Leichtbau unter Anwendung der Aluminium ... - Metawell

4 6 W e r k s t o f f e
Aluminium-Leichtbau
Leichtbau unter Anwendung
der Aluminium-Sandwichtechnik
Bei der Realisierung von Leichtbaukonstruktionen hat sich der Werkstoff Aluminium seit
langem bewährt. Die Weiterentwicklung zu noch leichteren Strukturen mit diesem Werkstoff
führt zur Aluminium-Sandwichtechnik. Überall dort, wo Leichtbau, Steifigkeit und hochwertige
Produkte gefragt sind, bilden die Aluminium-Sandwichelemente eine ideale Alternative.
Mittlerweile wird dieses Material seit über 20 Jahren weltweit in Leichtbauanwendungen der
Bereiche Verkehrstechnik, Bauindustrie und der allgemeinen Industrie erfolgreich eingesetzt
- ein Beitrag der Metawell GmbH.
Metawell ist ein Leichtbaumaterial aus Aluminium, bei dem
ein oder zwei Deckbleche mit einem sinusförmigen Dünnblech
verbunden werden. Durch diesen Aufbau, der dem
der millionenfach bewährten Wellpappe ähnelt, entsteht ein sehr
leichtes und extrem biegesteifes Sandwich, das bis zu 75 % Gewichtseinsparungen
gegenüber massivem Aluminium ermöglicht.
Die Herstellung der Aluminium-Sandwichplatte erfolgt durch eine
kontinuierliche Produktion von bereits mit Korrosionsschutz-Primer
(zum Teil auch mit Decklack) versehenen Coils, die in einem Klebeverfahren
miteinander verbunden werden. Konkret bedeutet das, dass
selbst das Kernmaterial korrosionsgeschützt ist. Zur Produktfamilie
zählen Aluflex (ein Deckblech plus Welle), Einfachplatten (zwei Deckbleche
plus einer mittigen Welle) sowie für Spezialanwendungen auch
Mehrfachplatten (in Stückverklebung hergestellt), Bild 1. Durch Variation
in der Deckblechstärke, Wellenmaterialstärke, Gesamtbauhöhe,
Legierung und in den Festigkeiten lassen sich unterschiedliche Materialeigenschaften
erzielen. Aufgrund der ebenen Oberfläche sind die
Sandwichplatten auch ein ideales Trägermaterial für die verschiedensten
Beschichtungen, können mit entsprechenden Folien kaschiert
werden und sind lackier- und druckfähig. Die Sandwichplatten sind
ohne erforderliche Materialtrennung vollständig recycelbar. Somit
bleibt auch nach der Nutzungsphase der Metallwert erhalten.
K O N T U R - U N D F O R M G E B U N G
Um Bauteile aus Sandwichmaterialien kosteneffektiv einsetzen zu können,
werden kostengünstig Bearbeitungsverfahren benötigt. Spanende
Bearbeitung klingt bei Aluminium zunächst nicht unbedingt
preiswert. Da aber aufgrund des geringen Metallanteils der Metawell-
»Designer und Konstrukteure haben
mit der Aluminium-Sandwichplatte
eine echte Alternative für konsequente
Leichtbaukonstruktionen.«
Dr.-Ing. Klemens Wesolowski ist Technischer Geschäftsführer
der Metawell GmbH in Neuburg/Donau.
www.lightweight-design.de

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Bild 2 Die Holzform der Biegemaschine definiert die Geometrie
Bild 1 Produktfamilie
Platte die spanende Konturgebung durch Sägen und Fräsen mit ähnlich
hohen Vorschubgeschwindigkeiten wie bei Holz möglich ist und
auch auf Holzbearbeitungsmaschinen (bei Anpassung der Werkzeuge)
ausgeführt werden kann, sind diese Verfahren in der Regel deutlich
günstiger als Lasern oder Wasserstrahlschneiden. Im Gegensatz zu
nicht-metallischen Sandwich-Elementen oder Holz gibt es beim Aluminium-Sandwich
zusätzlich den „Metall-Bonus“, das heißt es können
ebenso die Verfahren der klassischen Metall-Konturgebung wie Scheren,
Stanzen und Nibbeln angewendet werden.
Interessant wird dieser „Metall-Bonus“ aber vor allem, wenn es darum
geht, die Sandwich-Elemente durch Ausnutzen der plastischen
Dehneigenschaften der Aluminiumbleche zu verformen. Hier bietet
sich besonders das Material Aluflex an, das aus nur einem Deckblech
besteht und mit dem wellenförmigen Dünnblech verklebt wird. Somit
entsteht ein Material mit nicht richtungsgebundenen Eigenschaften,
das um die Achse, parallel zum Wellenkamm, fast genauso
leicht elastisch gebogen werden kann wie das Deckblech alleine. In
die zweite Richtung steift die Welle aus. Anwendungsbereiche sind
beispielsweise einachsig gekrümmte Flächen, bei denen die Krümmung
durch gebogene Träger (Profile) vorgegeben wird. Aluflex
folgt der Krümmung fast spannungsfrei, und zwischen den Trägern
wird die Fläche durch die Welle stabilisiert.
Erfolgt die Biegung von Aluflex um die Achse senkrecht zum Wellenkamm,
wird die Welle plastisch gedehnt (oder gestaucht). Diese Umformung
kann auf Walzen-Biegemaschinen oder auch auf einfachen Hand-
Hebelmaschinen erfolgen, bei denen eine Holzform die Geometrie
definiert, Bild 2. So können mit großer Wiederholgenauigkeit Halbschalen
oder auch Vouten mit optisch ansprechender Oberfläche für Radien
ab etwa 150 mm gefertigt werden. Beispiele finden sich in den Deckenelementen
auf den Gängen der aktuellen AIDA-Kreuzfahrtschiffe.
Die Biegung von Platten mit zwei Deckblechen ist ebenfalls möglich,
mit optisch ansprechender Oberfläche jedoch nur für größere Radien
empfehlenswert. Interessantes Potenzial bietet die Aluminium-
Sandwichplatte auch bei der Kantung auf einer Kantbank, ähnlich
wie bei Blechen. Zwar wird lokal in der Kante die Steifigkeit durch
Kollabieren des Kerns reduziert, sie ist jedoch immer noch wesentlich
steifer und belastbarer als ein gekantetes Blech gleichen Gewichts.
Über 14.000 Sitzstrukturen für die Londoner U-Bahn wurden
auf diese Weise hergestellt. Die Platte erfüllt hier die hohen Anforderungen
an Brandverhalten und Schutz gegen Vandalismus.
A N W E N D U N G E N I M S C H I E N E N F A H R Z E U G B A U
Durch ihre hohe Steifigkeit und das geringe Eigengewicht eignet sich
die Sandwichplatte für Wand- und Deckenanwendungen im Schiffsausbau
und im Schienenfahrzeugbau. Die Möglichkeiten der nicht sichtbaren
Befestigung (zum Beispiel durch verdeckte Niete) und verschiedene
Varianten der Kantengestaltung lassen viel Freiraum zur kreativen
Gestaltung. Die hohe Steifigkeit und Tragfähigkeit der Metawell-Platten
ermöglicht eine deutliche Reduzierung der Befestigungspunkte.
Einbaufertige Flachdecken im Siemens Hochgeschwindigkeitszug Velaro
Russland, gebogene Decken aus Aluflex im japanischen Shinkansen-Express
oder Bauteile mit für den Fahrgast sichtbarer Wellenoptik als Designelement
in unterschiedlichen Farben sind nur einige Beispiele für die
Verwendung der Sandwichplatte im Reisezugbau. Ihre herausragenden
Eigenschaften machen sie auch zum geeigneten Material für Trägersysteme,
Tische, Sitzstrukturen, Gepäckablagen und Wartungsklappen.
Besondere Kriterien gelten auch für Fußbodenplatten in Fahrzeugen:
Sie müssen hohe Flächen- und extrem hohe Punktlasten (verursacht
durch Stöckelabsätze, Steinchen oder herabfallende Gegenstände)
aufnehmen können und zudem sehr steif sein, um Stützweiten zu
reduzieren. Schalldämmung sowie die Festigkeit zur Anbindung von
Komponenten (zum Beispiel Haltestangen) sind weitere Notwen-
4/5/2009 lightweightdesign

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Bild 3 Tragendes Stahlgerippe und Aluminiumaußenhaut der Metro
digkeiten. Speziell dafür hat Metawell eine Aluminium-Sandwichplatte
entwickelt, die neben der hohen Festigkeit in den Deckblechen
auch eine extrem hohe Festigkeit im Kernmaterial aufweist.
Weitere äußere Belastungen können auch durch außergewöhnliche
klimatische Bedingungen entstehen (zum Beispiel extreme Luftfeuchtigkeit
bei hohen Temperaturen bei der Metro New Delhi Indien/
Bombardier Transportation). Selbst hier kann korrosionsgeschütztes
Aluminium seine deutlichen Vorteile ausspielen.
Außerordentlichen Belastungen sind vor allem die Eingangsbereiche
von Fahrzeugen des öffentlichen Nahverkehrs ausgesetzt. Hohe,
ständig wechselnde Flächenlasten durch sich durch die Türen drängenden
Passagiere und eine extreme Korrosionsbelastung durch das
Eintragen von Streusalzen im Winter verdeutlichen die besonderen
Anforderungen an die Materialien. Hier hat sich die Sandwichplatte
im Einsatz von Behindertenrampen, Wartungsklappen, Schiebetritten
oder Liftsystemen ebenfalls bewährt.
Da alle Deckbleche der Sandwichplatte sowohl innen und außen
wie auch das Kernmaterial mit einem Korrosionsschutz versehen
sind, wird das Material auch für Außenanwendungen verwendet. Als
Bild 4 Holzform für das Dachelement
echte Innovation kann der Einsatz in der Außenhaut der neuen Metro-Züge
von Sankt-Petersburg angesehen werden. Erst Mitte Juli
wurde in Sankt-Petersburg auf dem Werksgelände von Vagonmash
der erste Prototypwagen der vierten Metro-Generation „NeVa“ vorgestellt.
Die neuen Metro-Züge wurden von Škoda Transportation
s.r.o. (Pilsen/Tschechien) entwickelt.
Metros mit Aluminiumhaut sind zur Gewichtsersparnis bereits bekannt
und erprobt. Die Weiterentwicklung von massivem Aluminium
auf ein leichteres Aluminium-Sandwichelement ist in diesem Umfang
allerdings neu. Die gesamte Außenhaut und auch das komplette
Dach werden in dieser innovativen Leichtbautechnik ausgeführt.
Doch gerade die Kombination zwischen dem tragenden Stahlgerippe
und der Aluminiumhaut kann aufgrund der Unterschiede in
der elektrochemischen Spannungsreihe besonders bei den starken
Motorströmen von Metros Korrosionsprobleme mit sich bringen.
Dies ist in der Vergangenheit auch bei Außenhäuten aus Aluminium-
Strangpressprofilen aufgetreten, die direkt auf die Stahlunterkonstruktion
geschraubt wurden.
Um das zu vermeiden, werden die Sandwichplatten mit einer elastischen,
isolierenden Dickschichtverklebung auf die Stahl-Unterkonstruktion
aufgebracht. Diese elastische Verklebung auf PU-Basis ermöglicht
zusätzlich die nahezu stressfreie Ausdehnung der unterschiedlichen
Werkstoffe Stahl und Aluminium bei Temperaturwechseln (der Wärmeausdehnungskoeffizient
von Metawell entspricht Aluminium), Bild 3.
Der Aufbau der ebenen Seitenverkleidungen erfolgt aus einer speziellen
Sandwichplatte des Typs Metawell Alu hl 10-03-05 hl / H5.5. Die
äußere Deckschicht besteht aus 1,0 mm EN AW 5754 H48, die innenliegende
Deckschicht aus 0,5 mm EN AW 5182 H48, bei einer Plattenstärke
von insgesamt 5,5 mm. Als Kernmaterial wird ein 0,3 mm starkes
Aluminiumblech mit Streckgrenze über 300 N/mm² verwendet, das
aufgrund der engen Wellenperiode (zirka 8 mm) eine extrem hohe
Druckfestigkeit (>12 N/mm²) der Platte zur Folge hat. Dies ist aufgrund
der Gefahr des Vandalismus besonders in der Seitenwand erforderlich.
Der Kantenabschluss wird entweder durch Umbördeln des 1,0 mm
Deckblechs oder durch Einlegen eines Alu-Flachprofils realisiert.
Im Bereich des Dachs werden gebogene Sandwich-Elemente benötigt.
Hierzu werden passgenau gefräste Platten des Typs Aluflex
hl 05-02 hl / H4.7 verwendet, welche aus nur aus einem 0,5 mm
Deckblech und der Welle (aus 0,2 mm Aluminiumblech) besteht. In
einer einfachen Holzform, Bild 4, werden dann Aluflex und ein ebenso
passgenau bearbeitetes 0,8 mm Aluminium-Deckblech zum fertigen
Dachelement verklebt. Das Klebesystem besteht aus einem
2K-PU Klebstoff, der über Temperatureinbringung beschleunigt aushärtet.
Das fertige Dachelement hat somit eine 0,8 mm starke Außenschicht,
eine 0,5 mm starke Innenschicht und eine Gesamtstärke von
ebenfalls 5,5 mm (Gesamtstärke wie die Seitenwände).
Das Verbinden der Metawell-Platten mit dem Stahlhauptrahmen
durch einen Spezialklebstoff löst das Problem der Kontaktkorrosion.
Der Einsatz der Aluminium-Sandwichelemente bewirkt eine deutliche
Gewichtsersparnis bei gleichzeitiger Verbesserung der Steifigkeit
des Wagenkastens. Der Stahlkasten eines Metro-Wagens (Länge
20 m, Breite 2,7 m) mit der Aluminium-Sandwich-Außenhaut bringt
gegenüber der Stahlvariante mit einer Ummantelung eines rost-
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Bild 5 Der KTM X-Bow
freien Blechs (1,5 mm für Seitenwände und 1,0 mm für Dach) eine
Gewichtsreduzierung von 450 kg. Weitere Vorteile sind die große
Ebenheit und Steifigkeit der Paneele, die ein einwandfreies Aussehen
des Metro-Wagens garantieren.
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Projekte ganz anderer Art finden sich im Automotive-Bereich zum Beispiel
beim X-Bow „Street“, dem Leichtgewichtsportwagen des Motorradherstellers
KTM, Bild 5. Zentrales, tragendes Element ist das große
Monocoque aus einem Kohlefaser-Sandwich, an dem praktisch alle
weiteren Bauteile und Aggregate befestigt werden. Neben dem Monocoque
sind auch etliche andere Komponenten aus CFK, so auch
ursprünglich die komplette Unterboden-Verkleidung, bestehend aus
Frontsplitter, Main-Underfloor und Rear-Diffusor. Für die Anwendung
von CFK spricht das extrem niedrige Gewicht bei sehr hoher Steifigkeit
sowie die komplexen Geometrien zur idealen Luftströmungsführung.
Ein Blick hinter die Kulissen verrät jedoch den hohen Fertigungsaufwand
und die daraus resultierenden immensen Kosten. Daher galt es
im Bereich des Werkstoffeinsatzes Möglichkeiten der Kostenersparnis
zu prüfen, ohne jedoch zu viel von der Performance zu verlieren. Die
Antwort war das Aluminium-Sandwich.
Startpunkt der Analyse war zunächst der Main-Underfloor. Bei diesem
recht einfachen und - bis auf die seitlich nahezu senkrecht aufgestellten
Flügel - ebenen Bauteil liegt das Plattengewicht des Aluminium-Sandwich-Ausgangsmaterials
bei zirka 4,4 kg/m². Die Deckschichten
der verwendeten Aluminium-Sandwichplatte bestehen
aus sehr festen, 0,5 mm starkem Material der Legierung EN-AW 5182
H48, bei einer Gesamtdicke der Platte von 10 mm. Das Kernmaterial,
ein zur Welle umgeformtes Aluminiumblech der Stärke 0,3 mm, besteht
aus der gleichen Legierung.
Der erste Bearbeitungsschritt beinhaltet das Fräsen einer V-Nut für
die spätere Kantung der seitlichen Aufstellungen. Detailliert bedeutet
das die Nut-förmige Entfernung des oberen Deckblechs und der
Welle mit einem V-förmig gestalteten Fräser. Anschließend geschieht
von Hand die Aufkantung (Biegen des verbleibenden unteren Deckblechs).
Aufgrund der nun fehlenden Stabilität wird ein Aluminium-
Profil als Versteifungselement eingefügt. Der spätere Anschluss des
Main-Underfloor an Frontsplitter und Rear-Diffusor geschieht über
Schraubpunkte, die in die zwischen die Deckbleche eingeschobenen
Aluminium-Flachprofile eingebracht werden. Danach erfolgt die Lackierung
des Bauteils. Der abschließende Kantenabschluss entsteht
mittels TPE-Keder oder gekanteten Aluminiumblechen. Die Gesamtkonstruktion
ist knapp vier kg schwerer als die CFK-Konstruktion,
wobei ein erheblicher Gewichtsanteil in den massiven Aluminiumprofilen
zur Aussteifung und Anbindung liegt. Diese könnten in
einem zweiten Designschritt weiter gewichtsoptimiert werden.
Die Geometrie des Rear-Diffusors ist wesentlich komplizierter und
mit einer einfachen Sandwichplatte nicht zu realisieren. Für die ge-
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Bild 6 Der Diffusor des KTM X-Bow
krümmten Flächen, die senkrecht dazu stehenden Leitbleche
(Finnen) und 3D-Komponenten, wie die Getriebeabdeckung, mussten
neue Wege gegangen werden.
Als Ausgangsmaterial für die Tragstruktur wird der Plattentyp Aluflex
hl 05-03 hl / H9.5 verwendet. Ursprünglich das gleiche Material
wie beim Main-Underfloor, nur ohne das zweite Deckblech. Die
Konturfräsung der Aluflex-Platte bildete die Grundlage für die spätere
Stückverklebung in einer Form mit einem passend gefrästen
Alu-Blech (0,5 mm), das dann als zweites Deckblech dient. In einem
weiteren Schritt entstehen auf der CNC-Maschine die Ausfräsungen
im Kernmaterial für verschiedene Anschraubpunkte wie Side-pot
(Verkleidungselement), Verschraubung der Finnen, Anschraubdome
und Getriebetopf. Durch die hohe Festigkeit der Welle ist
eine sehr präzise Positionierung der Einlegeteile im ausgefrästen
Kernbereich möglich. Dann erfolgt das passgenaue Einlegen von
speziell angefertigten Kunststoffen aus PA6-GF (glasfaserverstärkte
Polyamidrezeptur) für Anschraubpunkte, Getriebeabdeckung etc.
In einer eigens dafür hergestellten Form –
Ober- und Unterteil bestehen aus günstigen
Holzspannten – entsteht nun die
Formgebung des Rear-Diffusors, Bild 6.
Durch exakt ausgerichtete Positionier-Hilfen
folgen das flexible Aluflex und das separate
0,5 mm Blech spannungsfrei der
durch Spannten vorgegebenen Geometrie.
Die Einlegeteile bleiben passgenau durch
die Ausfräsungen im Kernmaterial positioniert.
Zur Verklebung wird ein 2K-PU Klebesystem
benutzt. Die Aushärtezeit beträgt
bei Raumtemperatur 24 h und kann durch
Beheizen der Form auf wenige Stunden beschleunigt
werden.
Bei nahezu gleicher Performance bringt die
Aluminiumvariante eine geringe Gewichtszunahme
mit sich. Der wesentliche Preisvorteil
von etwa 1:4 rechtfertigt diese jedoch gegenüber dem CFK-
Original. So werden künftig die Basisvariante und eine Rennvariante
mit Aluminium-Unterboden ausgestattet.
Diese Anwendungsbeispiele zeigen, dass durch die systematische
Weiterentwicklung von der „einfachen“ Metawell Aluminium-Sandwichplatte
- wie sie seit 20 Jahren eingesetzt wird - hin zur Komponente
mit gekrümmter oder sogar dreidimensionaler Geometrie,
ist den Designern und Konstrukteuren eine echte Alternative für
konsequente Leichtbaukonstruktionen gegeben ist. ●
Der Autor:
Dr.-Ing. Klemens Wesolowski ist Technischer
Geschäftsführer der Metawell GmbH in Neuburg/Donau.
English abstract
Lightweight aluminium structures
Lightweight designs using aluminium sandwich systems
For many years, aluminium has been seen as the ideal material for creating lightweight structures. Aluminium
sandwich systems represent a further development in this area and can be used to produce even lighter components.
In all applications where light weight, stiffness and high quality are required, aluminium sandwich elements
are the perfect alternative. For more than 20 years, this material has been successfully used all over the world
in lightweight designs in the transport and construction industries and in more general industrial applications. This
article is by Metawell GmbH.
www.lightweight-design.de

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