Entwicklung 2.0 Vernetzung von Produkt und Prozeß · knuckle Redesigned CVC knuckle Weight -22%...

KSM Castings Gruppe

Entwicklung 2.0 Vernetzung von Produkt und Prozeß

Dr. K. Greven, Th. Buschjohann KSM Castings GmbH

2 KSM Castings Gruppe / Entwicklung 2.0 - Vernetzung von Produkt und Prozeß

KSM Castings Gruppe

Motiviation

Der Entwicklungablauf

Vernetzung von Produkt-, Verfahrens- und Werkstoffentwicklung

Beispiel Radträger

Beispiel Hybridkomponenten

Aluminium / Stahl

Aluminium / Kunststoff

Zusammenfassung

Inhalt


KSM Castings Gruppe

Entwicklung des Fahrzeuggewichts Beispiel VW Golf (Gewicht in kg)

Aluminium Anteil in PKW (kg aluminium pro Fahrzeug)

167153 148

132 130

95

70

90

110

130

150

170

190

Mercedes VW

Group

GM Toyota EU

Target 2012

EU

Target 2015

CO2 Flotten Emission vs. Zielen des Gesetzgebers (g CO2 pro km)

790890

9601,050

1,155 1,217

0

200

400

600

800

1,000

1,200

1,400

Golf I Golf II Golf III Golf IV Golf V Golf VI

+427 kg / +54%

KY

0

40

80

120

160

200

1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015 2020

Quelle: Roland Berger

Motivation


KSM Castings Gruppe

powertrain

60%

chassis

38%

body

2%

body 39%

chassis

24%

powertrain

16%

equipment 15%

electrical

system

6%

Typische Massenverteilung Aluminium Anteil nach Anwendung

Motivation


KSM Castings Gruppe

Motiviation



Beispiel Radträger


Aluminium / Stahl


Zusammenfassung

Inhalt


KSM Castings Gruppe

Designvorschlag

Bauraum

CPC

CVC

Bauteildesign

Entwicklungsablauf

Topologieoptimierung

KG

• Lastfälle • Steifigkeits-

anforderungen


KSM Castings Gruppe

Bauraum

Designvorschlag

CPC

CVC

Bauteildesign

Topologieoptimierung

KG

• Lastfälle • Steifigkeits-

anforderungen

Verfahrens-entwicklung

Werkstoff-entwicklung

Entwicklungsablauf


KSM Castings Gruppe

Motiviation



Beispiel Radträger


Aluminium / Stahl


Zusammenfassung

Inhalt


KSM Castings Gruppe

Beispiel: Radträger

KSM Castings Gruppe

Bauraum Topologieoptimierung Verfahren


KSM Castings Gruppe

Werkzeug-technologie

Wärme-behandlung

KSM-Kolben Vakuum-

steuerung

Prozeß-überwachung

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

Controlled Vacuum Casting


KSM Castings Gruppe

Vacural

Vakuum DG

Poro

sität

[%]

CVC vs. Vakuum DG und Vacural

CVC Vakuum DG Vacural

CVC Prozeßentwicklung CVC


KSM Castings Gruppe

Legierung: EN AC-43500 (AlSi10MnMg)

Wärmebehandlung: T6, T7

Prozeßentwicklung CVC


KSM Castings Gruppe

Produktentwicklung CVC-Radträger

Steifigkeitsberechnung Spannungsberechnung Gußteil


KSM Castings Gruppe

0,0

2,0

4,0

6,0

8,0

10,0

12,0

14,0

16,0

18,0

0,0

50,0

100,0

150,0

200,0

250,0

300,0

350,0

400,0

29.12.2010 28.02.2011 30.04.2011

elo

ng

ati

on

rate

[%

]

yie

ld s

tren

gth

, te

nsile

str

en

gth

[M

Pa]

tensile strength

yield strength

elongation rate

Prozeßentwicklung CPC

KSM Castings Gruppe

15 KSM Castings Group / Simultaneous & Technological Engineering June, 2011

Ziel: Herstellung komplexer und dünnwandiger Bauteile im hochbelasteten Fahrwerksbereich

Radträger MQB Front

Temperierung der Kokille über Heiz-/Kühlmedium

Prozesssicherer Einsatz von Schiebern im Druckkessel

Anwendung von Speisern im CPC Verfahren

Prozeßentwicklung CPC


KSM Castings Gruppe

Produktentwicklung CPC-Radträger

Steifigkeitsberechnung Spannungsberechnung Gußteil


KSM Castings Gruppe

Cast aluminum knuckle

Redesigned CVC knuckle

Weight -22%

Redesigned CPC knuckle

Cast aluminum knuckle

Weight -31%

Vergleich CPC vs. CVC


KSM Castings Gruppe

100

150

200

250

300

350

0 5 10 15

Str

eckgre

nze (

MPa)

Bruchdehnung (%) nie

dri

g

Hoch

niedrig Hoch

Druckguss

Kokillen- guss CVC

Gew

ichts

ein

sparp

ote

nzia

ll

Crash-Relevanz

CPC

Legierungsentwicklung CPC


KSM Castings Gruppe

…

Legierungsentwicklung CPC

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

24

26

28

30

100

120

140

160

180

200

220

240

260

280

300

320

340

360

380

400

0 2 4 6 7 8

Bru

ch

deh

nu

ng

[%

]

Zu

gfe

sti

gkeit

, S

treckg

ren

ze [

MP

a]

Auslagerungsdauer [h]

Rm

Rp0.2

Bruchdehnung

Legierungsvariante 1: AlSiMg

Auslagerungstemperatur: 170°C


KSM Castings Gruppe

Motiviation



Beispiel Radträger


Aluminium / Stahl


Zusammenfassung

Inhalt


KSM Castings Gruppe

Potential application: Premium cars, light commercial vehicles, electric cars

Target: Weight reduction of 20% - 40%

Aluminium / Stahl Hybridradlager


KSM Castings Gruppe

Aluminium / Stahl Hybridradlager

T6-A T6-B

Rm 313 304

Rp0,2 272 243

A5 1,9 3,7

0

1

2

3

4

5

6

7

0

50

100

150

200

250

300

350

Bru

ch

deh

nu

ng

[%

]

Str

eckg

ren

ze, Z

ug

festi

gkeit

[M

Pa]

Fe

Al


KSM Castings Gruppe

Beispiel VarioStruct

Leichtbaupotenzial durch sehr hohe Strukturleistungen

Querschnittsstabilisierung durch die Rippen einer Hybridstruktur

konventionelle Blechstruktur (B)

Fmax

Hybridstruktur (H)

n Fmax

Aktivierung von Tragreserven oberhalb der Beulspannungen

maxB

kritB

Druckspannung maxH

kritH

krit = kritische Beulspannung

max = maximale Beulspannung

b b

b = Plattenbreite in einem Profil

Rippen Rippen


KSM Castings Gruppe

Technologische Grundlagen

Untersuchungen an verschiedenen Grundlagenkörpern im Spannungsfeld

zwischen FEM und Prototypen


Formschlussprobe Grenzschubprobe

Grundlagenprofil

Entwicklung Demonstrator

Auslegung, Fertigung und Prüfung des Verbundguss-Dachquerträgers

Dachquerträger


KSM Castings Gruppe


Kra

ft

Weg

Zentrische 3-Punkt-Biegung

Test VarioStruct

Test Original

117% 135%

72%

100% 100% 100%

0%

20%

40%

60%

80%

100%

120%

140%

160%

Fmax Energie

Absorption

Masse

VarioStruct Original


KSM Castings Gruppe

4,7 kg

3,4 kg


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

Original: Differenzialbauweise

Verbundguss: Integralbauweise


KSM Castings Gruppe

Untersuchung zu Kunststoff-Aluminium Verbunden

Kunststoff

Aluminium

Øaußen=10mm

Øinnen=5.5mm

Kraft

Fixierung

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


KSM Castings Gruppe


Hybrid Aluguss-Kunststoff

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2

Deformation [mm]

Kra

ft [

N]

Hybridteile_AL-Kunststoff_11











Maßtoleranzen im Hybrid wirken sich minimal auf die Maximalkraft aus und beeinflussen im geringen Maß die Deformationen


KSM Castings Gruppe


Vergleich Versuch-CAE

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 1,20

Deformation [mm]

Kra

ft [

kN

]

Versuch

Berechnung


KSM Castings Gruppe

Motiviation



Beispiel Radträger


Aluminium / Stahl


Zusammenfassung

Inhalt


KSM Castings Gruppe

Zusammenfassung

Design

Verfahren

Werkstoff

Gewichtseinsparung durch Werkstoff-substitution oft bereits umgesetzt

Weitere Gewichtseinsparung nur durch optimales Zusammenspiel von Werkstoff, Verfahren und Design

Topologieoptimierung zur Ermittlung des theoretisch möglichen Gewichtsminimum

Stetige Weiterentwicklung der Verfahren und Werkstoffe um dieser Lösung möglichst nahe zu kommen

Kombination verschiedener Werkstoffe in einer Komponente falls notwendig

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