einsatz von magnesium im automobilbau

1 Einleitung

Der Werkstoff Magnesium hat eine Viel-zahl positiver technischer und technologi-scher Eigenschaften, die bei der Konstruk-tion, Herstellung und dem Einsatz von Bau-teilen im Fahrzeug genutzt werden kön-

nen. Der gesamtfahrzeugübergreifende An-satz ist jedoch zum jetzigen Zeitpunkt nichtersichtlich. Die Ursachen hierfür sind zumeinen unzureichende Material-Eigenschaf-ten und zum anderen die wirtschaftlichen,gesellschaftlichen sowie gesetzlichen Rah-menbedingungen.

WERKSTOFFE Magnesium

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Die Leistungsfähigkeit und die Wirtschaftlichkeit von Fahrzeu-gen werden entscheidend durch die Werkstoffauswahl beein-flusst. Der Werkstoff Magnesium spielt hierbei aufgrund desunbestrittenen Leichtbaupotenzials bei der Herstellung einerVielzahl von Fahrzeugkomponenten eine große Rolle. Ausge-hend von bisherigen und potenziellen Anwendungen in denBereichen Antrieb, Fahrwerk und Karosserie zeigt dieser Beitragvon BMW Möglichkeiten aber auch Risiken beim Einsatz vonMagnesium auf.

Einsatz von Magnesium im Automobilbau

Ziel dieser Veröffentlichung ist es,zunächst einmal die Rahmenbedingungensowie die Zwänge im Produktentstehungs-prozess (PEP) genauer zu beschreiben. ImWeiteren wird ein Überblick über aktuelleund potenzielle Bauteile in den Fahrzeug-bereichen Karosserie, Fahrwerk und An-trieb bei BMW gegeben. Die Magnesium-Komponenten werden zur Zeit aufgrundder eingeschränkten Kaltumformbarkeitfast ausschließlich im Druckgussprozesshergestellt. Es hat sich gezeigt, dass derMagnesium-Anteil im Fahrzeug letztend-lich auch durch die Gießbarkeit der Legie-rungen bestimmt wird.

Basierend auf diesen Erkenntnissenwerden in der vorliegenden Arbeit notwen-dige Veränderungen aus Sicht der Entwick-lung und der Produktion eines Automobil-herstellers im Premiumsegment formu-liert, die einen verstärkten Einsatz vonMagnesium zukünftig im Fahrzeug recht-fertigen.

2 Allgemeine Rahmen-bedingungen und Zwänge im Produktentstehungsprozess

Der Zwang zu immer leichteren Kompo-nenten, kostengünstigen und flexiblen Fer-tigungsverfahren, endkonturnaher Her-stellung sowie hoher Integrationsfähigkeitvon Bauteilen und Komponenten prägtheute den Produktentstehungsprozess ei-nes Fahrzeuges von der frühen Konzept-phase bis zur späteren Serienentwicklung.

Eine wichtige Rolle hierbei spielen dieWerkstoffe. Über das Material lassen sichunmittelbar die physikalischen und tech-nologischen Eigenschaften sowie die Kos-ten eines Bauteiles beeinflussen, Bild 1. Da-mit ist der Werkstoff eine zentrale Stell-größe für viele andere Eigenschaften imFahrzeug, wie zum Beispiel Fahrdynamikund CO2-Ausstoß.

Im folgenden Abschnitt soll aufgezeigtwerden, wo das Potenzial der Werkstoffeliegt; wo aber auch Zwänge im realen Pro-duktentstehungsprozess diese stark ein-schränken.

Am Anfang eines Fahrzeugprojektesentscheidet in der Regel das Marketing inZusammenarbeit mit dem Vertrieb über diePositionierung des neuen Modells auf demMarkt. Schon in dieser sehr frühen Phasewerden somit viele Randbedingungen fest-gelegt, die eine spätere Konstruktion beein-flussen. Aber selbst in dieser Phase stehennoch einige Randbedingungen und Zwän-ge im Produktentstehungsprozess derWerkstoff-Entscheidungsfindung entge-gen. In der Regel führen hohe Ansprücheder Kunden an Sicherheit und Komfort zueinem von Fahrzeuggeneration zu Fahr-

zeuggeneration ständig ansteigenden Ge-samtgewicht. Durch geeignete Leichtbau-maßnahmen wird unter anderem ver-sucht, diesem Trend entgegenzuwirken. Sowerden heute zum Beispiel in modernenMotoren Zylinderkopfhauben aus Alumini-um, Magnesium oder Kunststoff einge-setzt. Die Werkstoffauswahl wird hierbeidurch das Bauteil-Anforderungsprofil, dasGewichtreduzierungspotenzial und dieKosten bestimmt.

Ein weiteres Kriterium, das in der Regelschon sehr früh im Entwicklungsprozessfestgelegt wird, ist die Stückzahl eines neu-en Fahrzeugprojektes. So lassen sich Leicht-baumaßnahmen nur dann realisieren,wenn diese auch wirtschaftlich vertretbarsind. Die Profillösungen bei der Space-frame-Bauweise bedingen zum Beispiel inder Regel keine hohen Werkzeugkosten.Nachteilig aus Kostensicht sind jedoch dieerforderlichen Fügeverfahren sowie die er-höhten Materialpreise (zum Beispiel beiAluminium). Aus diesen Gründen kommenSpaceframe-Strukturen bei kleinen Stück-zahlen zum Einsatz, bei denen der Material-preis nicht so ins Gewicht fällt.

Die klassische selbsttragende Stahl-Ka-rosserie mit tiefgezogenen Bauteilen ist in-folge der hohen Werkzeugkosten bei demzumeist mehrstufigen Tiefziehvorgang in-vestintensiv. Hinsichtlich der Herstellkos-ten ist diese Bauweise bei Verwendung vonPunktschweißverbindungen jedoch güns-tig und eignet sich daher für größereStückzahlen mit mehr als 200 Einheiten proTag.

Eine Entscheidung bezüglich des Einsat-zes von Leichtmetallen – insbesondere inder Karosserie – kann daher nicht allein an-

hand des Leichtbaupotenzials getroffenwerden, sondern muss unter anderem un-ter Berücksichtigung der Stückzahlen unddamit der Wirtschaftlichkeit eines Fahr-zeugprojektes gefällt werden, Bild 2.

Die Entwicklungslandschaft eines Auto-mobilunternehmens wird zunehmend ge-

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Dipl.-Ing. Jürgen Scheerist Leiter KonstruktionStirnwand, Tragrohr füralle Produktlinien derBMW Group.

Dr.-Ing. Stefan Kalke istLeiter Metalle und Be-schichtung in der BMWGroup.

Dr.-Ing. Frank T.H.Dörnenburg ist Gruppen-leiter in der LandshuterLeichtmetallgießerei derBMW Group.

Dipl.-Ing. Ludwig See-thaler arbeitet in der Ab-teilung VorentwicklungFahrwerk der BMWGroup.

Dr.-Ing. Frank Lehnert istProjektmanger in der Ab-teilung VorentwicklungProduktionstechnologiender BMW Group.

Die Autoren

Bild 1: Auswahlkriterien für WerkstoffeFigure 1: Material selection criteria

2 Allgemeine Rahmenbedingungen und Zwängeim Produktentstehungsprozess

prägt von Baukastensystemen und Gleich-sowie Übernahmeteilen, um die Aufwändeund die Fertigungskosten gering zu halten.Das heißt, auch hier ist der Spielraum fürden Einsatz neuer Werkstoffkonzepte ein-geschränkt.

Ein weiterer wichtiger Punkt im Ent-scheidungsprozess für ein neues Werkstoff-konzept und/oder neue Fertigungstechno-logien ist der Umgang mit bestehendenund anschließend ungenutzten Anlagenbeziehungsweise noch nicht abgeschriebe-nen Fertigungsmitteln.

Bei BMW kommt letztlich derjenigeWerkstoff zum Einsatz, dessen Eigen-schaftsprofil unter den gegebenen Randbe-dingungen Kosten, Stückzahl, Gewicht,Funktion etc. die Anforderungen für einebestimmte Anwendung am besten erfüllt.

3 Status aktueller und potenzieller Bauteile im Bereichder Karosserie

In Bild 3 ist ein Portfolio dargestellt, in demausgewählte Karosseriebauteile hinsicht-lich des Gewichteinsparpotenzials und derBauteilintegration im Vergleich zu konven-tionellen Lösungen bewertet werden.Alle Komponenten sind bei BMW einerPotenzialanalyse unterzogen worden. Aus-gangspunkt für dieses Verfahren warenNutzwertbetrachtungen, die unter Berück-sichtigung der Faktoren Dynamik, Design,Innovationsgrad, Qualität etc. durchge-führt worden sind. Anschließend sind dieSchlüsselfaktoren Bauteilintegration undGewicht bewertet worden.

Bevor eine Gesamtaussage getroffenwerden konnte, sind noch karosseriespezi-fische Ausschlusskriterien wie zum BeispielAkustik- und Korrosionsverhalten betrach-tet worden.

Die Strukturbauteile haben im Vergleichzu den jetzigen Stahl-Ausführungen viel-fach einen hohen Bauteilintegrationsgradvon bis zu neun Einzelteilen. Die Gewichts-minimierung liegt bei den Magnesium-Konstruktionen in einem Bereich zwischen3 und 5 kg bei kalkulierten, stückzahlab-hängigen Mehrkosten von bis zu 50 %. Ne-ben den Kosten wurden die erreichbareBauteilqualität (Brandrisse, Toleranzen),die unzureichenden mechanischen Eigen-schaften (Festigkeit, Steifigkeit) sowie dasCrash- und das Korrosionsverhalten jedochals zu kritisch angesehen, so dass die Kom-ponenten derzeit nicht in Magnesium ge-plant sind.

Bei den Karosserie-Anbauteilen (Türen,Klappen etc.) empfiehlt sich der Einsatz vonMagnesium in der Regel für die Herstellungvon Struktur-Innenteilen. Diese Unterkon-struktionen können als flächige Profilstruk-

tur oder in Schalenbauweise konzipiertsein. Beide Konzepte sind bei BMW am Bei-spiel der Magnesium-Tür (AM50 A) mit ei-ner Aluminium-Außenhaut untersuchtworden. Es hat sich gezeigt, dass bei einerTürkonstruktion mit einer Innenschale ei-ne Steigerung der Produktivität durch eineverbesserte Zugänglichkeit sowie durch diefahrzeugneutrale Türvormontage möglichist. Trotzdem sind die proportionalen Her-stellungskosten aufgrund aufwändigerKorrosionsschutzmaßnahmen gegenübereiner konventionellen Stahl-Tür noch umüber 60 % höher. Die Gewichtseinsparungpro Fahrzeug beträgt bei zwei Türen ge-

genüber konventionellen Stahl-Türkonzep-ten etwa 14 kg. Aufgrund der konstruktivenBesonderheiten wird oft bei Karosserietei-len auf den „einfacheren“ Werkstoff Alumi-nium zurückgegriffen, wie beispielsweisebei dem Hardtop des BMW 3er Cabrios. Beidiesem Bauteil konnte durch die Kombina-tion von Blech-, Profil- und Gusskomponen-ten im Vergleich zu dem Vorgängermodellin einer Mischbauweise aus Stahl und Alu-minium eine Gewichtsverminderung vonrund 4 kg erzielt werden. Mit einer weite-ren Gewichtsoptimierung wären aufgrundder Magnesium-Eigenschaften die Crash-Anforderungen langfristig nicht erfüllbar.


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2 Allgemeine Rahmenbedingungen und Zwängeim Produktentstehungsprozess

Bild 2: Einfluss der Stückzahlen auf die BauweiseFigure 2: Influence of volume on construction method

3 Status aktueller und potenzieller Bauteile im Bereich der Karosserie

Bild 3: Portfolio für potenzielle Mg-KarosseriebauteileFigure 3: Portfolio of potential magnesium body parts

3.1 Potenzialanalyse InstrumententafelträgerDer Instrumententafelträger eines Fahr-zeugs wird einerseits als tragendes Karos-seriestrukturbauteil eingesetzt und ande-rerseits als Komponententräger im Cock-pitbereich. Mit der Zunahme des Ausstat-tungsumfanges sind somit auch die Aufga-ben des Trägers gestiegen. Die Hauptfunk-tion des Trägers liegt in der Lenksäulenab-stützung und in der Gewährleistung derQuersteifigkeit des Vorderwagens. Diefunktionale Integration dieses Trägersstellt einen Teil der Gesamtrohkarosserie-Entwicklung dar und wird in enger Zusam-menarbeit mit den FEM-Abteilungen (Stei-figkeit, Crash und Festigkeit) ausgelegt.

Für die Konstruktion der Instrumenten-tafelträger bieten sich eine Vielzahl vonLeichtbauwerkstoffen (höherfester Stahl,Aluminium, Magnesium und faserver-stärkte Kunststoffe) an, die im Wettbewerbzueinander stehen. Neben dem Werkstoffist aber auch die Bauweise zu berücksichti-gen, die wiederum auf die Integrations-fähigkeit für jeden einzelnen Anwen-dungsfall zu untersuchen ist.

Magnesium scheint für den Cockpitbe-reich mit dem Instrumententafelträger eingeeigneter Leichtbauwerkstoff zu sein, dahier die Korrosionsschutzanforderungengeringer sind als zum Beispiel bei Feder-stützen oder Türen.

Unter Berücksichtigung des vorhande-nen, begrenzten Bauraumes beim Minisind drei verschiedene Lösungen gegen-übergestellt worden:■ Aluminium-Strangpressprofil (Serienein-satz: BMW Z8)■ Stahlrohr mit angeschweißten Haltern(Serieneinsatz: BMW 3er und 5er)■ Magnesium-Druckgusslösung.

Für die Konzeptvergleiche wurden dieim Bild 4 zusammengefassten Bewer-tungs- und Einflusskriterien sowie Randbe-dingungen herangezogen, die bei einemTragrohr von Bedeutung sind.

Bei Fahrzeugprojekten mit größerenStückzahlen (über 200 Einheiten pro Tag)kommt bei BMW eine funktionsoptimierteRohrschweißkonstruktion zur Anwen-dung. Tiefgezogene Blechhalter werden anein verprägtes Rohr schutzgasverschweißt,so dass ein Cockpitgerippe entsteht. Die ho-hen Investitionen für die Werkzeuge kön-nen auf die Stückzahlen pro Modell-Lauf-zeit umgelegt werden. Der vorhandeneBauraum sowie ein Kostenvergleich ent-scheiden schließlich, ob Stahl oder Alumi-nium eingesetzt werden kann.

Für den Mini wurde die Bauweise unterBerücksichtigung projektspezifischer Prä-missen zur Realisierung eines Cockpit-Großmoduls analysiert. Hierbei sollten die

Anbindungsstellen zur Rohkarosserie redu-ziert und weitere Komponenten (Heizung,Montageeinbauvorrichtung) integriertwerden. Anhand von FEM-Simulationen istunter Voraussetzung der Erreichung dyna-mischer Lenksäulensteifigkeiten ein Ge-wicht von 5,7 kg prognostiziert worden. Beidiesem Konzept sind etwa 25-30 Halter not-wendig, die angeschweißt werden müssen.

Gegenüber der Stahlbauweise ist beiden FEM-Berechnungen mit einem Integra-tionsträger aus Magnesium ein Gewichts-einsparungspotenzial von etwa 35 % aufge-

zeigt worden, wobei die Halter bei dieserKonstruktionsvariante entfallen. Diese sig-nifikante Gewichtsersparnis wird maßgeb-lich durch den Integrationsgrad und dashohe Trägheitsmoment des umgesetztenTrägers erreicht. Im Vergleich zu bekanntenMagnesium-Instrumententafelträgernwird somit ein optimaler Kompromiss zwi-schen einer Träger- und einer Flächen-lösung dargestellt.

In Bild 5 ist der Instrumententafelträgerabgebildet, bei dem die Materialstärkedurchgehend 2,5 mm beträgt. Es wurde ei-


ne definiert verformbare Befestigung ander Stirnwand realisiert, so dass alle Front-crashanforderungen mit der Magnesium-Legierung AM60 B erfüllt werden konnten.

Mit dieser kompakten Trägergestaltungsind beim Gießen im Druckgussprozess ge-ringe Magnesium-Fließwege möglich, waszu einer deutlichen Verbesserung der Bau-teilqualität geführt hat. Ein weiterer Vorteildieser kompakten Bauweise sind die damitverbundenen niedrigen Transportkosten,

da eine hohe Packungsdichte erreicht wird.Bei dem Mini-Instrumententafelträgerkonnten folgende Befestigungen und An-bindungen für die Instrumententafel inte-griert werden: Lenksäule, Kabelbaum, Kli-maanlage, Montageeinbauvorrichtung,Kaltluft-/Warmluftkanal, Beifahrerairbag,A-Säulenhalter, Knieschutz.

Zusätzlich wird der Bauraum innerhalbdes Querschnittes zur Verteilung derWarm- und Kaltluft genutzt. Die flächige

Trägerstruktur dient außerdem zur äuße-ren Abstützung für den Beifahrerairbag.

Weitere Vorteile ergaben sich für dieFertigung und Montage des Cockpit-Groß-moduls: Mit einer Toleranzstreuung desTrägers < 1 mm konnte die maßgeblicheStabilität des Cockpit-Großmoduls verbes-sert werden.

Der Magnesium-Träger ist mit einemGewicht von 3,7 kg einer der leichtestenInstrumententafelträger, der bislang in ei-nem Serienfahrzeug bei BMW umgesetztwurde. Gegenüber einer Stahlrohrkon-struktion konnte ein Gewichtsvorteil vonetwa 2 kg erreicht werden.

Für eine noch stärker kundenorientierteweitere Verkürzung der Entwicklungs-zeiträume im Bereich der Rohkarosseriemüssen bessere und exaktere Simulations-methoden für die gesamte Prozesskette„Lackierte Karosserie“ entwickelt werden.Schon in der Konzeptentwicklung werdensehr genaue Gewichts- und Kostenabschät-zungen mit Hilfe einer virtuellen Simulati-on vorgenommen. Die zukünftigen hohenCrashanforderungen erfordern frühzeitige-re Aussagen zu dem Bauteilverhalten allerKarosseriekomponenten, so dass bereitszum gegenwärtigen Zeitpunkt die Absiche-rung in Hardware-Crashversuchen nur zurÜberprüfung der Simulationsergebnissedient. Für Magnesium-Bauteile ist somitdie Methoden-Entwicklung voranzutrei-ben. Die Optimierung von Magnesium-Le-gierungen mit einer höheren Duktilität beigleichzeitig guten Fließeigenschaften imDruckgussprozess ist eine weitere notwen-dige Veränderungsmaßnahme. Speziell fürden Instrumententafelträger bieten sichzukünftig auch Mischbau- oder Hybrident-wicklungen an. Hier hat Magnesium seinespezifischen Chancen in der Kombinationmit anderen metallischen Werkstoffen so-wie Kunststoffen. Geringere Wandstärken(< 2 mm), höhere Werkzeugstandzeiten undkürzere Transportwege bei der Anlieferung(bis zu 15 % der Bauteilkosten sind bisherTransportaufwendungen) sind, neben densinkenden Rohmaterialpreisen, einige derDurchbruchsziele für die Karosserieent-wicklung in den nächsten Jahren.

Für die Verwendung von Magnesium insichtbaren Bereichen (Innenraum undAußenhautflächen) der Fahrzeuge ist dieErreichung einer Class-A-Oberflächenqua-lität bei den Druckgussteilen unumgäng-lich.

4 Status aktueller und potenzieller Bauteile im Bereichdes Fahrwerkes

Fahrwerksbauteile sind in der Regel Sicher-heitsteile, deren Versagen eine unmittel-


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3.1 Potenzialanalyse Instrumententafelträger

Bild 4: Anforderungen an einen InstrumententafelträgerFigure 4: Requirements to be satisfied by instrument panel carrier

Bild 5: Mini-Tragrohr inklusive Luftkanal und Platz für den BeifahrerairbagFigure 5: Mini support tube including air duct and space for passenger’s airbag

bare Gefährdung der Insassen und andererVerkehrsteilnehmer zur Folge hat. Deshalbwerden an die Funktion, die Betriebsfestig-keit und das Versagenverhalten besondereAnsprüche gestellt. So ist bei radführendenTeilen, wie zum Beispiel Querlenkern, eineMindestformänderung vor dem Bruch ge-fordert, um in einer Unfallsituation dieKausalität nachweisen zu können. Aus die-sem Grund scheiden Magnesium-Sand-gussteile für den Einsatz im Fahrwerk aus,da die Lunkervermeidung und damit dieGewährleistung einer ausreichendenBruchdehnung nicht sicher genug be-herrscht werden. Prinzipiell lassen sich mitMagnesium-Gusswerkstoffen Bruchdeh-nungswerte, wie sie für radführende Bau-teile im Allgemeinen verlangt werden,nicht oder nur bei relativ geringen Festig-keiten erreichen. Da zu den Fahrwerkstei-len auch rotierende und ungefederte Mas-sen gehören, ist eine Gewichtsreduzierungdurch Magnesium trotzdem attraktiv, abernicht unproblematisch. Der Magnesium-einsatz im Fahrwerk gliedert sich in zweiBereiche: zum einen im Innenraum ohnekorrosive Beanspruchung und zum ande-ren außerhalb der Fahrgastzelle mit Um-welteinflüssen. Klassische Anwendungs-beispiele für Fahrwerksbauteile im Innen-raum sind das Lenkrad und die Lenksäule,die seit längerem in Serie aus Magnesium-Druckguss hergestellt werden. Als aktuelleAusführungsbeispiele seien das Lenkrad-skelett und die obere Lenksäule des neuenMini genannt, die aus den LegierungenAM60 B beziehungsweise AZ91 D herge-stellt werden, Bild 6 a und b.

Im korrosiv beanspruchten Außenraumsind noch keine Magnesium-Bauteile miteiner Radführungsfunktion in der Großse-rie vorzufinden, da für die hohen Belastun-gen, wie Steinschlag, Spritzwasser undStreusalz, zum gegenwärtigen Zeitpunktkeine ausreichend wirksamen Korrosions-schutzmaßnahmen zur Verfügung stehen.Im Gegensatz zu den Antriebsteilen kön-nen Fahrwerkskomponenten im Fahrzeug-betrieb nicht durch die Motor- oder Getrie-be-Erwärmung trocknen. Die Einwirkzeitder korrosiven Medien ist deshalb bedeu-tend länger. Auch bei den korrosionsbe-ständigeren HP-Legierungen (High Purity)ist die Neigung zu Lochfraßkorrosion undKontaktkorrosion zu groß, so dass eine zu-verlässige Oberflächenbeschichtung unab-dingbar ist. Ein derartiger Schutz ist zu kon-kurrenzfähigen Preisen jedoch noch nichtauf dem Markt, zumal aufwändige Kunst-stoff-Ummantelungen beispielsweise auchden erzielbaren Gewichtsvorteil wieder re-duzieren.

Der durch Magnesium theoretisch er-zielbare Gewichtsvorteil ist unter anderem

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auch abhängig von den Bauteilbelastun-gen. Für Gusslegierungen mit nennenswer-ter Bruchdehnung sind niedrige Festigkei-ten typisch, weswegen zum Beispiel einMagnesium-Gussrad, das als Zubehörteilgehandelt wird (nicht für den Winterbe-trieb geeignet), nur etwa 5 % leichter ist alsein Aluminium-Schmiederad. Das deutlichleichtere Magnesium-Schmiederad ist da-gegen nur im Rennsport zu finden, da dieKosten etwa 2- bis 3-mal über denen einesAluminium-Rades liegen. Bei dieser Aus-führung ist der unzureichende Korrosions-schutz nicht von Bedeutung.

Eine Reihe von Prototypteilen, wie bei-spielsweise Radträger und Querlenker, sindmit guten Ergebnissen im Thixocasting-Verfahren hergestellt worden. Die hierbeierzielten Eigenschaften liegen in dem Be-reich zwischen den Kennwerten für Guss-und Schmiedeteile. Eine Einführung derThixocasting-Gusstechnologie in die Seriewird aber durch den noch ungenügendenKorrosionsschutz erschwert.

Der Einsatz von Magnesium im Fahr-werk ist für die Zukunft insbesondere des-halb attraktiv, da mit diesem Leichtbauma-terial rotierende und ungefederte Massenreduziert werden können. Nach dem Groß-serien-Einsatz von Aluminium im Fahr-werk erscheint der Übergang auf Magnesi-um als logischer nächster Schritt, wobei dienötigen Korrosionsschutzmaßnahmen inder erforderlichen Qualität und zu akzepta-blen Preisen noch zu entwickeln sind. Auchdie bekannten High-Purity-Legierungen(HP) sind für den Einsatz im Außenbereichnoch nicht genügend korrosionsbeständigund auf einen Oberflächenschutz angewie-

sen. Weiterer Entwicklungsbedarf für Fahr-werksteile aus Magnesium besteht aufdem Gebiet der Gusslegierungen mit ho-hen Festigkeiten und gleichzeitig ausrei-chender Bruchdehnung und auf dem Ge-biet der Knetlegierungen mit guten Festig-keitskennwerten und kostengünstigen Le-gierungsbestandteilen.

5 Status aktueller und potenzieller Bauteile im Bereichdes Antriebes

Magnesium eröffnet im Antriebsbereich inerster Linie die Möglichkeit, dünnwandigeGussteile herstellen und somit Gewichteinsparen zu können.

Das jüngste Beispiel in der BMW-Moto-renentwicklung sind die Gehäuseteile derweltweit ersten vollvariablen Sauganlageim neuen V8-Motor, der momentan als Ba-sismotor in der aktuellen 7er Baureihe ver-baut wird. Die Fertigung der Sauganlage er-folgt durch die Firma Pierburg AG. DasSaugrohr besteht aus zwei Hauptelemen-ten: einem luftführenden Innenpaket ausKunststoff (Bildmitte) und zwei Außen-gehäuseteilen aus der Legierung AZ91 D(Gesamt-Gewicht: 3,6 kg). Die Sauganlagedes ursprünglichen V8-Motors ist mit Hilfeder Kernausschmelztechnik aus KunststoffPA66 hergestellt worden. Ein Hauptgrundfür die Umstellung in Magnesium war dieerhöhte Funktionalität und Komplexitätdes neuen Bauteiles. Durch die gussgerech-te Konstruktion und Optimierung des Gussprozesses konnten im Vergleich zu derKunststoff-Variante engere Toleranzen er-zielt werden. Eine mechanische Bearbei-

Bild 6: (a) Lenkradskelett (AM60 B) und (b) Lenksäule (AZ91 D) des MiniFigure 6: (a) steering wheel skeleton (AM60 B) and (b) steering column (AZ91 D) ofthe Mini

4 Status aktueller und potenzieller Bauteile im Bereich des Fahrwerkes


tung (erste zertifizierte Magnesium-Bear-beitung unter Verwendung wässrigerEmulsionen) ist daher nur in dem Bereichder Einspritzdüsen notwendig.

Zylinderkopfhauben aus der Magnesi-um-Legierung AZ91 D (Gesamt-Gewicht:3,74 kg) werden bei BMW noch beim aus-laufenden V8-Motor in der 5er Baureiheund beim X5 eingesetzt. Grundsätzlich wer-den die Hauben aus Korrosionsschutz- undoptischen Gründen beschichtet. Der Vorteilvon Magnesium liegt in der erreichbarenSteifigkeit und Maßhaltigkeit der Bauteile.In Abhängigkeit vom jeweiligen Bauteil-und Funktionsgrad kann mit dem Einsatzvon Kunststoff hingegen in der Regel dasKostenniveau zwischen 20 % und 40 %niedriger gehalten werden.

Zur Herstellung von Getriebegehäusenwird neben dem etablierten Werkstoff Alu-minium auch immer wieder Magnesiumverwendet. Je nach Bauart und Funktionliegt hierbei das Gewichtspotenzial zwi-schen 2 und 4 kg. Für die Werkstoffauswahlist es erforderlich, zwischen den Getriebe-arten (Schalt-, Automatik und CVT-Getrie-be) und den dabei auftretenden Belastun-gen zu unterscheiden.

Beim Schaltgetriebe werden die inneren

6 Gießereitechnische Bewertung des Leichtbau-werkstoffes Magnesium

Bild 7: Wechselwirkungen und Abhängigkeiten für einen umfangreicherenMagnesium-Einsatz im Fahrzeug aus Sicht der GießereitechnikFigure 7: Interactions and inter-dependencies affecting more extensive useof magnesium as far as technical considerations at the foundry are concerned


Kräfte, die durch die Verzahnung auftreten,durch das Gehäuse aufgenommen. Diemaximalen Betriebstemperaturen betra-gen 160 °C, das heißt, Magnesium ist hier-für eher ungeeignet.

Das Gehäuse des Automatikgetriebeshat hingegen nur die Aufgabe, die Lage-rung aufzunehmen. Die theoretisch mögli-chen Getriebeöltemperaturen können Ma-ximalwerte bis zu 130 °C erreichen, wobeimit einer zusätzlichen Hitzebeaufschla-gung durch neue Abgasanlagenkonzepte(motornahe Katalysatoren etc.) zu rechnenist.

Beim CVT-Getriebe erfolgt die Kraft-übertragung nicht mit Hilfe einer Verzah-nung, sondern über Reibschluss unter Ver-wendung von Kegelscheibenpaaren mit ei-ner Kette. Diese Getriebeart wird nur beimFrontantrieb genutzt, wie zum Beispielbeim Mini. Mit dem Einsatz von Magnesi-um kann es zu einem Schiefstellen der La-ger und zu einem Durchrutschen der Kettekommen.

Eine Werkstoffumstellung bei Getriebe-gehäusen scheint daher nur bei Automa-tikgetrieben sinnvoll. Bei BMW werden je-doch zum gegenwärtigen Zeitpunkt keineMagnesium-Gehäuse verwendet, da dieKosten/Nutzen/Risiko-Gesamtbetrachtungzu Gunsten Aluminium ausfiel.

Für einen verstärkten Magnesium-Ein-satz im Antriebsbereich müssen in dennächsten Jahren zwei Themenkomplexe in-tensiv bearbeitet werden:■ Entwicklung gießbarer, warm- undkriechfester Legierungen mit einem ausge-wogenen Verhältnis zwischen mechani-schen und physikalischen Eigenschaftensowie geringer Korrosionsneigung■ Reduzierung nicht ersichtlicher Entwick-lungsumfänge (zum Beispiel Umstellungvon Schrauben und Anbauteilen).

6 Gießereitechnische Bewertung des Leichtbau-werkstoffes Magnesium

Wie auch Aluminium-Legierungen könnenMagnesium-Legierungen in allen Gießver-fahren vergossen werden. Bekannterweisemüssen bei der Aufbereitung und beimUmgang mit der Magnesium-Schmelze be-sondere Schutzmaßnahmen berücksichtigtwerden, um eine Oxidation zu verhindern.Neben geringen Mengen, die im Feinguss,Sandguss und Kokillenguss zum Einsatzkommen, ist das Druckgussverfahren dasgebräuchlichste aller Gießverfahren. Ursa-chen hierfür sind:■ hervorragende Gießbarkeit von Bautei-len mit dünner Wandstärke■ hohe Produktivität mit bis zu 900 Bautei-len pro Tag

■ geringe Kosten der Bauteile bei großerStückzahl■ hohe Flexibilität der Anlagennutzung■ hohe Maßhaltigkeit der Gussstücke■ geringe Bearbeitungsaufwände.

Nur das Druckgussverfahren besitzt dasPotenzial, den Werkstoff Magnesium tech-nisch und wirtschaftlich konkurrenzfähigzu verarbeiten.

In Bild 7 sind die notwendigen Verände-rungen und die Wechselwirkungen bezie-hungsweise gegenseitigen Abhängigkeitenfür einen umfangreicheren Magnesium-Einsatz aus Sicht der Gießereitechnik zu-sammengefasst.

Die derzeit auf dem Markt erhältlichenMagnesium-Legierungen mit einer gewis-sen Kriechfestigkeit, die für die Herstellungvon Antriebsteilen in Frage kommen, besit-zen im Allgemeinen eine schlechte Ver-gießbarkeit. Das Ziel muss es daher sein, ei-ne Vergießbarkeit ähnlich wie bei der Le-gierung AZ91 D zu erhalten.

Im Sinne einer positiven Ökobilanz ei-nes Magnesium-Bauteils muss eine niedri-ge Gießtemperatur ebenfalls im Lastenhefteiner neuen Magnesium-Legierung be-inhaltet sein.

Auch im Bereich von Legierungen fürCrash-Anwendungen besteht ein Entwick-lungsbedarf: Ziel ist eine Legierung mit derGießbarkeit einer AM60 B und den Mate-rialeigenschaften einer AM20.

Bezüglich der Schmelz-/Dosieröfenmuss sichergestellt sein, dass die Grundvor-aussetzung einer sauberen Schmelze im-mer erfüllt ist. Heutige Magnesium-Ofen-konzepte unterscheiden sich zum einen inder Anzahl der Kammern innerhalb einesOfens und/oder der Anzahl der Öfen. Beider Aufbereitung und beim Umgang mitder Schmelze ist es notwendig, dass Verun-reinigungen, die im Masselmaterial enthal-ten sind oder beim Beschicken des Ofensentstehen, nicht in das Gussteil gelangen.Die in den Ofen eingebrachten Verunreini-gungen müssen leicht zu entfernen sein.Dies gilt ebenfalls für alle in Kontakt mitder Schmelze stehenden Komponenten desSchmelz-/Dosierofens, wie zum Beispiel diePumpe und die Rinne.

Ein weiterer Anspruch an den Schmelz-/Dosierofen ist das zuverlässige Verhindernvon Seigerungen zum Beispiel während ei-ner Störung im Druckgussprozess oderwährend produktionsfreier Zeiträume.

Die Anforderungen an das Druckguss-werkzeug kann in zwei Phasen unterteiltwerden: Die Entwicklungs- und die sichdaran anschließende Serienphase.

Häufige Konturänderungen in der Ent-wicklungsphase eines Bauteils haben mög-licherweise zur Folge, dass in Teilbereichendes Werkzeugs Material durch Schweißen

aufgetragen werden muss. Die dadurch er-zeugten Spannungen im Werkzeug führenzu Brandrissen auf dem Bauteil.

Um eine möglichst lange Standzeit zuerhalten, muss zusammen mit der Aus-wahl des Werkzeugstahls immer dasTrennmittel betrachtet werden. Dabei istsowohl der Typ des Trennmittels von Be-deutung – trocken oder mit Wasser ge-mischt – als auch die benötigte Menge, da-mit ein Ankleben der Magnesium-Schmel-ze am Werkzeug verhindert wird. Wün-schenswert ist auch eine resistente Be-schichtung des Werkzeugs gegen Magnesi-um, die ein Auftragen von Trennmittelnüberflüssig macht.

Ein wichtiger Punkt für den Druckgießerinnerhalb der gesamten Prozesskette istdas Thema Recycling. Dabei muss zwischeninternem und externem Recycling unter-schieden werden. Für den Druckgießer istdas In-House-Recycling nicht nur wirt-schaftlicher, sondern auch mit erheblichweniger Logistikaufwand beim Transportder Angüsse und der Überläufe verbunden.Erfahrungsgemäß bedeutet In-House-Re-cycling einen Mehraufwand an Reinigungdes Ofens. Die dazu gestellten Forderungensind bereits beschrieben worden.

Selbstverständlich ist auch die Forde-rung, dass das extern aufbereitete Materialwieder HP-Qualität und dieselbe chemi-sche Zusammensetzung wie die Primärle-gierung aufweisen sollte.

7 Zusammenfassung

Trotz seiner positiven Eigenschaften wirdMagnesium derzeit nur für eine überschau-bare Anzahl von Komponenten in denFahrzeugbereichen Antrieb, Fahrwerk undKarosserie verwendet. Die Entscheidungpro oder contra Magnesium wird nicht al-lein durch das Eigenschaftsprofil bestimmt,sondern hängt auch von einer Reihe gesell-schaftspolitischer und entwicklungsspezi-fischer Rahmenbedingungen ab. Letztend-lich kommt bei BMW immer der Werkstoffzum Einsatz, dessen Eigenschaftsprofil un-ter den vorgegeben Randbedingungen Kos-ten, Stückzahl, Gewicht und Funktion füreinen bestimmten Anwendungsfall ambesten geeignet ist. Magnesium steht dabeieindeutig im Wettbewerb mit den anderenLeichtbauwerkstoffen Aluminium, Kunst-stoff und Stahl. ■


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