweisen. Die spezifische Problemstellung des Verbundprojektes besteht darin, Grundlagen zur Entwicklung von gesinterten metallischen Hohlkugelstrukturen mit hoher mechanischer Stabilität als Trägerstruktur für die Emissionsbegrenzung der Abgase von Verbrennungskraftmaschinen zu erhalten. Diese Anwendung hat komplexe mechanische und thermische Belastungsprofile. Schalldämpfer mit eingebauten Hohlkugelstrukturen (Quelle: Fa. )Glatt Harzgebundene Hohlkugeln im Komposit (Quelle: Fa. Glatt) Gert Bingel Glatt Systemtechnik Dresden GmbH Postfach Dresden Tel.: / Fax: / gert.bingel@glatt.com Strukturen/Komposite mit Hohlkugeln (Komposite mit Stahlblechen oder Kohlefasern, zu Strukturen verklebte und versinterte Hohlkugeln) (Quelle: Fa. Glatt)

27 27 03X3007 (Nano-MMC) Ultraleichtbauwerkstoffe auf Basis von sprühkompaktierten Aluminiumlegierungen mit hohen Volumenanteilen an Mg2Si und Nanopartikelverstärkung Gesamtzuwendung: E Gesamtkosten: E Laufzeit: Verbundpartner: PEAK Werkstoff GmbH, Velbert EADS Deutschland GmbH, Ottobrunn Universität Bremen (Produktionstechnik) MAHLE GmbH, Stuttgart Stiftung Institut für Werkstofftechnik, Bremen Die Herstellung von Kolben auf Aluminiumbasis ist das Ziel dieses Vorhabens. Gegenüber heutigen Kolben wird eine Gewichtsreduzierung von 15 % angestrebt. Die noch zu entwickelnden Werkstoffe sollen gegenüber den bisherigen Kolbenwerkstoffen über eine geringere Dichte bei gleichzeitig hoher Warmfestigkeit verfügen. Die Dichtereduzierung soll durch große Volumenanteile an Mg2Si realisiert werden. Die Steigerung der Warmfestigkeit soll durch Inkorporieren von Nanopartikeln in die Legierung während der Herstellungsprozesse erfolgen. PKW-Kolben für direkteinspritzende Otto-Motoren (Quelle: Mahle PKW-Kolben für Otto-Motoren (Quelle: Mahle) Der Einsatz derartiger Kolben würde zu Motoren mit erhöhter Leistungsdichte führen, die eine kompaktere Bauweise von Kraftfahrzeugen zuließen. Die statischen und dynamischen Eigenschaften dieser Leichtbauwerkstoffe ermöglichen einen weiteren Einsatz in der Luftfahrtindustrie z. B. als Stringerprofile in der geschweißten Rumpfstruktur. Der potenzielle Ersatz von Titanbauteilen könnte zu weiteren Gewichts- und Kosteneinsparungen führen. Dr. Peter Krug PEAK Werkstoff GmbH Postfach Velbert Tel.: / Fax: / info@peak-werkstoff.de

28 28 03X3008 PM-Aluminium-Hochleistungswerkstoffe Gesamtzuwendung: E Gesamtkosten: E Laufzeit: Verbundpartner: Powder Light Metals GmbH, Gladbeck Ford-Forschungszentrum Aachen GmbH BBS Kraftfahrzeugtechnik AG, Schiltach Im Verbundprojekt werden neuerartige, nano-kristalline Al-Werkstoffe auf pulvermetallurgischer Basis in Verbindung mit der Optimierung geeigneter Fertigungsverfahren entwickelt, um für Ventiltriebsteile (Tassenstößel) und Befestigungselemente (Schrauben für Radfelgen) über den Ersatz von Titan oder Stahl eine Gewichtsreduzierung und somit eine Leistungssteigerung zu erzielen. Ausgehend von der raschen Erstarrung der Legierungsschmelzen über Melt spinning erfolgt die Kompaktierung der Pulver alternativ zum Strangpressen über die netshape-prozesse Warmpressen und adiabatisches Umformen, wodurch eine niedrige thermische Belastung der Werkstoffe sichergestellt werden soll. Die Bauteilgeometrien werden durch umfangreiche Simulationsrechnungen optimiert und im Detail analysiert. Die Erprobung der Bauteile erfolgt in Feldversuchen. Nockenwelle mit Tassenstößel (Quelle: Fa. Ford) PM-Aluminium-Bauteile, Melt Spinning-Pulverherstellung (Quelle: Fa. Powder Light Metals) Rolf Schattevoy Powder Light Metals GmbH Am Wiesenbusch Gladbeck Tel.: / Fax: / rschattevoy@powder-light-metals.com

29 29 03X3010 (Thermoplast) Entwicklung von hochfesten und zyklisch kriechbeständigen verstärkten Thermoplasten für eine betriebsfeste Auslegung von Sicherheitskomponenten im Kraftfahrzeug Gesamtzuwendung: E Gesamtkosten: E Laufzeit: Verbundpartner: Robert Bosch GmbH, Waiblingen Fraunhofer IBD, Darmstadt BASF AG, Ludwigshafen Das Projekt befasst sich mit der Neu- und Weiterentwicklung von verstärkten Thermoplasten für eine sichere und zuverlässige Auslegung von Kraftfahrzeug-Sicherheitskomponenten. Ziel ist die Werkstoffentwicklung von hochfesten und zyklisch kriechbeständigen verstärkten Thermoplasten. Die Beurteilung erfolgt unter praxisrelevanten Bedingungen (Temperaturen 130 C, Kraftstoff, wechselnde Lasten). Das Eigenschaftsprofil wird mit dem von bekannten Konstruktionswerkstoffen verglichen. Der neu entwickelte Werkstoff erschließt neue Anwendungsmöglichkeiten von Kunststoffen im Automobilbereich. Es werden Methoden für die numerische Betriebslasten- und Beanspruchungssimulation entwickelt, die eine sichere Bauteildimensionierung und rechnerische Lebensdauerabschätzung ermöglichen. Die Ergebnisse werden an einem Demonstrator aus dem optimierten Werkstoff verifiziert. Demonstrator: Abbildung des Verhaltens von innendruckbelasteten Sicherheitskomponenten im Kraftfahrzeug wie Kraftstoffverteiler, Ventile, Hauptbremszylinder, ABS-Hydroaggregate u.a. (blau: metallischer Deckel, rot: thermoplastischer Kunststoff) (Quelle: Fa. Robert Bosch) Dipl.-Phys. Egon Moosbrugger Robert Bosch GmbH Advance Production Technology 1, Plastics Engineering (CR/APP) Postfach Waiblingen Tel.: / Fax: / egon.moosbrugger@de.bosch.com

30 30 03X3011 Technische Thermoplaste mit nanotechnologisch verbesserten Prozess- (Thermoplastische FKV) eigenschaften als Matrixwerkstoffe für hochbelastete, dickwandige FKV-Strukturbauteile Gesamtzuwendung: E Gesamtkosten: E Laufzeit: Verbundpartner: TU Darmstadt (Fachbereich Maschinenbau) BASF AG, Ludwigshafen IFC Composite GmbH, Haldensleben Der Großserieneinsatz von Faserverstärkten Kunststoffen in der Verkehrstechnik bringt neben der Frage der wirtschaftlichen Fertigung auch das Problem des Recyclings mit sich. Während es für Verbundsysteme mit Duroplastmatrix derzeit keine befriedigende Verwertungsmöglichkeit gibt, lassen sich FKV mit thermoplastischen Matrices erneut aufschmelzen und wiederverwenden. Den hohen thermo-mechanischen Beanspruchungen in verkehrstechnischen Anwendungen sind bislang jedoch nur wenige Thermoplaste aus dem Bereich der Hochleistungspolymere gewachsen. Ziel des Forschungsprojekts ist es, preiswerte Massenkunststoffe und technische Thermoplaste als Matrixwerkstoffe mithilfe gezielter nanotechnologischer Modifikationen zu optimieren, um sie so als Matrices für hochbelastete FKV-Strukturbauteile einsetzen zu können. Prof. Dr. H. Schürmann Technische Universität Darmstadt Fachbereich Maschinenbau FG Konstruktiver Leichtbau und Bauweisen Petersenstr Darmstadt Tel.: / Fax: / helmut.schuermann@klub.tu-darmstadt.de

31 31 03X3012 Mobil mit Magnesium - Qualitäts- und bedarfsgerechte Magnesium- (3 M) Feinbleche mit erweitertem Eigenschaftsprofil Gesamtzuwendung: E Gesamtkosten: E Laufzeit: Verbundpartner:..... Salzgitter Magnesium-Technologie GmbH, Salzgitter ThyssenKrupp Umformtechnik GmbH, Ludwigsfelde Böllhoff Systemtechnik GmbH & Co KG, Bielefeld AIMT Holding GmbH, Kerpen GP Innovationsgesellschaft mbh, Lübbenau Porsche Engineering Group GmbH, Weissach DaimlerChrysler AG, Sindelfingen GKSS - Forschungszentrum Geesthacht GmbH, Geesthacht Gottfried Wilhelm Leibniz Universität Hannover (IW), Garbsen Universität Stuttgart (IfU), Stuttgart TU München (Lehrstuhl für Umformtechnik und Gießereiwesen), Garching Das Verbundprojekt "Mobil mit Magnesium konzentriert sich auf die anwendungsbezogene Entwicklung und Umsetzung neuer Leichtbau-Systemlösungen mit fortschrittlichen Magnesium-Werkstoff- und Halbzeugkonzepten. Der aus Industriepartnern (Porsche Engineering, DaimlerChrysler, ThyssenKruppUmformtechnik, Salzgitter Magnesium-Technologie, AIMT u. a.) sowie Forschungsinstituten der Universitäten München, Stuttgart, Hannover und der GKSS in Geesthacht bestehende F&E-Verbund zielt dabei primär auf die Qualifizierung technisch und wirtschaftlich konkurrenzfähiger Prozessketten für Magnesium-Blechanwendungen im Automobilbau. Anhand geeigneter Demonstratoren wie z.b. Dachmodulen sollen neue Perspektiven für den metallischen Ultraleichtbau in der Verkehrstechnik aufgezeigt werden, die sich später auf andere Technologiefelder übertragen lassen. Großflächige Mg-Feinblechplatinen, Abmessungen: z. B. 1,0 x 1900 x 2500 mm 3, aus der Tafelfertigung in Salzgitter (Quelle: Fa. SZMT) Warmgezogenes Verstärkungsteil eines Klappdachs aus Magnesium-Feinblech AZ31, vor und nach dem Fertigbeschnitt (Versuchsteil) (Quelle: DaimlerChrysler) Dr. Peter Juchmann Eisenhüttenstr Salzgitter Tel.: / Fax: / juchmann.p@salzgitter-ag.de

32 32 03X3013 (LEA) Leichtbau mit gegossenen ADI-Bauteilen Gesamtzuwendung: E Gesamtkosten: E Laufzeit: Verbundpartner: MAGMA Gießereitechnologie GmbH, Aachen AUDI AG, Ingolstadt Gebr. Eickhoff Maschinenfabrik und Eisengießerei GmbH, Bochum Sakthi Europe GmbH & Co. KG, Saarbrücken IfG - Institut für Gießereitechnik ggmbh, Düsseldorf RWTH Aachen (Gießerei-Institut), Aachen Fraunhofer-Institut (LBF), Darmstad ADI-Werkstoffe (Austempered Ductile Iron) versprechen ein hohes Leichtbaupotential. Dieses kann heute auf Grund von Wissenslücken und anspruchsvollen Herstellprozessen jedoch nicht vollständig ausgenutzt werden. Durch Untersuchungen zum bauteilgebundenen Werkstoffverhalten bei Betriebs-, Sonder- und Missbrauchbelastungen sowie durch Bereitstellen von Methoden zur Eigenschaftsvorhersage sollen diese Lücken geschlossen und die Akzeptanz für ADI-Werkstoffe erhöht werden. Im Rahmen des Vorhabens werden die Eigenschaften von ADI-Gussbauteilen und daraus entnommenen Werkstoffproben unter zyklischer und zügiger Beanspruchung ermittelt, wobei verschiedene Gefügezustände und typische Gussfehler berücksichtigt werden. Daraus werden Methoden zur Bauteiloptimierung und verbesserten Lebensdauerberechnung entwickelt. Über das Aufstellen von Konstruktionsrichtlinien und die Einbindung der entwickelten Methoden zur Lebensdauerberechnung und virtuellen Prozess- und Bauteiloptimierung in den Entwicklungsablauf werden die Grundlagen für eine vollständige Ausnutzung des Leichtbaupotentials von ADIGusswerkstoffen und damit für einen Großserieneinsatz von ADI- Werkstoffen für Sicherheitsbauteile im Fahrzeugbau geschaffen. Weitere Informationen: Dr.-Ing. Erwin Flender MAGMA Gießereitechnologie GmbH Kackertstr Aachen Tel.: / Fax: / e.flender@magmasoft.de Prozessschritte der ADI-Herstellung (Quelle: Fa. MAGMA Gießereitechnologie)