HIER STEHT DIE 1. ÜBERSCHRIFT und eventuell noch ein Untertitel

Anwendungspotenziale für umformtechnisch
erzeugte Magnesiumhalbzeuge
Dr. J. Grigoleit / Prof. Dr.-Ing. R. Kawalla / Dr.-Ing. C. Schmidt
DGM Werkstoffwoche 2015, Dresden, 16.09.2015
TU Bergakademie Freiberg | Institute of Metal Formung | Bernhard-von-Cotta-Str. 4 | 09599 Freiberg | Germany
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Agenda
Anwendungspotenziale für umformtechnisch erzeugte
Magnesiumhalbzeuge
1. Magnesiumwerkstoffe: Eigenschaften und Vorzüge
2. Anwendungsfelder
3. Wettbewerbssituation und Entwicklungsszenarien
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Leichtbauwerkstoff Magnesium
Eigenschaften Magnesium
Kristallstruktur
Schmelzpunkt
Dichte
hexagonal dicht gepackt (hdp)
ca. 650°C
ca. 1,75 g/cm³ bei Raumtemperatur
Vorteile
 35 % leichter als Aluminium bei ähnlichen
mechanischen Eigenschaften
 Gewichtseinsparung gegenüber Stahlbauteilen ca. 50 – 60%
 Gute Umformbarkeit (Warmumformung)
 Spanende Bearbeitung mit höheren Schnittgeschwindigkeiten und
geringerem Werkzeugverschleiß verglichen mit anderen Metallen
 Gute Schweißbarkeit unter Schutzgas
 Leitfähigkeit für Wärme und elektrischen Strom
 Gute elektromagnetische Abschirmung
 Praktisch unbegrenzte Rohstoffreserven
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Leichtbauwerkstoff Magnesium
Verbreitete Vorurteile
• Magnesium ist ein vergleichsweise teurer Werkstoff und
deshalb unwirtschaftlich
• Magnesium ist ein kritischer Rohstoff
• Magnesium schneidet bei
LCA-Bewertungen schlecht ab
• Magnesium ist brennbar und
deshalb gefährlich
• Magnesium lässt sich nur mit
großem Aufwand verarbeiten
• Magnesium ist aufgrund seiner
Korrosionsneigung nicht einsetzbar
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Leichtbauwerkstoff Magnesium
Verbreitete Vorurteile
• Magnesium ist ein vergleichsweise teurer Werkstoff und
deshalb unwirtschaftlich
Ursache: - Es werden massebezogene Preise verglichen,
wodurch der geringere Massebedarf nicht
berücksichtigt wird
- Die heutige manufakturartige Einzelfertigung von
Magnesiumkomponenten wird industriellen
Großserienprozessen gegenübergestellt
- Funktionale Vorteile und Leichtbaueffekt werden bei
einem reinen Preisvergleich oft vernachlässigt
 Leichtbaueffekt muss bei Kostenvergleichen
berücksichtigt werden!
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Massebezogener Preisvergleich
4500
4000
3500
2500
Stahl
2000
Aluminium
Magnesium
1500
1000
500
01.06.2015
01.03.2015
01.12.2014
01.09.2014
01.06.2014
01.03.2014
01.12.2013
01.09.2013
01.06.2013
01.03.2013
01.12.2012
01.09.2012
01.06.2012
01.03.2012
01.12.2011
01.09.2011
01.06.2011
01.03.2011
01.12.2010
01.09.2010
01.06.2010
01.03.2010
01.12.2009
01.09.2009
01.06.2009
01.03.2009
01.12.2008
01.09.2008
01.06.2008
01.03.2008
01.12.2007
01.09.2007
01.06.2007
01.03.2007
01.12.2006
0
01.09.2006
Preis in EUR/t
3000
Datenquellen: Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe (Al und Mg), Ambros Schmelzer & Sohn GmbH & Co KG (Stahl)
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Volumenbezogener Preisvergleich
9000
8000
7000
5000
Stahl
4000
Aluminium
Magnesium
3000
2000
1000
01.06.2015
01.03.2015
01.12.2014
01.09.2014
01.06.2014
01.03.2014
01.12.2013
01.09.2013
01.06.2013
01.03.2013
01.12.2012
01.09.2012
01.06.2012
01.03.2012
01.12.2011
01.09.2011
01.06.2011
01.03.2011
01.12.2010
01.09.2010
01.06.2010
01.03.2010
01.12.2009
01.09.2009
01.06.2009
01.03.2009
01.12.2008
01.09.2008
01.06.2008
01.03.2008
01.12.2007
01.09.2007
01.06.2007
01.03.2007
01.12.2006
0
01.09.2006
Preis in EUR/m³
6000
Datenquellen: Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe (Al und Mg), Ambros Schmelzer & Sohn GmbH & Co KG (Stahl)
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01.06.2015
01.03.2015
01.12.2014
01.09.2014
01.06.2014
01.03.2014
01.12.2013
01.09.2013
01.06.2013
01.03.2013
01.12.2012
01.09.2012
01.06.2012
01.03.2012
01.12.2011
01.09.2011
01.06.2011
01.03.2011
01.12.2010
01.09.2010
01.06.2010
01.03.2010
01.12.2009
01.09.2009
01.06.2009
01.03.2009
01.12.2008
01.09.2008
01.06.2008
01.03.2008
01.12.2007
01.09.2007
01.06.2007
01.03.2007
01.12.2006
01.09.2006
normierte Rohmaterialkosten in EUR
Normierte Rohmaterialkosten im Bauteil
2500
2000
1500
Stahl
1000
Aluminium
Magnesium
500
0
Annahme: Leichtbauvorteil von Mg gegenüber Stahl von 50% und gegenüber Aluminium von 25%
8
Kostenbetrachtung Magnesiumbauteile
• Bei Berücksichtigung der Materialeinsparung ist Magnesium
hinsichtlich der Rohstoffkosten je Bauteil auf einem Level mit
Aluminium
• Entscheidend sind die Kosten der Werkstoffherstellung und
-verarbeitung!
Bauteilbezogene Herstellungskosten
Bauteilkosten im Bereich zwischen Aluminium und CFK
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Leichtbauwerkstoff Magnesium
Verbreitete Vorurteile
• Magnesium ist ein kritischer Rohstoff
Ursache: - Durch die EU wurde Magnesium der Gruppe der
kritischen Rohstoffe zugeordnet, da Hersteller aus
China den Markt dominieren
Fakten:
- Magnesium ist eines der am häufigsten
vorkommenden Elemente auf der Erde und kann als
Rohstoff nahezu überall und in nahezu unbegrenzter
Menge erzeugt werden
- Gegenwärtig gibt es weltweit zahlreiche Großprojekte
zum Bau von Anlagen zur Magnesiumerzeugung
- Zukünftig kann Magnesium ggf. als Nebenprodukt bei
der Meerwasserentsalzung kostengünstig und in
großen Mengen erzeugt werden
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Leichtbauwerkstoff Magnesium
Verbreitete Vorurteile
• Magnesium schneidet bei LCA-Bewertungen schlecht ab
Ursache: - Bei der Erstellung der Umweltbewertung wird häufig von
extrem ungünstigen Emissionswerten bei veralteten
Produktionsanlagen in China ausgegangen
- Oft wird recyceltes Aluminium mit primär erzeugtem
Magnesium verglichen
Fakten:
- Neue Produktionsanlagen arbeiten deutlich
umwelteffizienter (auch in China), so dass sich die
Situation in den letzten Jahren enorm verbessert hat
- Bei einem direkten Vergleich der Primärerzeugung von
Aluminium und Magnesium sind die Emissionen bei
Magnesium geringer
- Das Verbot der Verwendung von SF6 und das künftig zu
erwartende Magnesium-Recycling werden die Situation
weiter verbessern
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Leichtbauwerkstoff Magnesium
Verbreitete Vorurteile
• Magnesium ist brennbar und deshalb gefährlich
Ursache: - Verzerrte Wahrnehmung aufgrund der Anwendung
von Magnesiumpulvern in der Pyrotechnik
Fakten:
- Kompakte Magnesiumbauteile sind nur sehr schwer
entflammbar
- In Span- und Staubform brennen auch Stahl und
Aluminium (die meisten Kunststoffe sowieso)
- Für besonders kritische Anwendungen sind
Magnesiumlegierungen mit Kalzium oder Yttrium
verfügbar, die nahezu nicht brennbar sind
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Leichtbauwerkstoff Magnesium
Verbreitete Vorurteile
• Magnesium lässt sich nur mit großem Aufwand verarbeiten
Ursache: - Die umformtechnische Verarbeitung von Magnesium muss
temperiert erfolgen, was entsprechende Anforderungen an
die Werkzeug- und Prozesstechnik stellt
Fakten:
- Warmumformung ist inzwischen Stand der Technik und gut
beherrschbar (Anwendung auch für viele Al-Legierungen)
- Übertragbarkeit der relevanten Verfahren der
Metallverarbeitung auf Magnesiumwerkstoffe ist vielfach
belegt und erfolgreich erprobt
- Spanende Bearbeitung und Schweißen besser und mit
größerer Effizienz möglich als bei Aluminium
- zunehmende Erfahrung und größere
Produktionsstückzahlen werden die Kosten der
Verarbeitung von Magnesium weiter senken
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Leichtbauwerkstoff Magnesium
Verbreitete Vorurteile
• Magnesium ist aufgrund seiner Korrosionsneigung nicht
einsetzbar
Ursache: - Starke Korrosion lässt sich unter Versuchsbedingungen
leicht provozieren
Fakten:
- Durch Beschichtungen lässt sich ein wirksamer und
nachhaltiger Korrosionsschutz schaffen
- Durch Vermeidung von Kontaminationen in und auf den
Werkstoffen sowie von elektrischen Kontakten zu
edleren Stoffen lässt sich die Korrosionsneigung stark
vermindern
- Bei rein athmosphärischer Bewitterung überzieht sich
Magnesium, genau wie Aluminium, mit einer dünnen
Oxidschicht, die eine weitergehende Korrosion
verhindert
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Leichtbauwerkstoff Magnesium
Vergleichende Bewertung der Eigenschaften verschiedener
Werkstoffe
(Quelle: Expertenbefragung 2011)
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Leichtbauwerkstoff Magnesium
Eigenschaftsvergleich Magnesium - CFK
Magnesium
CFK
Dichte
1,74 – 1,8 g/cm³
1,55 – 1,8 g/cm³
Rohstoffkosten
2,60 – 3,00 €/kg
9 – >100 €/kg
Verarbeitungsaufwand
Hohe Produktivität,
bekannte Verfahren der
Metallverarbeitung
Aktuell kaum serienfähige
Prozesse vorhanden, hoher
Entwicklungsbedarf
Recyclingfähigkeit
Sehr gut
Aufwendig und nur mit
Qualitätsminderung
Crasheigenschaften
Kann durch Verformung
Energie aufnehmen
Problematisches
Bruchverhalten
Reparaturfähigkeit
Prinzipiell gegeben
Problematisch
Wärme- und Stromleitung
Gut bis sehr gut
Bedingt gegeben
Abschirmung gegen
elektromagnetische Strahlung
Sehr gut
Nur bedingt
Fazit: Metalle werden nicht vollständig durch Kunststoffe verdrängt werden!
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Agenda
Anwendungspotenziale für umformtechnisch erzeugte
Magnesiumhalbzeuge
1. Magnesiumwerkstoffe: Eigenschaften und Vorzüge
2. Anwendungsfelder
3. Wettbewerbssituation und Entwicklungsszenarien
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Anwendungsfelder für umformtechnisch erzeugte
Magnesiumhalbzeuge
Fahrzeugbau
Schiffbau
Luft- und
Raumfahrttechnik
Medizin- und
Pflegetechnik
Gütertransport
Maschinen- und
Anlagenbau
Reisebedarf
Bühnen- und
Messebau
Gebäudetechnik
Haushalts- und
Freizeitgeräte
Elektronikgeräte
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Mobilität als primärer Volumenmarkt
Leichtbau weiterhin Kernthema und Wachstumsmarkt
•
•
•
zunehmender Personen- und Güterverkehr / globaler Anstieg der
Mobilität
Rohstoffknappheit und Klimaschutz sorgen für gestiegene
Anforderungen hinsichtlich Energie- und Ressourceneffizienz
Leichtbau als Innovationsziel in zahlreichen Anwendungsfeldern
Wachsendes Interesse an Magnesiumwerkstoffen
•
•
•
Entwicklung im Bereich Elektromobilität begünstigt Nachfrage nach
Leichtbauwerkstoffen
Recyclingverordnungen begrenzen den Anteil von Kunststoffen im
Automobil  Magnesium als Alternative
Anwendbarkeit und Gewichtseinsparpotenziale gegenüber Stahl und
Aluminium anhand diverser Prototypen-Benchmarks nachgewiesen
Anwendungsfelder
•
•
•
PKW und Nutzfahrzeuge
Schienenfahrzeuge
Flugzeuge
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Leichtbau als Mittel zur Verminderung der CO2-Emissionen
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Leichtbau als Mittel zur Verminderung der CO2-Emissionen
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Besondere Eignung von Magnesiumwerkstoffen
• Flächige Bauteile ohne tragende Funktion
• Komponenten, die keinen starken korrosiven oder abrasiven
Einflüssen ausgesetzt sind
• Komponenten ohne besondere Anforderungen an die Oberflächengüte
• Komponenten, die im Crashfall keine starken Verformungen
aufnehmen müssen
• Komponenten, die keinen starken thermischen Belastungen
ausgesetzt sind
Prädestinierte Bauteile:
•
•
•
•
•
Innenbleche von Türen, Motorhaube, Heckklappe
Sitzschalen, Sitzrückwand
Stirnwand
Dachspriegel
Einbaurahmen und Komponentengehäuse
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Einsatzpotenziale Magnesiumblech im Automobil
Dachquerträger
Dach
Rückwand
Heckklappe
Instrumentenquerträger
Abdeckung Hutablage
Motorhaube
Bodenblech Laderaum
Bodenblech Tank
Sitzschale
Tunnel mitte
Hauptboden unten (geteilt)
Potenzial je Fahrzeug > 40 Kg
Quelle: ThyssenKrupp MgF
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23
Anwendungsbeispiele
Instrumentenquerträger (IPC)
o
Simulation und Fertigung von ersten
Prototypen eines MagnesiumInstrumentenquerträgers
o
Gewichtseinsparungen:
Projekt 1: gegenüber Al-Version : 20%
Projekt 2: gegenüber Stahl-Version: 53%
Autotür aus TeMaK-Projekt
o
Erzielte Gewichtseinsparung Mg-Autotür
gegenüber Al-Version: 25 %
Quelle: ThyssenKrupp MgF
24
Anwendungsbeispiele
Magnesium-Dach Porsche
Erfolgreicher Test der Mg-Blechtechnologie beim 24-h-Rennen auf
dem Nürburgring
Magnesium-Dach
 Gewichtseinsparung im Dachbereich: 7,5 2,3 kg (- 69 %)
Quelle: ThyssenKrupp MgF
25
Anwendungsbeispiele
Rückbanksitz (BMW)
Crashtest erfolgreich durchgeführt
3er BMW
 Gewichtseinsparung : 11,5  5,47 Kg (- ~52%)
Quelle: ThyssenKrupp MgF
26
Erfolgreicher Nachweis der Crasheignung
Hauptanforderung an die Durchlade:
- Rückhaltung des Ladegutes nach Richtlinie ECE R 17
27
Anwendungsbeispiele
VW XL1 – 1 Liter Auto
5 Komponenten aus Magnesiumblech (u.a. Instrumententafelträger)
Quelle: ThyssenKrupp MgF
28
Erlaubte Mehrkosten für den Leichtbau
Geringerer Verbrauch und höhere Fahrdynamik verbessern den
Kundennutzen und steigern den Produktwert
Hinten Unten
Vorn Unten
Wettbewerbsfähigkeit
gegeben!
Wettbewerbsfähigkeit
prinzipiell gegeben
Quelle: in Anlehnung an http://www.automobil-produktion.de (2011)
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Einsatzpotenziale Mg-Draht
 Verbindungselemente:
 Schrauben, Nieten, Bolzen
 2D- und 3D-Drahtgitterstrukturen
 Schweißdraht, -stäbe
 Drahtstrukturen, Rahmenkonstruktionen
 Mg-Drähte für medizinische Anwendungen
 Mechanische Komponenten mit
schnell wechselnder Bewegungsrichtung
 Werkstoffverbunde (z.B. mit Drahtstrukturen verstärkte
Kunststoffkomponenten
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Agenda
Anwendungspotenziale für umformtechnisch erzeugte
Magnesiumhalbzeuge
1. Magnesiumwerkstoffe: Eigenschaften und Vorzüge
2. Anwendungsfelder
3. Wettbewerbssituation und Entwicklungsszenarien
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Entwicklungsperspektiven Magnesium
Gegenwärtige Wettbewerbsposition
Etablierte Massenwerkstoffe
(Stahl, Aluminium)
High-Tech Leichtbau
(CFK u.a.)
Massenmarkt
Nischenmarkt
relativ geringe Kosten
hohe Kosten
Magnesium
mäßiges Leichtbaupotenzial
hohes Leichtbaupotenzial
gesicherte
Produktionsprozesse
Großer FuE-Bedarf
etablierte Recyclingkanäle
Recycling nicht etabliert
Wettbewerb sowohl mit Stahl und Aluminium als auch mit FKV
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Entwicklungsperspektiven Magnesium
Szenario I – FKV besetzen die Marktposition von Mg
Annahme:
Durch den zunehmenden Einsatz von FKV und die Einführung neuer
Technologien egalisiert sich deren bisheriger Kostennachteil
 höheres Leichtbaupotenzial bei gleichen oder geringeren Kosten als Mg
Gleichzeitig bleibt die Entwicklung bei Magnesium hinter den anderen
Werkstoffen zurück, da der Markt zu klein ist, um größere Investitionen in
FuE zu motivieren ( fehlendes Engagement für Mg)
 Magnesium bleibt in der Nische während Kunststoffe sich auf breiter Basis
durchsetzen
Vorboten:
FKV können sich in der automobilen Serienproduktion eher durchsetzen als
Magnesiumhalbzeuge
Der hohe erforderliche Investitionsbedarf in weitere FuE und die Schaffung
von Produktionskapazitäten bildet eine entscheidende Hürde für die
Erschließung von Massenmärkten für Magnesium
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Entwicklungsperspektiven Magnesium
Szenario II – Magnesium als „das bessere Aluminium“
Annahme:
Durch weitere Verbesserung der Verarbeitungsverfahren und die Aufnahme der
Massenproduktion reduzieren sich die Herstellungskosten von
Magnesiumkomponenten auf das Niveau von Aluminium.
Aufgrund des höheren Leichtbaupotenzials werden Aluminiumkomponenten
zunehmend durch Magnesium substituiert
 Magnesium kann sich als Massenwerkstoff etablieren und aufgrund seines
Eigenschaftsprofils auch gegenüber FKV dauerhaft behaupten
Vorboten:
Die Erschließung neuer Rohstoffquellen für Magnesium begünstigt die
Preisentwicklung an den Rohstoffmärkten und schafft einen Vorteil ggü. Al
Unter dem Druck, die Umwelteffizienz der Fahrzeuge zu steigern, sucht die
Automobilindustrie nach erweiterten Leichtbaumöglichkeiten im Vergleich zu Al,
wobei Magnesium im Vergleich zu FKV kostengünstiger und damit erste Wahl ist
Strenge Auflagen bezüglich der Recyclingquoten von Automobilwerkstoffen
begrenzen den Anteil an FKV und begünstigen den Einsatz von Magnesium
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Entwicklungsperspektiven Magnesium
Szenario III – Koexistenz im Multi-Material-Mix
Annahme:
Aufgrund der unterschiedlichen Eigenschaftsprofile der verfügbaren Werkstoffe
bieten für verschiedene Bauteile und Komponenten jeweils unterschiedliche
Materialien den optimalen Kompromiss, so dass sich Mischbauweisen
durchsetzen.
Während Crashstrukturen mit hohen Anforderungen an die Kaltverformbarkeit
weiterhin aus Stahl und Aluminium gefertigt werden, können sich in anderen
Bereichen FKV und Magnesium durchsetzen.
Aufgrund der enormen Gesamtmarktgröße und des anhaltenden
Marktwachstums für Mobilität können sich die verschiedenen Werkstoffe parallel
erfolgreich weiterentwickeln.
Vorboten:
Interesse der Anwender beschränkt sich nicht auf einzelne Werkstoffe.
Stattdessen wird das Vorhandensein verschiedener Optionen positiv bewertet.
Der intensive Wettbewerb und der bestehende Innovationsdruck fördert die
Erprobung verschiedener Lösungen, wobei sich für verschiedene Komponenten
die jeweils optimale Lösung durchsetzt
Die intensive Forschung zu Hybrid- und Mischbauweisen fördert die Findung von
Lösungen für Problemstellungen, die dem bunten Werkstoffmix aktuell
entgegenstehen
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Entwicklungsperspektiven Magnesium
Strategische Implikationen – Thesen:
•
Eine schnelle Marktdurchdringung hat oberste Priorität, da nur durch größere
Produktionsvolumen eine konkurrenzfähige Kostenposition erreicht werden kann
•
Eine Konzentration auf ausgewählte Anwendungen/Komponenten mit besonderer
Eignung für Magnesium erscheint sinnvoll, um eine erste Basis im automobilen
Werkstoffmix zu schaffen
•
Technologieentwicklung sollte Vorrang vor Legierungsentwicklung haben, da auch
verfügbare Standardlegierungen noch viel Entwicklungspotenzial aufweisen und die
Vielfalt der Legierungen tendenziell ein Kostentreiber ist
•
Verfahren, die die Herstellung von Mischbauweisen begünstigen, sollten weiter
entwickelt werden, da sich reine Magnesiumbauweisen kaum durchsetzen könnten
•
Im Vergleich zu den etablierten Massenwerkstoffen Stahl und Aluminium ist der
Wissensstand zu Magnesium noch immer wenig entwickelt. Der Bedarf im Bereich der
Grundlagenforschung ist nach wie vor hoch. Gleichzeitig sind im Vergleich zu etablierten
Werkstoffen größere Entwicklungssprünge mit weniger Aufwand möglich
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Acknowledgements
Wir danken dem BMBF, SMWA und SMWK sowie der
Sächsischen Aufbaubank für die finanzielle Unterstützung.
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