Leichter, schneller, CO2-ärmer: Im britischen PIVOT-Projekt entwickeln Sarginsons Industries, Aston Martin, Siemens und weitere Partner einen integrierten Ansatz für Aluminium-Strukturgussteile. Materialdaten, Simulation und gießereitechnisches Know-how sollen dabei früher zusammenwirken – und so neue Spielräume für Bauteildesign eröffnen.
Von Gavin Shipley
Die Anforderungen an Automotive-Zulieferer verändern sich stetig. OEMs fordern leichtere Komponenten, einen geringeren CO2-Fußabdruck, kürzere Entwicklungszyklen und geringere Kosten – und versuchen gleichzeitig, die Sicherheit, Leistung und Herstellbarkeit aufrechtzuerhalten, die von Strukturbauteilen erwartet wird.
Um diese komplexen Ziele zu erreichen, reichen schrittweise Verbesserungen etablierter Gießverfahren nicht aus. Vielmehr bedarf es einer grundlegenden Neugestaltung der bestehenden Ansätze. Fundiertes Fachwissen, historische Leistungsdaten und allerneueste Innovationen ermöglichen einen frühen Einstieg in den Entwicklungsprozess, um die Konstruktion und Fertigung von Bauteilen zu revolutionieren. Dabei gilt es, Materialkenntnisse mit Simulationen zu kombinieren.
In Großbritannien ist das mit 5,8 Millionen Pfund (etwa 6,8 Millionen Euro) dotierte PIVOT-Projekt (Performance Integrated Vehicle Optimisation Technology) ein Beispiel dafür, wie dieser methodische Ansatz die Zukunft der Branche formen soll. Mit Unterstützung des Advanced Propulsion Centre (APC) bringt das Projekt die britische Aluminiumgießerei Sarginsons Industries, Aston Martin, Siemens, die Brunet University und den Metallrecycler Gescrap zusammen, um ein neues Verfahren zur Produktion von Aluminium-Strukturgussteile zu erforschen.
Sarginsons – federführender Partner im Projekt – versucht, eine zentrale Frage zu beantworten: Wenn Ingenieure schon vor der Fertigung genauer verstehen können, wie sich ein Gussteil verhalten wird: Wie viel von dem Gewicht, dem Material, dem CO2, den Kosten und der Entwicklungszeit, die üblicherweise in Bauteile einkalkuliert werden, könnte dann eingespart werden?
Konservativ war gestern
Eine der seit langem bestehenden Einschränkungen bei der Konstruktion von Strukturgussteilen ist die Unsicherheit. Obwohl Simulationswerkzeuge erheblich weiterentwickelt wurden, wird die Leistung von Gussteilen bei herkömmlichen Ansätzen in der Regel immer noch anhand durchschnittlicher oder konservativer mechanischer Eigenschaften dargestellt. In Wirklichkeit verhält sich Aluminium nicht im gesamten Bauteil einheitlich. Unterschiede in der Querschnittsdicke, der Abkühlung und der daraus resultierenden Mikrostruktur können zu lokalen Schwankungen der mechanischen Eigenschaften führen.
Bei sicherheitskritischen Konstruktionen führt Unsicherheit unweigerlich zu konservativem Verhalten. Wenn Ingenieure nicht genau berücksichtigen können, wie sich das Material im gesamten Bauteil verhält, wird zusätzliches Material eingebaut, um zu gewährleisten, dass die erforderlichen Leistungskriterien erfüllt werden.
PIVOT zielt darauf ab, diese Annahmen durch messbare Materialintelligenz zu ersetzen. Konkret trägt Sarginsons den Zugriff auf eine firmeneigene Datenbank bei, die auf mehr als 20 Jahren physikalischer Tests und mikrostruktureller Analysen basiert. Durch die Erfassung lokal variierender mechanischer Eigenschaften können wir vorhersagen, wie sich Aluminium an jedem Punkt eines Gussteils verhält und diese Informationen in die Finite-Elemente-Analyse einfließen lassen. Strukturkomponenten können dann in virtuellen Umgebungen einschließlich Crash-Simulationen validiert werden, bevor überhaupt Metall gegossen wird.
Diese Fähigkeit haben wir mit einer Technologie zur Topologie-Optimierung von Siemens kombiniert, darunter die Software „Simcenter Optistruct“ und „Simcenter Inspire“. Anstatt die Konstruktion auf einen einzigen konservativen Materialwert auszurichten, können Ingenieure die Geometrie auf der Grundlage eines genaueren Verständnisses der vorhergesagten Materialleistung optimieren.
Die Bedeutung von PIVOT liegt jedoch nicht nur in den einzelnen beteiligten Technologien, sondern darin, wie verschiedene Fachgebiete zusammengeführt werden. Bei Sarginsons bringen wir unser fundiertes Verständnis von Gießverfahren, Werkstoffen und lokalen mechanischen Eigenschaften ein. Siemens steuert seine Kompetenzen in Simulation und Topologie-Optimierung bei, während Aston Martin den fahrzeugtechnischen Kontext bereitstellt, in dem unsere gemeinsame Methodik entwickelt und bewertet werden kann. Die Brunel University und Gescrap ergänzen das Projekt mit weiterer akademischer Expertise sowie Fachwissen in den Bereichen Werkstoffe und Kreislaufwirtschaft. Anstatt Gussdesign, Materialentwicklung, Fahrzeugtechnik, Recycling und Fertigung als separate Herausforderungen zu betrachten, die nacheinander gelöst werden müssen, arbeiten wir als Konsortium daran, sie innerhalb desselben Entwicklungsprozesses miteinander zu verknüpfen.
Neueste Ergebnisse
Die neuesten Ergebnisse des PIVOT-Projekts geben einen Hinweis darauf, wie groß die Strahlkraft des Ansatzes sein könnte. Anfang dieses Jahres haben wir die ersten virtuellen Konzepte für vordere und hintere Hilfsrahmen aus Aluminiumguss vorgestellt, die für ein Demonstrationsfahrzeug eines großen britischen OEM entwickelt wurden. Die Konstruktionen sind derzeit vorne um 17 % und hinten um 35 % leichter als die Komponenten, die sie ersetzen sollen, und bieten gleichzeitig eine gleichwertige Festigkeit und Crash-Sicherheit.
Durch die Kombination materialspezifischer Leistungsdaten mit Optimierungstechnologie können wir genau ermitteln, wo Material tatsächlich benötigt wird, anstatt es zur Kompensation von Unsicherheiten hinzuzufügen. Das bedeutet, dass Ingenieure bei der Konstruktion viel näher am tatsächlichen Leistungsbereich des Gussteils ansetzen können als bei einer groben Vorhersage.
Auch für die Entwicklungskosten ergeben sich positive Auswirkungen. Physische Crashtests können bei jeder Durchführung bis zu 1 Million Pfund (etwa 1,2 Millionen Euro) kosten. Die Ausweitung der virtuell durchführbaren Konstruktions- und Validierungsarbeiten schafft Möglichkeiten, Probleme früher zu erkennen, Iterationen zu testen und Komponenten zu optimieren, bevor sich die Hersteller auf Werkzeuge und physische Prototypen festlegen.
Derzeit befinden wir uns im Übergang von der virtuellen Entwicklung zur physischen Validierung. Die Werkzeugherstellung für den vorderen Hilfsrahmen ist als Teil der nächsten Entwicklungsphase geplant; anschließend werden die Komponenten physischen Haltbarkeitstests unterzogen und zur Bewertung auf der Rennstrecke in Demonstrationsfahrzeuge eingebaut.
Diese nächste Phase wird für die breitere Anwendung der Methodik entscheidend sein, denn der wahre Wert immer ausgefeilterer digitaler Simulationen hängt letztendlich davon ab, ob eine starke Korrelation zwischen dem vorhergesagten Verhalten, den gefertigten Komponenten und der Leistung in der Praxis nachgewiesen wird.
Vom digitalen Engineering zur digitalen Fertigung
Parallel zum PIVOT-Projekt unternehmen wir Schritte, um die Zukunft der Aluminiumgießerei weiter neu zu gestalten. Anfang dieses Jahres haben wir im Rahmen des DRIVE35-Projekts der britischen Regierung, das vom Ministerium für Wirtschaft und Handel in Zusammenarbeit mit dem APC und Innovate UK durchgeführt wird, Fördermittel in Höhe von 650 000 Pfund (etwa 760 000 Euro) für eine Machbarkeitsstudie zur Skalierung erhalten.
Unsere bis Januar 2027 laufende Initiative „Future Foundry“ wird definieren, wie unser Werk in Coventry Fertigungsanlagen der nächsten Generation einführen kann, die kohlenstoffarm und digital gestützt sind – mit dem langfristigen Ziel, die Produktionskapazität zu vervierfachen und einen nahezu CO2-freien Guss in großem Maßstab zu ermöglichen.
Der erste Schritt in diesem Prozess war die Inbetriebnahme eines 3D-Druckers für anorganische Sandkerne – wir sind nun die erste Gießerei in Großbritannien, die über eine solche Anlage verfügt. Das System ermöglicht es uns, immer komplexere Sandkerne für leichte Aluminiumgussteile deutlich schneller als mit herkömmlichen Verfahren herzustellen, was die Möglichkeit von „Next-Day“-Gussteilen eröffnet. Im Vergleich dazu beträgt die typische Durchlaufzeit in der Branche für Aluminiumkonstruktionen derzeit sechs bis acht Wochen.
Die Produktionsgeschwindigkeit ist zwar ein wesentlicher Vorteil, doch der Druckprozess ermöglicht es uns zudem, in den Gussteilen eingeschlossene Gase, die die Qualität und die mechanischen Eigenschaften der fertigen Gussteile beeinträchtigen könnten, nahezu vollständig zu eliminieren. Darüber hinaus können wir schädliche Bindemittelemissionen vermeiden, die Wiederverwertbarkeit des Sandes verbessern und den Abfall während des gesamten Prozesses reduzieren.
Neue Beziehung zu den OEMs
Wir wissen, unter welchem Druck die Entwicklungsteams stehen, und haben im Rahmen von PIVOT unsere Konzepte bewusst an einigen der schwierigsten Anforderungen gemessen. Die Gewichtsreduzierungen, die wir bei den Demonstrator-Hilfsrahmen erreicht haben, geben uns Vertrauen in das Potenzial dieses neuen Ansatzes – aber wir betrachten diese Zahlen keineswegs als Endpunkt.
Die interessantere Frage ist nun, was passiert, wenn wir diese Fähigkeiten auf die nächste komplexe Herausforderung anwenden, die uns ein OEM stellt. Jedes Programm wird unterschiedliche Prioritäten haben, sei es die Gewichtsreduzierung bei einer sicherheitskritischen Struktur, der Nachweis einer unkonventionellen Geometrie, die Erhöhung des Recyclinganteils, die Beschleunigung der Validierung oder die Suche nach einem realisierbaren Fertigungsweg für ein Bauteil, das zuvor zu komplex erschien. Wir verfügen nun über ein viel breiteres Spektrum an Werkzeugen, mit denen wir diese Fragen untersuchen können.
Gavin Shipley ist Technischer Direktor bei Sarginsons Industries. In dieser Position leitet er auch das PIVOT-Projekt, das sich auf die Zukunft des Leichtbau-Gusses konzentriert.
www.sarginsons.com
Beitragsbild: Aston Martin