Leicht und sicher mit hochfesten Aluminiumbauteilen

Die Herstellung von Autos, die leichter, energieeffizienter und sicherer sind, ist eine Herausforderung für die gesamte Automobilindustrie. Um diese Herausforderung zu meistern, hat sich der amerikanische Elektroautohersteller Lucid Motors für eine innovative Technologie entschieden: Beim Lucid Air, der 2021 auf den Markt kam, bestehen mehrere Bauteile aus warmumgeformtem hochfesten Aluminium. Schon 2015 war Lucid auf der Suche nach Technologien zur Herstellung von crashrelevanten Teilen wie Türrahmen, B-Säulenversteifungen und Komponenten zum Schutz des Battery Packs. Dabei wandte sich das Unternehmen an AP&T.

Lucid stellte AP&T eine Reihe von Bauteil- und Prozessanforderungen, die das Team dazu antrieben, neue und fortschrittliche Prozesse zu entwickeln, um schließlich Produkte mit geringem Gewicht, hoher Umformbarkeit, Festigkeit und Duktilität in hohen Stückzahlen herzustellen. Zu diesem Zeitpunkt war AP&T intensiv an Innovationsprojekten beteiligt, die untersuchten, wie hochfestes Aluminium zur Herstellung von Karosseriebauteilen mit geringem Gewicht und hoher Festigkeit verwendet werden konnte. Als direktes Ergebnis dieser Projekte wählte Lucid AP&T für den Lucid Air als Zulieferer. „Wir sind sehr stolz darauf, dass wir an der Realisierung dieses fantastischen Autos mitwirken durften. Lucid Motors gehört zu den ersten Automobilherstellern der Welt, die warmumgeformte, hochfeste Aluminiumbauteile verwenden, die mit unserer Technologie hergestellt werden“, sagt Dr. Christian Koroschetz, Chief Sales Officer bei AP&T.

Im Laufe des Jahres 2017 nahm die Entwicklungsarbeit durch den Einsatz von Computer Aided Engineering Fahrt auf. Die Experten für Umformtechnik von AP&T führten FEM-Simulationen der Blechumformung durch, die mögliche Risiken von Rissen und Faltenbildung während des Umformprozesses erkannten. Die Ingenieure von Lucid nutzten das Feedback aus diesen Simulationen, um das Design der Karosseriebauteile zu verbessern. „AP&T präsentierte eine vielversprechende neue Technologie. Die potenziellen Vorteile waren beträchtlich, denn die Warmumformung ermöglichte die Herstellung komplexer Teilegeometrien mit hochfestem Aluminium. Dank der Kombination aus hoher Umformbarkeit, hoher Festigkeit und geringem Gewicht konnte das Design der Bauteile tatsächlich optimiert werden. Dadurch konnte der Bauraum effizienter genutzt und ein hohes Maß an Kollisionssicherheit sowie ein geringer Energieverbrauch erreicht werden, was dem Endkunden zugutekommt“, so Eric Bach, Senior Vice President of Product und Chefingenieur bei Lucid.

Im selben Jahr präsentierte AP&T die erste komplette Produktionslinie für die Warmumformung von hochfestem Aluminium, um das Potenzial der neuen Technologie zu demonstrieren. Die Innovation wurde mit dem Altair Enlighten Award ausgezeichnet. In den Jahren 2019 und 2020 wurden Tests durchgeführt, um die Robustheit des Prozesses zu validieren und Testdaten zu erhalten. Das Design eines Bauteils ist zwar entscheidend für die Erfüllung der Crash-Anforderungen an die Karosserie, aber auch die Festigkeit, die Dehnung und das Faltenbild beim Crash spielen eine entscheidende Rolle.

Die Werkstoffingenieure und Karosseriekonstrukteure von Lucid arbeiteten mit den Blechbearbeitungsingenieuren von AP&T zusammen und ermittelten die idealen Werkstoffe, um die geforderten Bauteilanforderungen zu erfüllen. In der Versuchsanlage von AP&T im schwedischen Ulricehamn wurden zahlreiche Versuche mit Aluminiumlegierungen von unterschiedlichen Anbietern durchgeführt. Das Team implementierte die von diesen Materiallieferanten empfohlenen Parameter in den Produktionsprozess. In dieser Projektphase wurden der optimale Werkstoff, die Prozessführung beim Umformen und die Wärmebehandlungsparameter festgelegt. Die Robustheit des Prozesses wurde durch eine intensive experimentelle Studie validiert, die Werkstofftests in den Testlabors der Zulieferer und umfangreiche Bauteiltests durch die Werkstoffingenieure von Lucid umfasste. Werkstoff- und Versagensmodelle, die für die Durchführung von FEM-Crash-Simulationen erforderlich sind, wurden von den Lucid-Entwicklungsingenieuren überprüft. Lucid erhielt zur Kalibrierung der Modelle Testmuster, die aus fertigen Bauteilen entnommen wurden, die den gesamten Prozessweg in der Produktionslinie von AP&T durchlaufen hatten.

Nachdem die leistungsfähigsten Materialien ausgewählt waren, wurden von AP&T Prototypwerkzeuge zur Verfügung gestellt. Die Prototypteile wurden in der AP&T-Produktionslinie hergestellt, um den Beta-Prototyp und Release Candidate (RC) von Lucid zu bauen, die den strengen Bauteil- und Fahrzeugtests von Lucid unterzogen wurden. „Dank der FEM-Simulationsmodelle von AP&T für die Blechumformung wurden die nötigen Produktionskapazitäten in einem sehr kurzen Zeitrahmen ermöglicht. Durch die Verwendung von Simulationsmodellen, die in verschiedenen Forschungsprojekten optimiert worden waren, konnte die Zeit für die Einarbeitung der Werkzeuge erheblich verkürzt werden. Infolgedessen konnte AP&T innerhalb sehr kurzer Zeit mehrere Produktionswerkzeuge bereitstellen“, sagt Dr. Michael Machhammer, Manager of Development Forming Processes & Tooling bei AP&T.

Es stellte sich nun die Frage, wer die Großserien-Fertigung übernehmen sollte. Aufgrund der langjährigen Zusammenarbeit empfahl AP&T die Fischer Group als Fertigungspartner, um die Produktionsanforderungen von Lucid zu erfüllen. „Unsere Beziehung zu AP&T besteht seit 20 Jahren, und wir tauschen regelmäßig Ideen für innovative Umformverfahren mit dem F&E-Team des Unternehmens aus. Vor etwa fünf oder sechs Jahren stellte AP&T die Vorteile von warmumgeformtem Aluminium vor, was unser Interesse weckte, uns mit dieser Technologie näher zu befassen. Wir sind ständig auf der Suche nach neuen Bereichen und Anwendungen, in die wir unser Wissen in der werkzeuggestützten Umformung und unser Know-how als Zulieferer der Automobilindustrie einbringen können. Dies bot uns die Gelegenheit, genau das zu tun“, sagt Dr.-Ing. Stefan Geißler, Geschäftsführer bei Fischer Hydroforming und Key Account Manager für die Zusammenarbeit mit AP&T und Lucid.

AP&T und die Fischer Group begannen mit der Planung der industriellen Produktion der Lucid-Komponenten am Fischer-Standort Achern in Baden-Württemberg. Während AP&T die vorhandene servohydraulische Presse und die Werkzeuge nach Achern verlagerte, lief die Produktion im Werk Ulricehamn während dieser Übergangszeit sofort an, sodass das Projekt im Zeitplan bleiben konnte. Lucid und AP&T arbeiteten auch eng mit Fischer bei der Feinabstimmung der Wärmebehandlungsparameter zusammen, damit sichergestellt war, dass die Bauteile die Spezifikationen erfüllten und gleichzeitig eine hohe Stückzahlkapazität produziert werden konnte. „AP&T und unser Team leisteten gemeinsam eine hervorragende Arbeit. Bis April 2021 hatten wir die Geschwindigkeit so weit erhöht, dass wir in Ulricehamn 1.500 Bauteilsätze von Türrahmen, B-Säulen und Batteriepack-Abdeckungen für Lucid Air produzieren konnten“, erklärt Thorsten Junge, Leiter der Geschäftsentwicklung bei Fischer Hydroforming.

Parallel dazu wurde am Standort Achern ein intensives Projekt durchgeführt, um die Installation der neuen Anlage und der Zusatzgeräte, beispielsweise für 3D-Beschnitt, Alterung und Reinigung, vorzubereiten. Um Platz zu schaffen, wurde ein brandneues Industriegebäude errichtet. „Wir überwachten auch die Rohmaterialbeschaffung. Obwohl es eine Herausforderung darstellte, war das Endergebnis ein Erfolg, und die Linie wurde im Sommer von Ulricehamn nach Achern verlegt und im Dezember 2021 in Betrieb genommen“, so Junge. Als im Oktober 2021 die Auslieferung des Lucid Air, eines der technisch anspruchsvollsten Elektroautos der Welt, an Kunden begonnen wurde, gab es nicht nur in der globalen Lucid-Zentrale im kalifornischen Newark, sondern auch in Achern und Ulricehamn Grund zum Feiern. Diese Lösung könnte der gesamten Automobilindustrie Möglichkeiten zur Gewichtsreduzierung und zur Verbesserung der Sicherheit eröffnen.

Nach der erfolgreichen Markteinführung ist die Nachfrage nach Lucid Air ungebrochen, was wiederum die Nachfrage nach warmumgeformten, hochfesten Aluminiumbauteilen steigert. „Jetzt geht es darum, den Produktionsprozess weiter zu optimieren und die Produktionsmengen zu erhöhen, was sich auch positiv auf den Endgewinn auswirken wird“, sagt Robert Walton, Director of Purchasing bei Lucid. Um den Bedarf von Lucid zu decken, hat Fischer weitreichende Pläne, in der Nähe des Lucid-Werks in Casa Grande in Arizona mit der Herstellung von hochfesten Aluminiumteilen unter Einsatz innovativer Aluminium-Umformtechniken zu beginnen. „Es ist großartig, Teil der aufregenden Reise von Lucid zu sein und zu wissen, dass unsere drei Unternehmen zusammenarbeiten konnten, um die weltweit erste großtechnische Anwendung dieser Umformtechnik zu verwirklichen“, sagt Dr.-Ing. Stefan Geißler. „Als bewährter Partner vieler Akteure in der Automobilindustrie ermöglichen wir die Entwicklung eines nachhaltigeren Verkehrssektors mit sichereren, energieeffizienteren Fahrzeugen, die die Umwelt weniger belasten; dieses Mal anhand einer innovativen Technologie in Zusammenarbeit mit einem zukunftsweisenden Automobilhersteller. Das ist großartig!“, sagt Dr. Christian Koroschetz.