Entwicklung 2.0 Vernetzung von Produkt und Prozeß

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1 Entwicklung 2.0 Vernetzung von Produkt und Prozeß Dr. K. Greven, Th. Buschjohann KSM Castings GmbH KSM Castings Gruppe

2 Inhalt Motiviation Der Entwicklungablauf Vernetzung von Produkt-, Verfahrens- und Werkstoffentwicklung Beispiel Radträger Beispiel Hybridkomponenten Aluminium / Stahl Aluminium / Kunststoff Zusammenfassung 2

3 Motivation Entwicklung des Fahrzeuggewichts Beispiel VW Golf (Gewicht in kg) Aluminium Anteil in PKW (kg aluminium pro Fahrzeug) 1,400 1,200 1, kg / +54% 960 1,050 1,155 1,217 Golf I Golf II Golf III Golf IV Golf V Golf VI CO2 Flotten Emission vs. Zielen des Gesetzgebers (g CO2 pro km) Mercedes VW Group GM Toyota EU Target EU Target KY Quelle: Roland Berger 3

4 Motivation equipment 15% Typische Massenverteilung electrical system 6% body 39% Aluminium Anteil nach Anwendung chassis 38% body 2% powertrain 16% chassis 24% powertrain 60% 4

5 Inhalt Motiviation Der Entwicklungablauf Vernetzung von Produkt-, Verfahrens- und Werkstoffentwicklung Beispiel Radträger Beispiel Hybridkomponenten Aluminium / Stahl Aluminium / Kunststoff Zusammenfassung 5

6 KG CPC CVC KSM Castings Gruppe Entwicklungsablauf Bauraum Lastfälle Steifigkeitsanforderungen Topologieoptimierung Designvorschlag Bauteildesign 6

7 KG CPC CVC KSM Castings Gruppe Entwicklungsablauf Bauraum Topologieoptimierung Designvorschlag Lastfälle Steifigkeitsanforderungen Verfahrensentwicklung Werkstoffentwicklung Bauteildesign 7

8 Inhalt Motiviation Der Entwicklungablauf Vernetzung von Produkt-, Verfahrens- und Werkstoffentwicklung Beispiel Radträger Beispiel Hybridkomponenten Aluminium / Stahl Aluminium / Kunststoff Zusammenfassung 8

9 Beispiel: Radträger Bauraum Topologieoptimierung Verfahren 9

10 Controlled Vacuum Casting Keine Ventile im Druckgießwerkzeug Ständige Prozesskontrolle des Restdrucks Kein Vorziehen des Metalls Keine negativen Auswirkungen auf Verfügbarkeit Auf alle Werkstoffe anwendbar Zweistufige Wärmebehandlung möglich Keine Bearbeitung oder Vorbehandlung der Schweißanbindung nötig Vakuumsteuerung Prozeßüberwachung Wärmebehandlung KSM-Kolben Werkzeugtechnologie 10

11 Porosität [%] KSM Castings Gruppe Prozeßentwicklung CVC CVC CVC vs. Vakuum DG und Vacural Vakuum DG Vacural CVC Vakuum DG Vacural 11

12 Prozeßentwicklung CVC Legierung: EN AC (AlSi10MnMg) Wärmebehandlung: T6, T7 12

13 Produktentwicklung CVC-Radträger Steifigkeitsberechnung Spannungsberechnung Gußteil 13

14 yield strength, tensile strength [MPa] elongation rate [%] KSM Castings Gruppe Prozeßentwicklung CPC 400,0 18,0 350,0 16,0 300,0 14,0 250,0 12,0 200,0 10,0 8,0 150,0 6,0 100,0 4,0 50,0 2,0 0,0 0, tensile strength yield strength elongation rate 14

15 Prozeßentwicklung CPC Ziel: Herstellung komplexer und dünnwandiger Bauteile im hochbelasteten Fahrwerksbereich Temperierung der Kokille über Heiz-/Kühlmedium Prozesssicherer Einsatz von Schiebern im Druckkessel Anwendung von Speisern im CPC Verfahren Radträger MQB Front KSM Castings Group / Simultaneous & Technological Engineering June,

16 Produktentwicklung CPC-Radträger Steifigkeitsberechnung Spannungsberechnung Gußteil 16

17 Vergleich CPC vs. CVC Cast aluminum knuckle Weight -22% Redesigned CVC knuckle Redesigned CPC knuckle Cast aluminum knuckle Weight -31% 17

18 niedrig Gewichtseinsparpotenziall Hoch Streckgrenze (MPa) KSM Castings Gruppe Legierungsentwicklung CPC CPC 200 Kokillenguss CVC 150 Druckguss Bruchdehnung (%) niedrig Crash-Relevanz Hoch 18

19 Zugfestigkeit, Streckgrenze [MPa] Bruchdehnung [%] KSM Castings Gruppe Legierungsentwicklung CPC Legierungsvariante 1: AlSiMg Auslagerungstemperatur: 170 C Auslagerungsdauer [h] Rm Rp0.2 Bruchdehnung 19

20 Inhalt Motiviation Der Entwicklungablauf Vernetzung von Produkt-, Verfahrens- und Werkstoffentwicklung Beispiel Radträger Beispiel Hybridkomponenten Aluminium / Stahl Aluminium / Kunststoff Zusammenfassung 20

21 Aluminium / Stahl Hybridradlager Potential application: Premium cars, light commercial vehicles, electric cars Target: Weight reduction of 20% - 40% 21

22 Streckgrenze, Zugfestigkeit [MPa] Bruchdehnung [%] KSM Castings Gruppe Aluminium / Stahl Hybridradlager Al Fe T6-A T6-B Rm Rp0, A5 1,9 3,7 0 22

23 Beispiel VarioStruct Querschnittsstabilisierung durch die Rippen einer Hybridstruktur Aktivierung von Tragreserven oberhalb der Beulspannungen F max n F max maxh Druckspannung krith maxb Rippen Rippen kritb b b konventionelle Blechstruktur (B) Hybridstruktur (H) krit max b = kritische Beulspannung = maximale Beulspannung = Plattenbreite in einem Profil Leichtbaupotenzial durch sehr hohe Strukturleistungen 23

24 Beispiel VarioStruct Technologische Grundlagen Untersuchungen an verschiedenen Grundlagenkörpern im Spannungsfeld zwischen FEM und Prototypen Entwicklung Demonstrator Auslegung, Fertigung und Prüfung des Verbundguss-Dachquerträgers Grenzschubprobe Formschlussprobe Dachquerträger Grundlagenprofil 24

25 Kraft KSM Castings Gruppe Beispiel VarioStruct Zentrische 3-Punkt-Biegung Test VarioStruct 160% 140% 120% 100% 80% 60% 40% 20% 0% 135% 117% 100% 100% 100% Fmax Energie Absorption 72% Masse Test Original VarioStruct Original Weg 25

26 Beispiel VarioStruct Original: Differenzialbauweise 4,7 kg Verbundguss: Integralbauweise Steigerung des Verformungswiderstands und der Energieaufnahme bei biegebelasteten Trägern im Crash Gewichtsreduzierung 30 % (bei weiterer Optimierung >30 % darstellbar) deutliche Querschnittsreduzierung (ca. 20 %) hohes Strukturintegrationspotenzial (Multi-Material-Body) hohes Umgebungsintegrationspotenzial deutliche Reduzierung der Fügeoperationen Interessante Kostenreduzierungspotentiale Weitere Potenziale und Produktionsumsetzung zur Zeit in Untersuchung 3,4 kg 26

27 Untersuchung zu Kunststoff-Aluminium Verbunden Kunststoff Aluminium Fixierung Kraft Ø außen =10mm Ø innen =5.5mm Prüfkörper mit Wandstärken von 3-4,5 mm und einer Breite von: 35,5 mm +/- 0,2 35,0 mm +/- 0,2 34,5 mm +/- 0,2 27

28 Kraft [N] KSM Castings Gruppe Untersuchung zu Kunststoff-Aluminium Verbunden 7000 Hybrid Aluguss-Kunststoff Hybridteile_AL-Kunststoff_11 Hybridteile_AL-Kunststoff_10 Hybridteile_AL-Kunststoff_9 Hybridteile_AL-Kunststoff_8 Hybridteile_AL-Kunststoff_7 Hybridteile_AL-Kunststoff_6 Hybridteile_AL-Kunststoff_5 Hybridteile_AL-Kunststoff_4 Hybridteile_AL-Kunststoff_3 Hybridteile_AL-Kunststoff_2 Hybridteile_AL-Kunststoff_1 0 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 Deformation [mm] Maßtoleranzen im Hybrid wirken sich minimal auf die Maximalkraft aus und beeinflussen im geringen Maß die Deformationen 28

29 Kraft [kn] KSM Castings Gruppe Untersuchung zu Kunststoff-Aluminium Verbunden Vergleich Versuch-CAE Versuch Berechnung ,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 1,20 Deformation [mm] 29

30 Inhalt Motiviation Der Entwicklungablauf Vernetzung von Produkt-, Verfahrens- und Werkstoffentwicklung Beispiel Radträger Beispiel Hybridkomponenten Aluminium / Stahl Aluminium / Kunststoff Zusammenfassung 30

31 Zusammenfassung Gewichtseinsparung durch Werkstoffsubstitution oft bereits umgesetzt Weitere Gewichtseinsparung nur durch optimales Zusammenspiel von Werkstoff, Verfahren und Design Werkstoff Topologieoptimierung zur Ermittlung des theoretisch möglichen Gewichtsminimum Verfahren Stetige Weiterentwicklung der Verfahren und Werkstoffe um dieser Lösung möglichst nahe zu kommen Design Kombination verschiedener Werkstoffe in einer Komponente falls notwendig 31