Die Vorteile der Verwendung von Edelstahl in Buskonstruktionen. Eine Studie des Anbieters Outokumpu mit der Universität München

Nachfolgend ein Beitrag von Stefan Schuberth, Vertriebsleiter Automotive Business Line, Advanced Materials, Outokumpu, Krefeld, Deutschland; Prof. Dr.-Ing. Klemens Rother, Hochschule für angewandte Wissenschaften, München, Deutschland; Dr. Werner Pohl, FCMS GmbH, München, Deutschland. Der Edelstahlhersteller Outokumpu hat ein erstes Projekt dieser Art mit dem CAD/CAE-Lösungsspezialisten FCMS, der Universität München, durchgeführt.

Nachfolgend ein Beitrag von Stefan Schuberth, Vertriebsleiter Automotive Business Line, Advanced Materials, Outokumpu, Krefeld, Deutschland; Prof. Dr.-Ing. Klemens Rother, Hochschule für angewandte Wissenschaften, München, Deutschland; Dr. Werner Pohl, FCMS GmbH, München, Deutschland.

Der Edelstahlhersteller Outokumpu hat mit dem CAD/CAE-Lösungsspezialisten FCMS, der Hochschule für angewandte Wissenschaften München und RotherCONSULT ein erstes Projekt seiner Art durchgeführt, um das zu untersuchenVorteile der Verwendung von Edelstahl in Buskonstruktionen.

Die Ergebnisse zeigen, dass die Verwendung von hochfestem Edelstahl als Ersatz für normalerweise aus Kohlenstoffstahl gefertigte Busrahmenelemente aus Rohren möglich istGewichtsreduzierung um bis zu 35 % – über 1.000 kg– und dabei preislich wettbewerbsfähig bleiben.

Traditionell etwa90 % der Busse bestehen aus Kohlenstoffstahl . Allerdings bietet Edelstahl sowohl für Bushersteller als auch für Busbetreiber eine Reihe von Vorteilen. Insbesondere seine Korrosionsbeständigkeit bietet Nachhaltigkeit sowie eine Reduzierung der Wartungszeit und -kosten. Darüber hinaus sind hochfeste Edelstahlsorten im Handel erhältlich, die enorme Gewichtseinsparungen ermöglichen. Dies wird in der virtuellen Entwicklung des Projektteams veranschaulicht.

Geeignete Kandidatenmaterialien für eine röhrenförmige Busstruktur sind in Abbildung 1 dargestellt. Im Allgemeinen wird kostengünstiger, aber nicht korrosionsbeständiger Kohlenstoffstahl verwendet. Typischerweise ist die Sorte S355 sowie die höhere Festigkeit S460, wobei sich beide Namen auf ihre Mindeststreckgrenze beziehen. Die nächsten Materialien auf der Liste sind rostfreie Stähle mit geringer Festigkeit. Schließlich gibt es noch die hochfesten Edelstähle, darunter Lean-Duplex-Stähle Forta LDX 2101, die eine hohe Korrosionsbeständigkeit aufweisen. Es gibt auch Forta H800, das aufgrund seiner hohen Festigkeit entwickelt wurde, weshalb seine Korrosionsbeständigkeit für einen Edelstahl gering erscheint.

Das Projekt konzentrierte sich auf die Bewertung der Gewichts- und Kostenvorteile von Forta H800 im Vergleich zum S460-Kohlenstoffstahl, der den schwierigsten Vergleich für bestehende Busstrukturen darstellt. Auch die kürzlich entwickelte Sorte S700 könnte in Betracht gezogen werden, die eine vergleichbare Streckgrenze wie Forta H800 bietet, jedoch ein deutlich geringeres Potenzial für Dehnung und Crash-Absorption/Stoßfestigkeit aufweist.

Forta H800 ist ein vollständig austenitischer Edelstahl, der für sicherheitskritische Strukturkomponenten von Fahrzeugen entwickelt wurde. Es eröffnet neue Möglichkeiten im Leichtbau und Design durch die Kombination von höchster Festigkeit und sehr hoher Energieabsorption im Falle eines Aufpralls. Es hat außerdem den Vorteil, dass es nickelfrei ist, wodurch die Preisvolatilität beseitigt wird, die mit Sorten verbunden ist, die auf Nickel als Legierungselement basieren.

Ein wesentliches Merkmal von Forta H800 ist sein TWIP-Verstärkungsmechanismus (Twin Induced Plasticity), der dafür sorgt, dass sich die Materialstruktur bei einem Aufprall kontinuierlich verhärtet.

Da Forta H800 als geeignetes Alternativmaterial identifiziert wurde, haben FCMS, die Hochschule München, RotherCONSULT und Outokumpu gemeinsam ermitteltwie es am besten in Busstrukturen eingesetzt werden könnte . Das Hauptziel bestand darin, zu untersuchen, wie der Einsatz von Edelstahl Folgendes bewirken könnte:

FCMS führte eine parametrische Modellierung durch. Die Universität führte Ermüdungstests an geschweißten Rohrverbindungen der beiden Materialien durch und RotherCONSULT entwickelte und kompilierte die Systemanforderungen, vereinfachten Analysestrategien und Verfahren zur Strukturqualifizierung. Outokumpu lieferte die Materialien, das zugehörige Wissen und die Daten.

Um die Leistung der Busstruktur zu simulieren, wurde eine Kombination von Werkzeugen verwendet, darunter parametrische Geometriemodellierung sowie schnelle, automatische und robuste Analysemethoden. Mithilfe von KI (künstliche Intelligenz) wurden Entwurfsalternativen und die dazugehörigen Simulationsmodelle automatisch generiert. Es wäre nicht möglich gewesen, diese Arbeit manuell durchzuführen, da dafür die Bewertung und Iteration von Tausenden von Entwürfen erforderlich war.

Im Mittelpunkt des Ansatzes stand dieSchneller Konzeptmodellierer (FCM) , ein in CATIA (computergestützte dreidimensionale interaktive Anwendung) eingebettetes Tool, ein Softwarepaket für Produktdesign und -entwicklung. FCM arbeitet sowohl mit konzeptionellen Balkenmodellen als auch mit detaillierten Schalen- und Volumenmodellen. Es bietet die Möglichkeit, die Auswirkungen von Änderungen in Profilen, Wandstärken und Materialien sowie von Änderungen in der Topologie wie der Position von Rahmensegmenten und Verbindungen zu bewerten. Dieser letzte Aspekt, der letztendlich zu einer Neugestaltung des Busrahmens führen würde, war nicht Teil dieses Projekts, bietet aber das Potenzial für eine weitere Gewichtsreduzierung in zukünftigen Designübungen.

Ziel des Projekts war es, Hunderte oder sogar Tausende von Designalternativen zu berücksichtigen. Dies erforderte effiziente Analysemethoden, für die sich Strahlidealisierungen gut eignen. Sobald ein potenziell realisierbares Konzept identifiziert wurde, wurde die Vernetzung von Schalenelementen verwendet, um dessen strukturelle Integrität zu validieren oder den Optimierungsprozess mit größerer Berücksichtigung lokaler Details fortzusetzen.

FCM kann verwendet werden, um sowohl Balken- als auch Schalennetze gleichzeitig aus demselben dreidimensionalen geometrischen CAD-Modell zu extrahieren, wie in Abbildung 2 hervorgehoben. Außerdem wird die ungefähre Analysezeit angezeigt, wobei die Balkenvernetzung etwa 1.000-mal schneller ist als die Schalenvernetzung für die Crash-Analyse ohne ein hoher Genauigkeitsverlust. Dies kann zu einer enormen Zeitersparnis führen, wenn Schritte viele Male wiederholt werden müssen.

Das Simulationsprojekt basierte auf einem generischen Referenzbusmodell, wie in Abbildung 3 dargestellt. Der Entwurf basiert auf veröffentlichten Darstellungen, soll jedoch „typisch“ sein und keinen Bus eines bestimmten Herstellers darstellen. Mit einer Länge von rund 14 Metern und drei Achsen bietet es Platz für 63 Passagiere und zwei Fahrer, was einer Gesamtmasse von 20.800 kg entspricht.

Um die Anzahl der Designvariablen einzuschränken, wurden die Rahmenelemente in 13 Gruppen angeordnet, wie durch die verschiedenen Farben in Abbildung 3 angezeigt. Die Strukturelemente in jeder Gruppe wurden gleichzeitig für jede Entwurfsalternative analysiert.

Das Modell wurde unter den folgenden vier Lastfällen mit den beiden alternativen Strukturmaterialien Kohlenstoffstahl und Edelstahl analysiert:

Abbildung 4 zeigt die Ergebnisse der Simulationen aus einer sehr großen Anzahl (Tausende) Experimente.

Der Referenzfall basiert auf einer reinen Rahmenkonstruktion komplett aus Kohlenstoffstahl (S460) mit einem Gewicht von 3.600 kg. Auch in diesem Fall konnte durch die Optimierung eine sinnvolle Gewichtseinsparung von 116 kg erzielt werden. Durch den vollständigen Ersatz des Kohlenstoffstahls durch Edelstahl (Forta H800) konnte die Masse der Struktur um ein Drittel reduziert und 1.193 kg eingespart werden. Ein zentrales Ergebnis der Überschlagssimulation war, dass die Wandstärke des Rohrs von 4 mm auf 2 mm reduziert werden konnte, was einen großen Teil der Gewichtseinsparung ausmachte.

Anschließend wurde im Projekt eine Optimierungsstrategie mit einer Hybridstruktur aus beiden Stahlsorten untersucht. Es wurden zwei Alternativen geprüft. Die erste und offensichtlichste Lösung bestand darin, Forta H800 für die Top-Mainframes zu verwenden. Es war auch interessant zu beobachten, was passiert, wenn die Top-Mainframes mit S460 gebaut werden.

Die Gewichtsreduzierung im Vergleich zum reinen S460-Design ist sehr erheblich – 25 %, wenn S460 für die oberen Hauptrahmen verwendet wird, und 35 %, wenn der größte Teil des oberen Abschnitts aus Forta H800 besteht. Die mögliche Gewichtsreduzierung beträgt knapp 1.300 kg.

Ein weiterer wesentlicher Faktor ist, dass der Schweißaufwand zur Erstellung der Struktur um über 50 % reduziert wird. Interessant ist auch, dass der Schwerpunkt (COG) leicht abgesenkt wird, was sich positiv auf die Fahrdynamik auswirkt.

Abbildung 5 zeigt die Kostenauswirkungen einer Änderung des Rahmenmaterials. Da die relativen Kosten verschiedener Stähle im Laufe der Zeit und je nach Marktbedingungen variieren können, wurden drei Faktoren verwendet, um die Kosten von Forta H800 im Vergleich zu S460 zu skalieren – das 2-, 2,5- und 3-fache.

Selbst bei einem Faktor von 3 bedeutet die Gewichtsreduzierung, dass die Hybridstruktur hinsichtlich der Kosten mit der reinen S460-Struktur vergleichbar ist, während bei einem Faktor von 2 die Hybridkonstruktion eine Verbesserung der Materialkosten um 18 % darstellt. In dieser Analyse wurden nur reine Materialkosten verglichen und zusätzliche Aspekte wie Leichtbau und Energieverbrauch bei der Produktion nicht berücksichtigt.

Es wird derzeit daran gearbeitet, den Simulationsprozess weiter zu verfeinern. Es besteht auch die Möglichkeit, weitere Variablen wie Materialien, Querschnitte, Wandstärken und Verbindungsstellen zu untersuchen. Dies würde dann eine völlige Neugestaltung der Busstruktur ermöglichen.

Der Einfluss von Herstellungstechniken ist ein weiterer wichtiger Faktor, der bei zukünftigen Arbeiten berücksichtigt werden muss. Beispielsweise lässt sich die Leistungsfähigkeit von Schweißverbindungen unter Ermüdungsbeanspruchung erheblich verbessern, indem der Fügeprozess verfeinert und die Schweißnaht aus den am stärksten beanspruchten Bereichen verlagert wird. Dies bietet unter Umständen sogar die Möglichkeit, den Querschnitt bzw. die Wandstärke weiter zu reduzieren. Es ist wahrscheinlich, dass der Unterschied zwischen den Strukturen aus Kohlenstoffstahl und Edelstahl noch deutlicher ausfallen würde, wenn dieselbe hier beschriebene Simulation durchgeführt würde, um verfeinerte Verbindungsprozesse einzubeziehen.

Die Bus- und Reisebusbranche hat den Ruf, sehr traditionell zu agieren und neue Materialien nur zögerlich einzuführen. Allerdings steht die Transportbranche im Allgemeinen unter einem immer größeren Druck zur Dekarbonisierung. Dies beschleunigt nun den Wandel bei der Schaffung einer neuen Generation von Fahrzeugen, die für reinen Elektro- oder Hybridantrieb geeignet sind. Entscheidend für ihren Erfolg wird die Energieeffizienz sein, und das erfordert die Einführung neuer Leichtbaumethoden.

Die bisher durchgeführten Simulationen haben gezeigt, dass Edelstahl ein erhebliches Potenzial bietet, das Fahrzeuggewicht deutlich einzusparen, ohne dabei an Leistung einzubüßen.

Das Projekt hat auch gezeigt, dass Edelstahl am besten als Teil einer Hybrid-Busrahmenstruktur eingesetzt werden kann, die sowohl Gewichts- als auch Kostenvorteile bietet.