Zusammenfassung

Die Leichtbauart von Automobilteilen mit Schmieden ist eine wichtige Produktionsstrategie zur Herstellung stärkerer, leichter und haltbarer Komponenten. Durch die Verwendung von Materialien wie Aluminium und hochfesten Stahls erzeugt das Schmieden Teile mit einer überlegenen Körnungsstruktur und einem hohen Gewichtsverhältnis. Diese Methode ist für die Verringerung der Gesamtmasse des Fahrzeugs unerlässlich, was die Kraftstoffeffizienz direkt verbessert, die Fahrzeugdynamik verbessert und die Emissionen senkt, ohne dabei die Sicherheit oder Leistung zu beeinträchtigen.

Die Frage, warum und was das Leichtgewicht der Automobilindustrie durch Schmieden bedeutet

Die Leichtbauweise im Automobilbereich ist die gezielte Reduzierung des Gesamtgewichts eines Fahrzeugs, um dessen Leistung und Effizienz zu verbessern. Dieses Konzept ist zu einer zentralen Säule der modernen Fahrzeugtechnik geworden, angetrieben durch strenge Emissionsvorschriften und die Nachfrage der Verbraucher nach besserem Kraftstoffverbrauch. Laut Forschungsergebnissen von Institutionen wie der RWTH Aachen University ist das automobilspezifische Leichtbau-Design eine Schlüsseltechnologie zur Verringerung des Kraftstoffverbrauchs und der CO2-Emissionen, während gleichzeitig die Fahrdynamik und der Komfort erhöht werden. Ein leichteres Fahrzeug benötigt weniger Energie zum Beschleunigen und Halten der Geschwindigkeit, was zu erheblichen Effizienzsteigerungen führt.

Die Vorteile der Gewichtsreduzierung von Fahrzeugen gehen über die Kraftstoffeinsparung hinaus. Ein leichteres Fahrzeug weist ein verbessertes Fahrverhalten, eine schnellere Beschleunigung und kürzere Bremswege auf, was zu einer sichereren und agileren Fahrfreude beiträgt. Für Elektrofahrzeuge (EV) ist die Gewichtsreduzierung noch entscheidender, da sie das erhebliche Gewicht der Batteriepacks ausgleichen und die rein elektrische Reichweite verlängern kann. Wie vom US-Energieministerium (U.S. Department of Energy) festgestellt wurde, kann eine Gewichtsreduzierung um 10 % zu einer Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs um 6–8 % führen.

Hier kommt dem Schmieden eine entscheidende Rolle zu. Schmieden ist ein Fertigungsverfahren, bei dem Metall durch lokalisierte Druckkräfte geformt wird. Im Gegensatz zum Gießen, bei dem geschmolzenes Metall in eine Form gegossen wird, verfeinert das Schmieden die Kornstruktur des Metalls und richtet sie entlang der Bauteilform aus. Dieser Prozess beseitigt Porosität und erzeugt Bauteile, die deutlich fester und langlebiger sind als vergleichbare gegossene oder maschinell bearbeitete Teile. Diese inhärente Festigkeit ermöglicht es Ingenieuren, Bauteile dünner und leichter zu konstruieren, ohne auf strukturelle Integrität verzichten zu müssen, wodurch Schmieden eine ideale Lösung zur Herstellung hochbelasteter Komponenten für die Automobilindustrie darstellt.

Wichtige Materialien für geschmiedete Leichtbaukomponenten

Die Auswahl der Materialien ist entscheidend für den Erfolg der Leichtbau-Strategie bei automobilen Bauteilen mittels Schmieden. Ziel ist es, Materialien zu finden, die ein hohes Festigkeits-zu-Gewichts-Verhältnis, Langlebigkeit und Kosteneffizienz bieten. Die beiden dominierenden Materialkategorien in diesem Bereich sind Aluminiumlegierungen und hochfeste Stähle (AHSS).

Aluminiumlegierungen: Aluminium ist zum Standardmaterial für den automobilen Leichtbau geworden. Sein Hauptvorteil liegt in der geringen Dichte – etwa ein Drittel der von Stahl – kombiniert mit hoher Festigkeit durch Legieren und Schmieden. Schmiedeunternehmen investieren zunehmend in die Aluminiumproduktion, um dieser Nachfrage gerecht zu werden. Geschmiedete Aluminiumbauteile wie z. B. Federungswellen, Querlenker und Radträger reduzieren die ungefederte Masse eines Fahrzeugs erheblich, was Komfort und Fahreigenschaften verbessert. Das Verfahren ermöglicht die Herstellung komplexer Formen, die sowohl hinsichtlich Gewicht als auch Festigkeit optimiert sind, und ist daher für moderne Fahrwerk- und Aufhängungssysteme unverzichtbar.

Hochfeste Mehrphasenstähle (AHSS): Während Aluminium eine beliebte Wahl ist, bleibt Stahl ein entscheidendes Material in der Automobilfertigung. AHSS und mikrolegierte Stähle bieten außergewöhnliche Zugfestigkeit, wodurch Bauteile mit dünneren Querschnitten entworfen werden können, die dennoch strenge Sicherheits- und Leistungsstandards erfüllen. Kritische Motor- und Getriebekomponenten wie Kurbelwellen und Pleuelstangen werden oft aus geschmiedetem hochfestem Stahl hergestellt. Diese Materialien können extremen Belastungen und hohen Temperaturen standhalten und gewährleisten so die Zuverlässigkeit des Antriebsstrangs, wo ein Ausfall keine Option ist.

Zum besseren Vergleich fasst die folgende Tabelle die wichtigsten Eigenschaften dieser primären Materialien zusammen, die in der Automobilumformung verwendet werden:

Kernschmiedeverfahren und -technologien

Das Schmiedeverfahren ist keine universelle Lösung; verschiedene Techniken werden eingesetzt, um die Vielzahl an Komponenten herzustellen, die in der Automobilindustrie benötigt werden. Die Wahl des Verfahrens hängt von der Komplexität des Bauteils, dem verwendeten Material und der erforderlichen Produktionsmenge ab. Die wichtigsten Methoden sind Gesenk schmieden, Freies Schmieden und Präzisionsschmieden.

Gesenkschmieden (Geschlossenes Schmieden): Dies ist das gebräuchlichste Schmiedeverfahren für Automobilteile. Bei dieser Methode wird ein metallisches Werkstück zwischen zwei Gesenke eingelegt, die ein genaues Abbild des gewünschten Teils enthalten. Wenn sich die Gesenke schließen, verformt sich das Metall und füllt den Hohlraum vollständig aus, wodurch ein Bauteil mit definierter Form und hervorragender Maßgenauigkeit entsteht. Dieses Verfahren eignet sich ideal zur Serienfertigung von Teilen wie Pleuelstangen, Zahnrädern und Fahrwerkskomponenten, die hohe Festigkeit und Konsistenz erfordern.

Offenes Gesenk-Schmieden: Beim offenen Gesenk-Schmieden wird das Werkstück zwischen flachen oder einfach geformten Gesenken geformt, die das Metall nicht vollständig umschließen. Der Bediener formt das Werkstück durch gezielte Manipulation. Obwohl weniger präzise als das geschlossene Gesenk-Schmieden, ist dieses Verfahren äußerst vielseitig und eignet sich gut zur Herstellung großer, einfacher Komponenten wie Achsen oder zur Vorformung vor einem genaueren Schmiedeprozess.

Präzisionsschmieden (Nahezu-Nettoform) Mit dem technologischen Fortschritt hat sich auch die Präzision des Schmiedens verbessert. Präzisions- oder nahezu fertigmaßgerechtes Schmieden erzeugt Teile, die bereits sehr nah an ihren endgültigen Maßen liegen. Diese Technik reduziert den Bedarf an nachfolgenden Bearbeitungsschritten und spart dadurch Material, Zeit und Kosten. Sie ist besonders wertvoll bei der Herstellung komplexer und anspruchsvoller Bauteile wie Getriebewellen und Differentialkomponenten, bei denen enge Toleranzen entscheidend sind.

Die Durchführung dieser fortschrittlichen Schmiedeverfahren erfordert umfangreiche Fachkenntnisse und spezialisierte Ausrüstung. Anbieter wie Shaoyi Metal Technology spezialisieren sich beispielsweise auf IATF16949-zertifiziertes Warmumformschmieden für den Automobilsektor und bieten Leistungen von der Prototypenerstellung bis zur Serienproduktion an. Solche spezialisierten Unternehmen spielen eine entscheidende Rolle in der Lieferkette und ermöglichen es Automobilherstellern, das volle Potenzial der Leichtbauweise durch Schmieden auszuschöpfen.

Anwendungen und Vorteile in modernen Fahrzeugen

Der Einsatz von leichten geschmiedeten Teilen ist in nahezu jedem kritischen System eines modernen Fahrzeugs weit verbreitet. Durch den Ersatz schwererer gegossener oder maschinell bearbeiteter Bauteile durch stärkere, leichtere geschmiedete Alternativen erzielen Hersteller kumulative Gewichtsersparnisse, die sich in messbare Leistungssteigerungen umsetzen. Diese Anwendungen konzentrieren sich typischerweise auf Bereiche, die hohen Belastungen und zyklischen Lasten ausgesetzt sind.

• Motor & Antrieb: Das Herz des Fahrzeugs profitiert enorm von der Schmiedetechnik. Kurbelwellen, Pleuelstangen und Nockenwellen werden aus hochfestem Stahl geschmiedet, um den extremen Kräften der Verbrennung und Rotation standzuhalten. Die Gewichtsreduzierung dieser rotierenden und oszillierenden Teile verringert die Trägheit, wodurch der Motor schneller reagiert und effizienter arbeitet.
• Fahrgestell und Fahrwerk: Dies ist ein zentraler Bereich für Aluminiumschmieden. Komponenten wie Querlenker, Lenkkulissen und Teilrahmen werden häufig aus Aluminiumlegierungen geschmiedet. Die Verringerung des „nicht gefederten Gewichts“ (die Masse, die nicht von der Aufhängung getragen wird) ermöglicht es den Rädern, der Straßenoberfläche effektiver zu folgen, was zu besserem Fahrverhalten, Traktion und Fahrkomfort führt.
• Getriebe & Antriebsstrang: Zahnräder, Abtriebswellen und Gelenkwellen werden geschmiedet, um maximale Festigkeit und Ermüdungsbeständigkeit zu erzielen. Die Gewichtsreduzierung dieser Komponenten verringert die rotierende Masse, was die Beschleunigung und die Gesamteffizienz des Antriebsstrangs verbessert. Hohlwellen, die durch spezialisierte Schmiedeverfahren hergestellt werden, sind ein hervorragendes Beispiel für die Konzioptimierung in diesem Bereich.
• Bremssysteme: Geschmiedete Bremssättel bieten eine Kombination aus Steifigkeit und geringem Gewicht, wodurch die Bremsreaktion und die Wärmeableitung verbessert werden. Ihre Festigkeit stellt sicher, dass sie unter hohem Druck nicht verformen, und sorgt so für konstante und zuverlässige Bremsleistung.

Schmieden im Vergleich zu alternativen Methoden: Ein Vergleich von Festigkeit und Gewicht

Bei der Auswahl eines Fertigungsverfahrens für kritische Automobilkomponenten vergleichen Ingenieure häufig das Schmieden mit Gießen und maschineller Bearbeitung. Obwohl jedes Verfahren seinen Einsatzbereich hat, bietet das Schmieden deutliche metallurgische Vorteile, insbesondere für Bauteile, bei denen Festigkeit und Zuverlässigkeit entscheidend sind.

Der Hauptvorteil des Schmiedens liegt in seiner Wirkung auf die innere Korngrenzstruktur des Metalls. Der enorme Druck beim Schmiedeprozess verfeinert das Korn und zwingt es, entlang der Konturen des Bauteils zu verlaufen. Dieser kontinuierliche Kornverlauf führt zu einer Komponente mit außergewöhnlicher Zugfestigkeit, Duktilität sowie Widerstandsfähigkeit gegen Schlag- und Ermüdungsbelastungen. Im Gegensatz dazu erfolgt beim Gießen das Einbringen von flüssigem Metall in eine Form, was zu einer ungeordneteren Kornstruktur und möglichen verborgenen Poren führen kann, wodurch das Material grundsätzlich schwächer ist. Beim Fräsen, bei dem ein Teil aus einem massiven Metallblock (Billet) herausgeschnitten wird, entsteht keine Kornausrichtung; vielmehr werden die vorhandenen Kornlinien durchtrennt, was Spannungspunkte erzeugen und das Bauteil anfälliger für Versagen unter Belastung machen kann.

Diese strukturelle Überlegenheit ist der Grund, warum geschmiedete Teile deutlich stärker sind als bearbeitete oder gegossene Teile desselben Materials und derselben Größe. Diese erhöhte Festigkeit ermöglicht das sogenannte "Leichtbau", bei dem ein geschmiedetes Bauteil mit weniger Material und damit weniger Gewicht entworfen werden kann, während es dennoch die Leistungsfähigkeit eines schwereren Teils übersteigt, das mit einer anderen Methode hergestellt wurde. Für sicherheitskritische Anwendungen wie Fahrwerk und Lenkkomponenten sind sie durch die Zuverlässigkeit und Festigkeit des Schmiedens die beste Wahl. Während die anfänglichen Werkzeugkosten für das Schmieden höher sein können, machen die langfristige Haltbarkeit und das Potenzial zur Massenreduzierung es oft zur effektivsten Lösung für Hochleistungs-Automotiveanwendungen.

Häufig gestellte Fragen