Methodische Werkstoff- und Prozessentwicklung für die additive Serienproduktion von automobilen Strukturkomponenten

Die Automobilindustrie steht in der derzeitigen Transformation zur nachhaltigen Mobilität vor zukunftsweisenden Herausforderungen in einem disruptiven Geschäftsumfeld. Durch neue Technologien und Serviceleistungen ergeben sich veränderte Handlungsfelder, die zusammenfassend durch die Kernthemen Connected, Autonomous, Shared & Services und Electric umrissen werden können. Dieser Weg führt in einem Spannungsfeld zwischen Ökonomie, Ökologie und gesamtgesellschaftlicher Verantwortung aufgrund unterschiedlicher Antriebskonzepte und Karosseriebauformen zu einer zunehmenden Diversifizierung der Fahrzeuge. Sowohl durch die stetig steigenden gesetzlichen Auflagen als auch durch veränderte Kundenanforderungen wird die Entwicklung von neuartigen ressourcenschonenden Leichtbaukonzepten erforderlich. Die hohe Produkt- und Variantenvielfalt hat allerdings zur Folge, dass das variantenabhängige Leichtbaupotential häufig nicht vollständig ausgeschöpft werden kann. Der Einsatz von additiven Fertigungsverfahren, umgangssprachlich auch 3D-Druck genannt, kann dabei neue Möglichkeiten zur effizienten Erzeugung von nachhaltigen Leichtbaustrukturen bieten.

In der heutigen Großserienproduktion von Fahrzeugen dominieren im Karosseriebau anforderungsspezifische, werkstofftechnische Systemlösungen mit einer breiten Materialvielfalt, vorwiegend hochfeste und vergütete Stähle, Leichtmetalle sowie thermo- und duroplastische Kunststoffe. Die Werkstoffauswahl ist dabei von einer Vielzahl an oft in einem Zielkonflikt zueinanderstehenden Anforderungen abhängig. Die Selektionsvielfalt wird maßgeblich durch die Marktsegmentpositionierung und damit von Stückzahlen und dem Verkaufspreis beeinflusst. Der Stand des Wissens verdeutlicht, dass die begrenzte Anzahl an Werkstoffen sowie die aufwendigen und lang andauernden Freigabeprozesse der Automobilhersteller, neben ökonomischen Randbedingungen, die größten Hindernisse in der Adaption der additiven Fertigungstechnologie für automobile Serienanwendungen sind.

Nach dem Stand des Wissens (Kapitel 2) fehlen für die Einsatzfähigkeit in Karosserieanwendungen sowohl eine Wissensgrundlage bezüglich des Verformungs- und Versagensverhaltens unter crashartiger Belastung als auch Erkenntnisse zur Beständigkeit gegenüber korrosiven Umgebungsbedingungen. Außerdem limitieren zeit- und kostenintensive Entwicklungs- und Qualifizierungsmethodiken das Design neuartiger applikationsspezifischer Legierungssysteme. Das Hauptziel dieser Arbeit besteht folglich darin, eine systematische Wissensgrundlage zur Einsatzfähigkeit bestehender und neuartiger Aluminiumlegierungen für automobile Karosserieanwendungen zu schaffen. Ferner sind Ansätze und Möglichkeiten zu identifizieren, die eine agile Werkstoffinnovations- und Absicherungsmethodik fördern und in Kombination mit Handlungsempfehlungen zukünftige automobile AM-Werkstoffentwicklungen effizient unterstützen.

Die Legierungskonstitution, der Herstellungsprozess und der Wärmebehandlungszustand bestimmen maßgeblich das Eigenschaftsprofil eines metallischen Werkstoffs. Es wird auf die Bedeutung der einzelnen Legierungselemente sowie deren Einfluss auf das metallurgische Gefüge und die daraus folgenden physikalischen Eigenschaften eingegangen. Ferner werden die grundlegenden Phänomene, Modelle und Charakteristika zu den Themen Crash und Korrosion im automobilen Umfeld beschrieben.

Die gewählten Betrachtungsbereiche erfordern eine detaillierte Charakterisierung der Grundwerkstoffe sowie eine praxisorientierte Analyse der Materialeigenschaften in Bezug auf die Fokusthemen Crash und Korrosion. Die verwendeten Versuchsmethoden, Anlagenkonfigurationen sowie die Mess- und Prüftechnik werden im Kapitel beschrieben.

Nach dem Stand des Wissens ist das Eigenschaftsportfolio von LPBF-Aluminiumlegierungen im Fertigungszustand von hohen Festigkeiten bei geringem Verformungsvermögen geprägt und folglich für automobile Strukturkomponenten nur bedingt geeignet. Sowohl bei konventionellen als auch bei den additiven Herstellungsverfahren bietet die thermische Nachbehandlung eine kostengünstige Möglichkeit, die Eigenschaften anforderungsspezifisch anzupassen. Den Teilzielen der Arbeit folgend werden zunächst Kenntnisse über die Anpassungsfähigkeit der betrachteten Legierungen AlSi10Mg und AlSi3,5Mg2,5MnZr auf das karosseriespezifische Anforderungsprofil erarbeitet, wodurch anschließend eine Bewertung des Substitutionspotentials serienüblicher Herstellungstechniken ermöglicht wird. Weiterführend erfolgt eine skalenübergreifende Gefügeanalyse, wodurch ein umfangreiches Verständnis über die zugrundeliegenden Struktur-Eigenschafts-Beziehungen und Wechselwirkungen auf das makroskopische Verformungs- und Versagensverhalten gewonnen werden kann.

Die Untersuchungen zum Crashverhalten gliedern sich in zwei aufeinander aufbauende Betrachtungsbereiche: Grundmaterialcharakterisierung und Crashverhalten von Prinzipstrukturen. Das Hauptziel der Grundmaterialcharakterisierung bestand darin, das Verformungs- und Versagensverhalten des Grundmaterials in Abhängigkeit von der Belastungsgeschwindigkeit (Dehnrate) und dem Spannungszustand (Triaxialität) experimentell zu ermitteln und in praxisrelevante Materialmodelle für die Crashsimulation zu überführen. Ziel der konsekutiven Crashversuche war es, die Deformationscharakteristik von Prinzipstrukturen unter axialer Stauchbelastung in Bezug auf das Energieabsorptionsvermögen sowie das Faltungs- und Rissverhalten zu untersuchen, um daraus eine Anwendbarkeit für crashbelastete Anwendungen bewerten zu können.

Basierend auf zuvor gewonnenen Erkenntnissen zur Einsatzfähigkeit von LPBF-Aluminium als Substitution unterschiedlicher Ausführungsvarianten von Strukturkomponenten werden im Abschnitt die identifizierten festigkeits- und duktilitätsorientierten Werkstoffzustände in Bezug auf ihre Beständigkeit gegenüber korrosiven Umgebungsbedingungen untersucht. Neben elektrochemischen Untersuchungen werden werkstofftypische Korrosionsphänomene am Grundmetall und beschichteten Substrat anhand von Immersionsprüfungen und Klimawechseltests sowohl qualitativ als auch quantitativ bewertet.

Zu Gunsten einer erweiterten Serienintegration werden Möglichkeiten zur zielgerichteten, ressourceneffizienten Entwicklung neuartiger Werkstoffsysteme identifiziert sowie Ansätze für eine agile, anwendungsorientierte Werkstoffinnovations- und Absicherungsmethodik abgeleitet. In Kombination mit Handlungsempfehlungen soll dies eine beschleunigte Marktdurchdringung fördern.

Durch die fortschreitende Industrialisierung der additiven Fertigungstechnologien von Metallen wurden in den letzten Jahren erste Serienanwendungen in anspruchsvollen Industriezweigen wie der Luftfahrt und dem Automobilbau ermöglicht. Insbesondere der pulverbettbasierte Laserstrahlschmelzprozess (LPBF) eignet sich für Komponenten mit hoher geometrischer Komplexität aufgrund der endkonturnahen Formgebung mit hoher Detailauflösung. Die Erkenntnisse dieser Arbeit stellen eine systematische Wissensgrundlage zur Einsatzfähigkeit bestehender und neuartiger Aluminiumlegierungen für automobile Karosserieanwendungen dar und belegen, dass die Herstellung von crashbelasteten Strukturkomponenten möglich ist.